貓咪的條紋怎麼來?科學家從胚胎找答案

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 21 日 11:00 | 分類 生物科技 Telegram share ! follow us in feedly


黑貓、白貓、虎斑貓,只要是貓統統都可愛,但你有沒有想過,明明是同樣父母生下來的,為何有的貓是純色,有的卻是條紋?而條紋到底是怎麼來的?

斑點和條紋怎麼來?

你有沒有想過,虎斑貓的斑點與條紋是怎麼來的?為什麼明明是同樣父母生下來的小貓,毛皮花色卻不盡相同?當然這一切都是基因造成的──但基因是怎麼運作的?

細胞一樣,為何顏色不一樣?

對斑馬魚之類的動物來說,之所以會出現條紋,是由於黑色素細胞(melanophore)與黃色素細胞(xanthophore)排列組合後造成,可是哺乳動物卻大不相同:因細胞沒有這種差異。

所以既然細胞相同,是什麼決定虎斑貓毛皮是黑色或褐色,並形成大家眼中的條紋或斑點?

▲ 斑馬魚的條紋來自不同細胞的排列組合。(Source:Oregon State University, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons)

胚胎發育期就決定

今年8月31日,一群遺傳學家在期刊《自然─通訊》(Nature Communications)刊登最新研究成果,指出貓咪有特定基因,就是讓毛皮產生圖案的關鍵。

且他們還發現,貓有沒有斑紋是在身體表面的毛囊形成前,胚胎發育時期就決定好了。

未能徹底解答的謎題

研究作者巴許博士(Dr. Gregory S. Barsh)指出這應該是人類首度找出參與調控並影響貓咪班紋生成的可能分子,但成長中胚胎如何確定斑紋的樣式「仍是未解的謎題」。

包含巴許,研究小組都來自阿拉巴馬州的哈德森阿爾發生物技術研究機構(HudsonAlpha Institute for Biotechnology),或是史丹佛大學(Stanford University)醫學院。

▲ 貓科動物中,老虎也有條紋。(Source:pixabay

圖靈發表的「反應─擴散系統」

巴許透露,小組研究基礎可追溯至數學奇才圖靈(Alan Turing)的開創性論文。

圖靈以電腦科學和破譯密碼領域成就聞名,但1952年時,他發表過名為《形態發生的化學基礎》(The Chemical Basis of Morphogenesis)論,影響發育模式形成(pattern formation)等領域甚深,巴許認為這篇論文「為整個數理生物學奠定基礎」。

圖靈描述所謂的反應─擴散系統(Reaction-diffusion system),也就是在一包含兩種分子的連續場域,藉由分子擴散與相互影響,便能產生自然界各式複雜的紋路,如條紋(stripes)、斑點(spots)甚至螺旋(spiral),這些圖案又稱為「圖靈紋」(Turing pattern)。

研究小組認為,「反應─擴散系統」讓貓毛產生條紋,巴許也指出,他們已確認這個假設。

▲ 貓胚胎發育出毛囊前,就確定斑紋會長成怎樣。(Source:pixabay

野貓絕育機構提供胚胎

這份研究的材料取自野貓絕育機構,機構會捕捉野貓幫牠們結紮,最後再讓牠們重新回歸野外,但很多母貓絕育時已懷孕,還不及長大便摘除的胚胎,便被送到巴許和小組實驗室。

厚薄錯落的組織

小組成員之一麥高文博士(Dr. Kelly A. McGowan)指出,他們從超過200隻未發育完成、處於不同發育階段的幼貓胚胎,嘗試尋找斑紋的痕跡。

最後,在約28~30天大的胚胎,他們發現胚胎皮膚的最外層,形成一層厚薄不一的組織,這些「厚」與「薄」組織後來會各自發育出不同類型黑色素的毛囊,進而讓貓毛表現不同深淺、形成斑紋。也就是說,毛囊發育前,胚胎就確定斑紋會如何形成。

▲ 倘若Dkk4發生突變,貓毛條紋會更細,如阿比西尼亞貓就是經典例子。(Source:pixabay

「你是黑色皮毛應該要生長的地方」

接下來,研究小組轉而尋找是什麼讓組織厚薄不一。

胚胎發育中,「Wnt訊息傳遞路徑」(Wnt signaling pathway)扮演十分重要的調控角色,研究小組一員的凱林(Christopher B. Kaelin)在約20天大的小貓胚胎,發現參與Wnt訊息傳遞路徑的基因「Dkk4」(Dickkopf 4),就是關鍵因素。

小組指出,基因Dkk4活躍的組織區塊較厚,顏色也較深。研究主持人巴許表示,這就像對周圍其他細胞發出訊號:「你很特別,你是黑色皮毛應該要生長的地方。」

「Dkk4」和「Wnt」的平衡

基因Dkk4產生的蛋白質會抑制Wnt訊息傳遞,組織厚區與薄區Dkk4含量不一樣:當Dkk4和Wnt兩者取得平衡,貓毛會是深色;當Dkk4生成的蛋白質足以抑制Wnt,毛皮會變成淺色;倘若Dkk4發生突變,毛皮條紋會更細,細到成為新的花紋樣式「細刺紋/多層色」(Ticked),如阿比西尼亞貓(​Abyssinian)就是經典例子。

但根據現行研究,Dkk4如何觸發活性、又是什麼關鍵觸發,都還未知。

▲ 小組希望研究目標延伸到其他哺乳類動物,如斑馬和長頸鹿。(Source:Unsplash

還有很多研究空間

研究小組強調,他們目前研究的只是「家貓品種多樣性斑紋的一小部分」,且巴許透露,小組目標之一,是要弄明白毛囊生長時,這些厚薄不一的組織究竟如何轉化成不同毛色。

除了家貓,小組還希望研究目標延伸到野生貓科動物,甚至其他哺乳類動物──像是斑馬和長頸鹿。

「我們迄今觀察僅限家貓,」巴許說:「家貓研究習得的分子運作機制,很有可能也適用野生貓科動物,但我們需要另外研究DNA,才能確認這點。」

(本文由 地球圖輯隊 授權轉載;首圖來源:pasja1000, CC0, via Wikimedia Commons)

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