猫的花纹是怎么来的

近日，学术期刊Nature Communications刊登了一项关于猫科动物颜色模式的研究。这项研究来自美国哈森阿尔法生物技术研究院的研究者们，不同以往，研究人员从发育遗传学的角度研究了猫科动物的颜色模式。

复杂的颜色图案是猫科动物形态多样性的一个决定性方面。研究将形态学和单细胞基因表达分析应用于家猫胎儿皮肤，以确定何时、何地和如何在胎儿发育过程中建立猫科动物的颜色模式。

胎猫皮肤表皮增厚的模式

这项研究结果从分子上理解了豹的斑点是如何形成的，提示了周期性颜色图案和周期性毛囊间距的相似机制，并在其他哺乳动物中确定了不同图案变异的目标。

了解动物颜色图案的基础是发展和进化生物学长期关注的问题。在哺乳动物中，像猎豹斑点和老虎条纹这样的标记有助于激发理论模型，如图灵反应扩散机制，这有可能解释基因表达和形式的周期性和稳定差异是如何从相同细胞的均匀场产生的。反应扩散和其他解释周期性形态结构的机制已涉及实验室动物的不同发育过程，但对哺乳动物颜色模式的了解要少得多。比较突出的例子发生在野生马科动物和猫科动物的自然种群中，但它们不适合进行基因或实验研究。

在鱼类中，颜色模式涉及色素细胞之间的直接相互作用，这些细胞通常是动态的，允许额外的模式元素在生长或再生过程中出现。相比之下，在哺乳动物的皮肤和毛发中，黑色素细胞在发育过程中是均匀分布的，而黑色素的数量和类型随后由单个毛囊内的旁分泌信号分子控制。

此外，单个毛囊的模式元素特征，如产生浅色或深色头发的特征，在头发周期和细胞分裂过程中保持不变，因此，出生时明显的单个头发斑点或条纹在出生后的生长过程中按比例扩大。因此，周期性的哺乳动物颜色图案可以被理解为由三个阶段产生的过程：（1）在胎儿发育过程中模式元素身份的建立;（2）通过单个毛囊内产生的旁分泌信号分子实现模式形态;（3）头发循环和生物生长过程中模式元素身份的维持。

“陷阱-绝育-放生”计划已经成为控制野猫数量过剩的一种流行手段。在繁殖季节，大约一半的雌性野猫都怀孕了，并且在不影响动物健康或干扰控制野猫数量过剩的努力的情况下，可以从非活胚中提取组织。研究人员从野猫、绝育诊所收集了200多窝产崽，根据之前对猫和实验室小鼠的研究划分了一系列发育阶段。

组织化学和形态分析揭示了表皮发育的一个方面，这是以前的研究没有描述过的。在第13階段，胎儿皮肤由均匀的单层上皮细胞组成，覆盖在细胞不足的真皮上。大约16天后，在第16阶段，在表皮分化和毛囊形态发生之前，我们注意到表皮组织分为“厚”或“薄”的交替区域。角蛋白表达和细胞增殖的特征表明，厚区和薄区与通常发生在发育后期的表皮分层有着根本的不同。到了第22阶段，发育良好的毛囊出现了，可以根据产生的黑色素的类型进行分类，并产生了平纹图案：深色斑点主要含有真黑素，而浅色区域主要含有伪黑素。

家猫是研究颜色模式的有用模型，因为家猫的易接近性、遗传和基因组基础设施、组织样本的基因组和组织学研究机会以及模式类型的多样性。虎斑猫的原型图案在浅色背景上有规则间隔的深色斑纹在形状和颜色上都有很大差异，其中许多品种与一些野生猫科动物物种相似。

在以前关于家猫的研究中，内皮素是虎斑花纹的毛囊的基础，因此在虎斑pattern17的实现中发挥着关键作用。然而，斑纹在毛囊发育过程中很明显，这表明颜色模式的建立必须发生在毛囊发育过程中或者之前。

研究人员将单细胞基因表达分析应用于胎猫皮肤，以研究模式建立的发育、分子和基因组基础。研究揭示了表皮发育的一个方面，标志着模式元素身份的建立，以及与模式建立相关的信号分子和途径的特征。研究发现Dickkopf4编码的信号分子中，有一种是自然发生的突变，影响虎斑的图案，并在图案形成过程中起着关键作用。

这项研究为颜色模式建立的机制提供了基础见解，并为更广泛地探索周期性模式的生物学提供了平台。（综合整理报道）（编辑/小美）