چرا اثر انگشت دوقلوهای همسان یکی نیست؟

هیچ دو اثر انگشتی دقیقا شبیه هم نیستند و این همان چیزی است که موجب می‌شود اثر انگشت برای پلیس و تلفن‌های هوشمند به‌منظور شناسایی افراد مفید باشد.

پژوهش‌های گذشته نشان داده‌اند که ژن‌ها در نحوه ایجاد الگوهای پیچیده شیارها و برآمدگی‌های (پشته‌های) روی نوک انگشتان ما نقش دارند. پس چرا دوقلوهای همسان اثر انگشت یکسانی ندارند؟

مجله‌ی ساینس می‌نویسد، مطالعه جدیدی نشان می‌دهد سه خانواده از مولکول‌های سیگنال‌دهنده همراه با تفاوت‌های جزئی در شکل انگشت و زمان‌بندی رشد پوست، در تعامل با هم اثرانگشت منحصربه‌فرد ما را تعیین می‌کنند. روئل نوسه، زیست‌شناس رشد در دانشکده پزشکی استنفورد که در پژوهش مشارکت نداشت، می‌گوید: «این مثالی عالی از این موضوع است که چگونه نوسانات جزئی می‌تواند تنوع بی‌نهایتی را در یک الگو ایجاد کند.»

سطح ناهموار انگشتان عمل چنگ زدن را بهبود می‌دهد و در انسان‌ها و گونه‌های بالارونده‌ای مانند کوآلا و شامپانزه دیده می‌شود. سطح ناصاف انگشتان همچنین به ما کمک می‌کند تا تفاوت بین بافت‌های مختلف را احساس کنیم.

اثر انگشت نسبتا در مراحل نسبتا ابتدایی رشد جنین تشکیل می‌شود و از حدود هفته سیزدهم بارداری با ایجاد پشته‌های اولیه روی نوک انگشتان شروع می‌شود. این برجستگی‌ها به سه الگوی اصلی تبدیل می‌شوند: آرایش متقارن و دایره‌ای به نام «مارپیچ» و الگوهای طویل‌تر و انحناداری به نام «حلقه» و برآمدگی‌های مثلثی‌شکلی به نام «طاق».

دانشمندان چندین ژن را شناسایی کرده‌اند که بر این موضوع تاثیر می‌گذارد که کدام الگوها روی انگشت فرد ظاهر می‌شود، اما مکانیسم‌های بیوشیمیایی که موجب تشکیل این برآمدگی‌ها می‌شوند، به‌خوبی شناسایی نشده‌اند.

برای روشن شدن این معما، دنیس هدون، متخصص ژنتیک در دانشگاه ادینبورگ و همکارانش توالی RNA درون هسته سلول‌های نوک انگشت رویان انسان را تعیین کرده‌اند تا ژن‌هایی را شناسایی کنند که در طول رشد بیان می‌شوند. (بافت رویانی از افرادی به دست آمد که در بریتانیا به بارداری خود خاتمه داده بودند).

ژن‌های مورد مطالعه سه مسیر سیگنال‌دهی مختلف و خانواده‌های از پروتئین‌ها را آشکار کردند که دستورالعمل‌ها را بین سلول‌ها حمل می‌کنند و در هدایت رشد پوست روی نوک انگشتان نقش دارند.

ژن‌های دخیل در دو مورد از این مسیرهای سیگنال‌دهی به نام‌های WNT و BMP در نوارهای متناوبی از سلول‌ها در نوک انگشتان درحال رشد بیان می‌شوند و الگویی را ایجاد می‌کنند که درنهایت شیارها و برآمدگی‌های نوک انگشتان را می‌سازد. عامل سوم که EDAR نام دارد، به همراه WNT در شیارهای درحال توسعه بیان می‌شود.

موش‌ها نیز دارای الگوهای برآمدگی ساده‌ای روی انگشتان خود هستند. وقتی پژوهشگران به‌طور مصنوعی مسیرهای پیام‌دهی مذکور را در موش‌ها سرکوب کردند، دریافتند که سیگنال‌های WNT و BMP به روش‌های متضادی عمل می‌کنند. به‌نظر می‌رسد WNT رشد سلولی را تحریک می‌کند تا برجستگی‌هایی را در لایه بیرونی پوست بسازد، درحالی‌که BMP رشد سلولی را سرکوب می‌کند تا شیارها را ایجاد کند.

