来自英国伦敦国王学院的研究人员首次提供实验证据证实一名伟大的英国数学家关于诸如虎纹或豹斑之类的生物图案如何形成的理论。这些研究结果发表在《自然-遗传学》期刊上。
这项研究不仅证实一种可能在脊椎发育中发挥极其重要作用的机制，而且还确信控制这些图案形成的称作成形素(morphogen)的化学物也能够用于再生医学中将干细胞分化为组织。
这些研究发现提供证据支持一种著名的译码员和数学家Alan Turing在20世纪50年代首次提出的一种理论[1]。他提出一种观点：生物系统中有规则的重复图案是由一对成形素产生的。这对成形素当中一个作为“激活物”和另一个作为“抑制物”，两者一起发挥作用。
为了测试这种理论，研究人员研究了在小鼠上腭中发现的有规则性地间隔排布的齿板的发育。研究小组在小鼠胚胎上开展实验，鉴定出一对成形素相互配合影响每根齿板在哪儿形成。这两种化合物控制彼此的表达，激活和抑制彼此的产生，因而控制齿板图案的产生。
研究人员能够鉴定出两种特异性的成形素参与这种过程---FGF(Fibroblast Growth Factor, 成纤维细胞生长因子)和Shh(Sonic Hedgehog, 音猬因子)。他们证实当这些成形素的活性增加或下降时，小鼠上腭齿板(the ridges in the mouth palate)图案按照Turing方程式预测的那样受到影响。这是第一次鉴定出实际的成形素参与这种过程，研究人员也就能够精确地观察Turing提出的理论所预测的影响。
来自伦敦国王学院牙科研究所颅面发育部门的Jeremy Green教授说，“规则性间隔排布的结构，从脊椎和毛囊到老虎或斑马鱼的斑纹，是生物学中的一种基本图案模式。科学家已提出几种关于自然中图案如何形成的理论，但是直到现在只有Turing提出的机制存在着相关证据。我们的研究首次通过实验鉴定出一种激活物-抑制物系统在斑纹的产生中发挥作用，在这种研究中，这种斑纹存在于小鼠上腭齿板中。”
“尽管齿板在享受和品尝食物中发挥着重要作用，但是它并没有很大的医学价值。然而，它们在验证Alan Turing在20世纪50年代首次提出的激活物-抑制物理论模型中极其有价值。”
“这项研究不仅证实诸如斑纹之类的图案是如何形成的，而且它还确信这两种成形素能够用于未来的再生医学以便当干细胞分化为其他组织时再生不同的结构和图案。”
“因为2012年是Turing的百年诞辰纪念日，所以这项证实他的理论是正确的研究是送给这位伟大的数学家和计算机科学家的最合适的礼物。” (生物谷：towersimper编译)
译者注：
[1]：该理论首次发表在Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B期刊上：A. M. Turing, "The Chemical Basis of Morphogenesis", 14 August 1952 vol. 237 no. 641 37-72, doi: 10.1098/rstb.1952.0012.
doi:10.1038/ng.1090
PMC:
PMID:
Periodic stripe formation by a Turing mechanism operating at growth zones in the mammalian palate
Andrew D Economou, Atsushi Ohazama, Thantrira Porntaveetus, Paul T Sharpe, Shigeru Kondo, M Albert Basson, Amel Gritli-Linde, Martyn T Cobourne & Jeremy B A Green
We present direct evidence of an activator-inhibitor system in the generation of the regularly spaced transverse ridges of the palate. We show that new ridges, called rugae, that are marked by stripes of expression of Shh (encoding Sonic hedgehog), appear at two growth zones where the space between previously laid rugae increases. However, inter-rugal growth is not absolutely required: new stripes of Shh expression still appeared when growth was inhibited. Furthermore, when a ruga was excised, new Shh expression appeared not at the cut edge but as bifurcating stripes branching from the neighboring stripe of Shh expression, diagnostic of a Turing-type reaction-diffusion mechanism. Genetic and inhibitor experiments identified fibroblast growth factor (FGF) and Shh as components of an activator-inhibitor pair in this system. These findings demonstrate a reaction-diffusion mechanism that is likely to be widely relevant in vertebrate development.
