貓的花紋是怎么來的

近日，學術期刊Nature Communications刊登了一項關于貓科動物顏色模式的研究。這項研究來自美國哈森阿爾法生物技術研究院的研究者們，不同以往，研究人員從發育遺傳學的角度研究了貓科動物的顏色模式。

復雜的顏色圖案是貓科動物形態多樣性的一個決定性方面。研究將形態學和單細胞基因表達分析應用于家貓胎兒皮膚，以確定何時、何地和如何在胎兒發育過程中建立貓科動物的顏色模式。

胎貓皮膚表皮增厚的模式

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

了解動物顏色圖案的基礎是發展和進化生物學長期關注的問題。在哺乳動物中，像獵豹斑點和老虎條紋這樣的標記有助于激發理論模型，如圖靈反應擴散機制，這有可能解釋基因表達和形式的周期性和穩定差異是如何從相同細胞的均勻場產生的。反應擴散和其他解釋周期性形態結構的機制已涉及實驗室動物的不同發育過程，但對哺乳動物顏色模式的了解要少得多。比較突出的例子發生在野生馬科動物和貓科動物的自然種群中，但它們不適合進行基因或實驗研究。

在魚類中，顏色模式涉及色素細胞之間的直接相互作用，這些細胞通常是動態的，允許額外的模式元素在生長或再生過程中出現。相比之下，在哺乳動物的皮膚和毛發中，黑色素細胞在發育過程中是均勻分布的，而黑色素的數量和類型隨后由單個毛囊內的旁分泌信號分子控制。

此外，單個毛囊的模式元素特征，如產生淺色或深色頭發的特征，在頭發周期和細胞分裂過程中保持不變，因此，出生時明顯的單個頭發斑點或條紋在出生后的生長過程中按比例擴大。因此，周期性的哺乳動物顏色圖案可以被理解為由三個階段產生的過程：（1）在胎兒發育過程中模式元素身份的建立;（2）通過單個毛囊內產生的旁分泌信號分子實現模式形態;（3）頭發循環和生物生長過程中模式元素身份的維持。

“陷阱-絕育-放生”計劃已經成為控制野貓數量過剩的一種流行手段。在繁殖季節，大約一半的雌性野貓都懷孕了，并且在不影響動物健康或干擾控制野貓數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多窩產崽，根據之前對貓和實驗室小鼠的研究劃分了一系列發育階段。

組織化學和形態分析揭示了表皮發育的一個方面，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胞組成，覆蓋在細胞不足的真皮上。大約16天后，在第16階段，在表皮分化和毛囊形態發生之前，我們注意到表皮組織分為“厚”或“薄”的交替區域。角蛋白表達和細胞增殖的特征表明，厚區和薄區與通常發生在發育后期的表皮分層有著根本的不同。到了第22階段，發育良好的毛囊出現了，可以根據產生的黑色素的類型進行分類，并產生了平紋圖案：深色斑點主要含有真黑素，而淺色區域主要含有偽黑素。

家貓是研究顏色模式的有用模型，因為家貓的易接近性、遺傳和基因組基礎設施、組織樣本的基因組和組織學研究機會以及模式類型的多樣性。虎斑貓的原型圖案在淺色背景上有規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物物種相似。

在以前關于家貓的研究中，內皮素是虎斑花紋的毛囊的基礎，因此在虎斑pattern17的實現中發揮著關鍵作用。然而，斑紋在毛囊發育過程中很明顯，這表明顏色模式的建立必須發生在毛囊發育過程中或者之前。

研究人員將單細胞基因表達分析應用于胎貓皮膚，以研究模式建立的發育、分子和基因組基礎。研究揭示了表皮發育的一個方面，標志著模式元素身份的建立，以及與模式建立相關的信號分子和途徑的特征。研究發現Dickkopf4編碼的信號分子中，有一種是自然發生的突變，影響虎斑的圖案，并在圖案形成過程中起著關鍵作用。

這項研究為顏色模式建立的機制提供了基礎見解，并為更廣泛地探索周期性模式的生物學提供了平臺。（綜合整理報道）（編輯/小美）