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猫及类似动物的斑纹是怎么来的

2019年03月05日 栏目:生活

导言:猫及其他动物身上的斑纹其实是斑驳病的表现,这是由于色素细胞的缺失所导致的。研究发现在有斑纹的动物中,色素细胞迁移的更快,但是色素细胞并

导言:猫及其他动物身上的斑纹其实是斑驳病的表现,这是由于色素细胞的缺失所导致的。研究发现在有斑纹的动物中,色素细胞迁移的更快,但是色素细胞并不像在正常动物中那样进行分裂。结合生物学和数学模型,研究人员还发现色素细胞在胚胎发育过程中的迁移是随机的。

关键词:猫,斑纹,胚胎发育,数学模型

全身盛装打扮。图片来源: Scott Schiller, CC BY-NC

从兔八哥里的Sylvester到二十世纪80年代音乐剧中的Mistoffelees先生,一些虚构但却有名的猫星人由于他们燕尾服式黑白相间的斑纹而拥有了帅气的独特外貌。皮毛上有此类白斑的猫被称为“双色猫”或“花猫”。而这正是源于斑驳病。

猫及类似动物的斑纹是怎么来的

斑驳病在一些家养及农场动物,包括狗、牛、猪、鹿和马中也很常见,而在人类中则很罕见。主要由“KIT”基因中的一个突变所导致的。

我们小组的研究人员分别来自巴斯大学、爱丁堡大学和牛津大学,并一直在努力揭开这些动物具有不同斑纹的奥秘。我们发现这些引人注目的有色图案的形成比我们初设想的要更加随机。而这一研究结果将有助于大量严重的人类胚胎疾病的研究,如对听力、视觉、消化和心脏等疾病的研究。

惊人的斑纹。图片来源:Shutterstock

斑驳病通常表现为由于缺失色素细胞而导致的皮肤或毛发出现白色区域。这些区域通常出现在动物的正面,一般在腹部和前额。花斑图案是自然界中引人注目的动物皮毛花纹。

虽然斑驳病的病理影响相对较轻,但是它是一些更严重的称为neurocristopathies的缺陷病的一种。这类疾病是组织发育过程中的缺陷所造成的,并表现为心脏疾病、耳聋、消化系统疾病,甚至是癌症。这些疾病都与一种叫做神经嵴细胞的胚胎细胞有关。通过对斑驳病的进一步了解,我们能更好地了解这些相关疾病和一些更严重的疾病。

准备好接球了。图片来源:vey/Flickr, CC BY-NC

动物在胚胎发育过程中就会在皮肤上形成色素沉着的花斑图案了。当色素细胞的前体细胞在胚胎中错误地分布时,斑驳病就产生了。在正常发育过程中,色素细胞从胚胎背面附近的区域开始沿着发育中的皮肤向腹部分布。而同时它们也在增殖,生成更多的细胞,并且部分留在原地以确保所有皮肤都被着色。

然而在斑驳病的情况下,黑色的色素细胞并不能及时完成腹部皮毛的着色,从而导致动物腹部周围(离它们起始远的地方)皮毛上产生与众不同的白斑。长期以来,人们都认为色素细胞直接从背部向正面迁移,因而正面缺少着色是因为色素细胞移动的不够快。

细胞从胚胎背面附近开始向正面迁移。图片来源:Richard Mort

然而,我们的研究结果却得出了不同的结论(这一研究结果发表在了《自然通讯》杂志上)。我们发现,要说色素细胞与这一疾病的关系,实际上,在有花斑动物中,细胞迁移得比在正常动物中快,只是它们并不像在普通动物中那样分裂。这就意味着疾病形成的原因无非是没有足够的细胞为发育中的胚胎的所有地方都着色。

嵌合斑纹。图片来源:John West

带有嵌合斑纹的动物来自于两个早期胚胎的融合。如果原始胚胎有不同的颜色(比如黑色和白色),那么嵌合体常常会有这两者颜色糅合而成的斑纹或者补丁样的皮毛图案。此前,大多人都认为每个斑纹都是由少量从背部散步到正面的起始细胞产生的。

我们的研究结合了生物学实验和复杂的数学模型,以证明色素细胞的迁移是无规则可循的。细胞并不是像短跑运动员在百米赛跑中那样朝一个特定的方向移动,而是几乎或者完全没有固定方向地移动,就像喝醉酒的人从要关门的当地酒吧里摇摇晃晃地走出来一样。那些带有嵌合斑纹的老鼠之所以有这些斑纹,或许仅仅只是因为那些有着相同颜色的细胞机缘巧合地碰在了一起。

运用数学模型,我们能对可能造成斑纹形成的生物假说进行测试及检验。这使我们能够更深入地认识斑纹的形成,而单靠实验这是不可能做到的。这也意味着或许我们可以减少用于这个重要研究领域中的实验动物的数量。

天生的猫。图片来源:Tjflex2/Flickr, CC BY-NC-ND

令人兴奋的是,这样的同样的数学模型或许还能用于研究早期发育过程中的其他细胞类型。这为进一步研究与早期细胞定位相关的疾病创造了新的机会,这些疾病包括可能引起某些神经系统癌症的疾病和其他衰竭性疾病,如瓦登伯革氏综合征、先天性巨结肠症和気症候群综合征(一种呼吸障碍,如果不治疗终可能致命)。

作者简介:Christian Yates,巴斯大学数学生物学讲师。Christian Yates不为任何可能从此文章中获利的公司或机构工作,不为其提供咨询服务,也不持有其股份或接受其经费,并且已公开声明,除具有巴斯大学的学术职位外,与上述任何公司或机构皆无关联。

(翻译:郭晓;审校:海带丝)

原文链接[科学美国人博客]: