貓的花紋是怎么來的

近日，學(xué)術(shù)期刊Nature Communications刊登了一項(xiàng)關(guān)于貓科動(dòng)物顏色模式的研究。這項(xiàng)研究來自美國哈森阿爾法生物技術(shù)研究院的研究者們，不同以往，研究人員從發(fā)育遺傳學(xué)的角度研究了貓科動(dòng)物的顏色模式。

復(fù)雜的顏色圖案是貓科動(dòng)物形態(tài)多樣性的一個(gè)決定性方面。研究將形態(tài)學(xué)和單細(xì)胞基因表達(dá)分析應(yīng)用于家貓?zhí)浩つw，以確定何時(shí)、何地和如何在胎兒發(fā)育過程中建立貓科動(dòng)物的顏色模式。

胎貓皮膚表皮增厚的模式

這項(xiàng)研究結(jié)果從分子上理解了豹的斑點(diǎn)是如何形成的，提示了周期性顏色圖案和周期性毛囊間距的相似機(jī)制，并在其他哺乳動(dòng)物中確定了不同圖案變異的目標(biāo)。

了解動(dòng)物顏色圖案的基礎(chǔ)是發(fā)展和進(jìn)化生物學(xué)長期關(guān)注的問題。在哺乳動(dòng)物中，像獵豹斑點(diǎn)和老虎條紋這樣的標(biāo)記有助于激發(fā)理論模型，如圖靈反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制，這有可能解釋基因表達(dá)和形式的周期性和穩(wěn)定差異是如何從相同細(xì)胞的均勻場產(chǎn)生的。反應(yīng)擴(kuò)散和其他解釋周期性形態(tài)結(jié)構(gòu)的機(jī)制已涉及實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物的不同發(fā)育過程，但對(duì)哺乳動(dòng)物顏色模式的了解要少得多。比較突出的例子發(fā)生在野生馬科動(dòng)物和貓科動(dòng)物的自然種群中，但它們不適合進(jìn)行基因或?qū)嶒?yàn)研究。

在魚類中，顏色模式涉及色素細(xì)胞之間的直接相互作用，這些細(xì)胞通常是動(dòng)態(tài)的，允許額外的模式元素在生長或再生過程中出現(xiàn)。相比之下，在哺乳動(dòng)物的皮膚和毛發(fā)中，黑色素細(xì)胞在發(fā)育過程中是均勻分布的，而黑色素的數(shù)量和類型隨后由單個(gè)毛囊內(nèi)的旁分泌信號(hào)分子控制。

此外，單個(gè)毛囊的模式元素特征，如產(chǎn)生淺色或深色頭發(fā)的特征，在頭發(fā)周期和細(xì)胞分裂過程中保持不變，因此，出生時(shí)明顯的單個(gè)頭發(fā)斑點(diǎn)或條紋在出生后的生長過程中按比例擴(kuò)大。因此，周期性的哺乳動(dòng)物顏色圖案可以被理解為由三個(gè)階段產(chǎn)生的過程：（1）在胎兒發(fā)育過程中模式元素身份的建立;（2）通過單個(gè)毛囊內(nèi)產(chǎn)生的旁分泌信號(hào)分子實(shí)現(xiàn)模式形態(tài);（3）頭發(fā)循環(huán)和生物生長過程中模式元素身份的維持。

“陷阱-絕育-放生”計(jì)劃已經(jīng)成為控制野貓數(shù)量過剩的一種流行手段。在繁殖季節(jié)，大約一半的雌性野貓都懷孕了，并且在不影響動(dòng)物健康或干擾控制野貓數(shù)量過剩的努力的情況下，可以從非活胚中提取組織。研究人員從野貓、絕育診所收集了200多窩產(chǎn)崽，根據(jù)之前對(duì)貓和實(shí)驗(yàn)室小鼠的研究劃分了一系列發(fā)育階段。

組織化學(xué)和形態(tài)分析揭示了表皮發(fā)育的一個(gè)方面，這是以前的研究沒有描述過的。在第13階段，胎兒皮膚由均勻的單層上皮細(xì)胞組成，覆蓋在細(xì)胞不足的真皮上。大約16天后，在第16階段，在表皮分化和毛囊形態(tài)發(fā)生之前，我們注意到表皮組織分為“厚”或“薄”的交替區(qū)域。角蛋白表達(dá)和細(xì)胞增殖的特征表明，厚區(qū)和薄區(qū)與通常發(fā)生在發(fā)育后期的表皮分層有著根本的不同。到了第22階段，發(fā)育良好的毛囊出現(xiàn)了，可以根據(jù)產(chǎn)生的黑色素的類型進(jìn)行分類，并產(chǎn)生了平紋圖案：深色斑點(diǎn)主要含有真黑素，而淺色區(qū)域主要含有偽黑素。

家貓是研究顏色模式的有用模型，因?yàn)榧邑埖囊捉咏?、遺傳和基因組基礎(chǔ)設(shè)施、組織樣本的基因組和組織學(xué)研究機(jī)會(huì)以及模式類型的多樣性?；哓埖脑蛨D案在淺色背景上有規(guī)則間隔的深色斑紋在形狀和顏色上都有很大差異，其中許多品種與一些野生貓科動(dòng)物物種相似。

在以前關(guān)于家貓的研究中，內(nèi)皮素是虎斑花紋的毛囊的基礎(chǔ)，因此在虎斑pattern17的實(shí)現(xiàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，斑紋在毛囊發(fā)育過程中很明顯，這表明顏色模式的建立必須發(fā)生在毛囊發(fā)育過程中或者之前。

研究人員將單細(xì)胞基因表達(dá)分析應(yīng)用于胎貓皮膚，以研究模式建立的發(fā)育、分子和基因組基礎(chǔ)。研究揭示了表皮發(fā)育的一個(gè)方面，標(biāo)志著模式元素身份的建立，以及與模式建立相關(guān)的信號(hào)分子和途徑的特征。研究發(fā)現(xiàn)Dickkopf4編碼的信號(hào)分子中，有一種是自然發(fā)生的突變，影響虎斑的圖案，并在圖案形成過程中起著關(guān)鍵作用。

這項(xiàng)研究為顏色模式建立的機(jī)制提供了基礎(chǔ)見解，并為更廣泛地探索周期性模式的生物學(xué)提供了平臺(tái)。（綜合整理報(bào)道）（編輯/小美）