سیگنال‌های EDAR به تعیین اندازه و فاصله بین برجستگی‌ها کمک می‌کنند. برای مثال، وقتی پژوهشگران مسیرهای WNT را مهار کردند، اصلا برجستگی روی انگشتان موش‌ها ایجاد نشد، درحالی‌که مهار مسیر BMP موجب شد که برآمدگی‌ها عریض‌تر شوند. در موش‌هایی که حامل جهشی بودند که فعالیت EDAR را متوقف کرد، به‌جای الگوی نواری، الگوی خال‌خالی روی انگشتانشان ظاهر شد.

پژوهشگران اخیرا در مجله‌ی Cell گزارش کردند که درنهایت این سه مسیر سیگنال‌دهی با هم کار می‌کنند تا تشکیل برجستگی‌های اولیه را که درنهایت به شکل الگوی راه‌راه روی نوک انگشتان ظاهر می‌شود، کنترل کنند.

رابطه متضاد بین WNT و BMP در نوک انگشتان انسان ویژگی الگوهای تورینگ است که در آن فعالیت‌های شیمیایی مختلف و دارای اشتراک موجب ظاهر شدن الگوهای پیچیده‌ای می‌شود که در طبیعت گسترده است و موجب ظهور نوارها و خال‌هایی می‌شود که روی خز حیوانات و پوست ماهی‌های گرمسیری دیده می‌شود. هدون می‌گوید: «منحصربه‌فرد بودن نوک انگشتان از عناصر کوچک الگو ناشی می‌شود. الگوی‌های تورینگ به‌راحتی این نوع الگوی ریزبافت را تولید می‌کنند.»

اما شکل کلی الگوی اثر انگشت و این موضوع که آیا اثر انگشت به‌عنوان مارپیچ، حلقه یا قوس ختم می‌شود، به آناتومی انگشت و زمان دقیق تشکیل برجستگی بستگی دارد.

در بافت‌های رویانی انسان پژوهشگران دریافتند که برجستگی‌های اولیه در سه نقطه شروع به شکل‌گیری می‌کند: مرکز بالشتک نرم و برآمده انگشت جنین، انتهای انگشت زیر ناخن و چروکیدگی در مفصلی که در آن انگشت خم می‌شود. هدون می‌گوید: «از این سه محل، برجستگی‌ها مانند امواج در سراسر نوک انگشت گسترش پیدا می‌کند و هر برجستگی به‌عنوان تعیین‌کننده موقعیت برجستگی بعدی عمل می‌کند.» آناتومی انگشت به هدایت الگوی رشد سلول‌های انگشت کمک می‌کند.

اگر بالشتک‌های انگشت بزرگ و متقارن باشند و برجستگی‌ها زودتر در آن‌جا شکل بگیرند، معمولا مارپیچ تشکیل می‌شود. اگر بالشتک‌های انگشت بلندتر و نامتقارن‌تر باشد، موجب ایجاد حلقه می‌شود. اگر برجستگی‌ها نتوانند روی بالشتک تشکیل شوند، یا اگر در اواخر رشد شروع به شکل‌گیری کنند، برجستگی‌ها به ناخن انگشت می‌رسد و قوس ایجاد می‌کند.

پژوهشگران همچنین دریافتند که همین سیگنال‌های شیمیایی (WNT، BMP و EDAR) موجب می‌شوند که سلول‌ها در سایر نقاط بدن به فولیکول‌های مو تبدیل شوند. اما نوک انگشتان بدون مو می‌ماند، زیرا تشکیل فولیکول روی کف دست‌های ما خیلی زود متوقف می‌شود. این امر نشان می‌دهد ساختارهای مختلف پوست قبل از به دست آوردن نقش‌های تخصصی، همگی از مسیر رشد اولیه مشابهی شروع می‌شوند. نوسه می‌گوید: «ممکن است تمام ساختارهای تشکیل‌شده توسط بزرگ‌ترین اندام ما یعنی پوست ازجمله مو، غده‌ها و نوک انگشتان عملا طی مکانیسم مشابهی تولید شوند.»