Proč nemáme šest prstů

Vznik a vývoj končetiny u obratlovců je fascinující proces. Nebojím se označit jej za vysloveně tajemný. Ne snad proto, že bychom neměli ani potuchu, co se při něm odehrává, ale paradoxně díky šifrovacímu stroji Enigma z období druhé světové války, jehož dešifrování spojencům pomohlo rozluštit tajné kódované depeše německého velitelství a urychlit totální porážku třetí říše.

Jak možná víte, o prolomení kódu Enigmy se významně zasloužil britský matematik Alan Turing, kterého i díky tomu považujeme za jednoho ze zakladatelů informatiky a obecného konceptu výpočetního stroje. Po skončení války Turing působil na Manchesterské univerzitě, kde se začal věnovat zpětnovazebným interakcím, které z počátečního homogenního stavu dokážou vytvářet gradienty a vzory (anglicky patterns), jako například barevné ornamenty na motýlích křídlech nebo pruhy na srsti zebry. Jde o model založený na teorii reakce a šíření (difuze) a počítající se dvěma substancemi. První z nich je aktivátor (P), který pozitivně ovlivňuje svou vlastní produkci a zároveň aktivuje druhou substanci – svůj blokátor (S).

Barevné ornamenty na motýlích křídlech, pruhy na srsti zebry, ale i počet prstů na vaší ruce, to vše vysvětluje Turingův model reakce a difuze. S pomocí dvou molekul, aktivátoru P a rychleji se šířícího blokátoru S, umožňuje vytvořit pravidelně se opakující vzory.Schéma podle [3], upraveno

Aby byl tento systém schopný vytvářet pravidelné vzory, potřebuje splnění další podmínky – blokátor S se musí šířit rychleji než aktivátor P. Na první pohled se to zdá poměrně složité a netvrdím, že skutečné biologické interakce vytvářející složité obrazce nejsou komplikované. Vezmeme-li ale v potaz pouze dva výše uvedené hráče P a S, kteří jsou postačující pro vznik jednodušších struktur, pak je situace relativně přehledná. Díky pozitivní zpětné vazbě roste koncentrace aktivátoru P velmi rychle. Zároveň se pomalu šíří všemi směry. V místě své produkce začne aktivovat svůj blokátor S, který se šíří rychleji než P, proto aktivátor P vytvoří oblast s vyšší koncentrací, které říkejme vrchol. Vyšší rychlost šíření blokátoru S zajistí jeho nízkou koncentraci v určité vzdálenosti od místa produkce obou substancí a umožní znovu „rozjet“ pozitivně zpětnovazebný „kolotoč“. Vznikne tak druhý vrchol, druhé centrum (obr. 1). Vzdálenost mezi těmito vrcholy (například mezi černými pruhy u zebry) bude dána mimo jiné rychlostí šíření blokátoru S. Čím vyšší tato rychlost bude, tím blíže budou pruhy u sebe a obráceně (podrobněji viz Vesmír 75, 137, 1996/3). Při pohledu na svou ruku máte „vrcholy“ přímo před sebou. Ano, jsou to vaše prsty, které – jak si ukážeme dále – jsou taktéž produktem Turingova modelu reakce a difuze.

Vznik a vývoj končetin u obratlovců lze velmi dobře pozorovat například u kuřete nebo u pulců obojživelníků, jmenovitě drápatky vodní (Xenopus laevis) či drápatky tropické (Xenopus tropicalis). Zde se jako první objevují základy zadních končetin a teprve později těch předních. Jak ale vyvíjející se zárodek „ví“, kde má končetinu vytvořit? Odpověď na tuto otázku prochází žaludkem, resp. za vznikem končetin musíme pátrat po vnitřním zárodečném listu, entodermu, který je základem pro trávicí a dýchací systém. Entoderm kromě jiných bílkovin produkuje důležitou signální molekulu – fibroblastový růstový faktor osm (FGF8). Ten patří mezi tzv. parakrinní molekuly, což znamená, že se od buněk, které ho produkují, šíří difuzí a vytváří gradient. Vysoká koncentrace FGF8 je důležitá například pro vznik srdečního základu, ale také pro vývoj obličeje nebo pravo-levou symetrii. Naopak jeho nízká až téměř nulová hladina je nezbytná právě pro vznik předních a zadních končetin, resp. jejich pupenů, jak říkáme končetinovým základům. Tento mechanismus zajišťuje, že končetinové pupeny nevzniknou třeba v místě budoucího srdce, ale dále směrem k ocasní části těla. Co ale zabrání šíření faktoru FGF8 do oblastí budoucích končetinových pupenů? Touto molekulou je retinová kyselina, metabolit vitaminu A (retinolu). Vitamin A je důležitý pro správně fungující zrak a jeho nedostatek může vést k šerosleposti, poruchám imunitního systému či kožním problémům. Jeho předávkování je ale také velmi nebezpečné, a to hlavně v těhotenství, kdy vysoká hladina retinolu může „rozhodit“ přesně vyváženou koncentraci kyseliny retinové a způsobit u plodu rozličná vrozená postižení včetně vad končetin.