貓咪身上的條紋怎麼來?科學家從胚胎找答案

by:阿雀
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黑貓、白貓、虎斑貓,只要是貓通通都可愛,但你有沒有想過,明明是同一對父母生下來的,為何有的貓是純色,有的卻是條紋?而條紋到底是怎麼來的呢?

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就算都是虎斑貓,每隻虎斑貓身上的條紋也都不盡相同。

Photo: pasja1000

斑點和條紋怎麼來?

你有沒有想過,虎斑貓身上的斑點與條紋是怎麼來的?為什麼明明是同一對父母生下來的同一窩小貓,毛皮花色卻不盡相同?當然,這一切都是基因造成的——但當中又是怎麼運作的?

細胞一樣,為何顏色不一樣?

事實上,對於像是斑馬魚之類的動物來說,牠們身上之所以會出現條紋,是由於黑色素細胞(melanophore)與黃色素細胞(xanthophore)經過排列組合後所造成的,可是哺乳動物的狀況卻大不相同:因為牠們的細胞沒有這樣的差異。

所以,既然細胞相同,那麼是什麼決定了虎斑貓的毛皮應該要是黑色或褐色,並形成大家眼中的條紋或斑點?

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斑馬魚的條紋來自不同類型細胞的排列組合。

Photo: Oregon State University

在胚胎發育時期就已決定

今年 8月31日,一群遺傳學家在期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上刊登了一項最新的研究成果,指出貓咪體內有一個特定的基因,這個特定基因就是讓毛皮產生圖案的關鍵。

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

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,但成長中的胚胎如何確定斑紋的樣式「仍是個未解的謎題」。

包含巴許在內,這份研究的小組人員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),又或是史丹佛大學(Stanford University)醫學院。

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在貓科動物之中,老虎的身上也帶有條紋。

Photo: blende12

圖靈發表的「反應-擴散系統」

巴許透露,他們小組的研究基礎,可以追溯至數學奇才圖靈(Alan Turing)所寫過的一篇開創性論文。

圖靈以其在電腦科學和破譯密碼領域的成就而聞名,但 1952年時,他還曾發表一篇名為〈形態發生的化學基礎〉(The Chemical Basis of Morphogenesis)的文章,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了基礎」。

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

研究小組認為,這個「反應-擴散系統」讓貓毛產生了條紋,而巴許也指出,他們已經確認了這個假設。

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在貓的胚胎發育出毛囊前,其實就已經確定了斑紋會如何形成。

Photo: TeamK

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,該機構會捕捉野貓、替牠們結紮,最後再讓牠們重新回歸野外,但很多母貓在進行絕育時已經懷孕,而這些還不及長大便被摘除的胚胎,便被送到了巴許和其小組的實驗室中。

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中,嘗試尋找斑紋的痕跡。

最後,在約 28天至 30天大的胚胎中,他們發現胚胎皮膚的最外層,形成了一層厚薄不一的組織,這些「厚」與「薄」組織後來會各自發育出含有不同類型黑色素的毛囊,進而讓貓的毛皮表現出不同深淺、形成斑紋。也就是說,在毛囊發育之前,胚胎其實就已經確定了斑紋會如何形成。

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倘若Dkk4發生突變,則貓的毛皮條紋會變得更細,例如阿比西尼亞貓就是經典的例子。

Photo: tsapenkodg

「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出現厚薄不一的情況。

在胚胎發育中,「Wnt訊息傳遞路徑」(Wnt signaling pathway)扮演著十分重要的調控角色,而身為研究小組一員的凱林(Christopher B. Kaelin)則在約 20天大的小貓胚胎中,發現參與Wnt訊息傳遞路徑的基因「Dkk4」(Dickkopf 4)就是當中的關鍵因素。

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,這就像是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所產生的蛋白質會抑制Wnt的訊息傳遞,而在組織的厚區與薄區中,Dkk4的含量是不一樣的:當Dkk4和Wnt兩者取得平衡時,貓的毛皮會是深色的;當Dkk4生成的蛋白質足以抑制Wnt時,毛皮會變成淺色的;倘若Dkk4發生突變,則貓的毛皮條紋會變得更細,細到成為新的花紋樣式「細刺紋/多層色」(Ticked),例如阿比西尼亞貓(​Abyssinian)就是經典的例子。

但根據現行研究,Dkk4是如何被激發活性、又是什麼關鍵激發了它的活性,都還是未知的。

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小組還希望能將研究目標延伸到其他哺乳類動物身上,例如斑馬和長頸鹿。

Photo: Rae Wallis

還有很多研究空間

研究小組強調,他們目前研究的只是「家貓品種所擁有的多樣性斑紋中的一小部分」,而且巴許透露,小組的未來目標之一,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的毛色。

同時,除了家貓以外,小組還希望能將研究目標延伸到野生貓科動物,甚至是其他哺乳類動物身上——像是斑馬和長頸鹿。

「我們迄今為止的觀察僅限於家貓,」研究主持人巴許說:「在家貓研究中習得的分子運作機制,很有可能也適用於野生貓科動物身上,但我們需要針對DNA進行額外的研究,才能確認這一點。」