诺奖得主Science解开斑马鱼条纹的秘密

形成斑马条纹的色素细胞的胚胎起源，直到现在仍然还是一个谜。最近，德国马克斯普朗克发育生物学研究所的科学家们，发现了这些细胞如何产生，并形成“斑马”图案。这一研究结果可能有助于了解动物世界多种多样醒目图案的发展和演变。这一研究结果发表在最近的《Science》杂志。

　　

生物通报道：斑马鱼，一种小的淡水鱼，得名于一种醒目的蓝黄色相间条纹图案。在幼鱼皮肤生长过程中，有三种主要的色素细胞类型——黑色细胞、反光银色细胞和黄色细胞出现，它们多层镶嵌，构成特征性的颜色图案。

众所周知，所有这三种细胞类型必须相互作用才能形成适当的条纹，但是，形成成鱼条纹的色素细胞的胚胎起源，直到现在仍然还是一个谜。最近，德国马克斯普朗克发育生物学研究所的科学家们，发现了这些细胞如何产生，并形成“斑马”图案。这一研究结果可能有助于了解动物世界多种多样醒目图案的发展和演变。

自然世界的美，让诗人、哲学家和科学家都为之惊奇。诺贝尔奖得主、马克斯普朗克发育生物学研究所遗传学系主任Christiane Nüsslein-Volhard，一直沉迷于动物颜色图案背后的生物学。她的研究小组利用斑马鱼作为模式生物，来研究动物发育的遗传学基础。

Nüsslein-Volhard实验室的这一新研究结果，发表在最近的《Science》杂志，表明黄色素细胞在细胞形态上经历了戏剧性的变化，来为斑马鱼的条纹图案着色。本文第一作者Prateek Mahalwar称：“我们惊讶地观察到这种细胞行为，因为这些完全出乎我们对彩色图案形成的认识。”这项研究是基于该实验室今年6月份的《Nature Cell Biology》杂志发表的一项工作，该研究跟踪银色素细胞和黑色素细胞的细胞行为。这两项研究描述了一系列实验，以揭示条纹图案形成过程中的细胞事件。

研究人员每天都对携带荧光标记色素细胞前体的每条幼鱼进行成像，持续三周的时间，来绘制出细胞行为。这使得科学家们能够跟踪单个细胞及其子代在活体生长动物条纹图案形成过程中的迁移和扩散。《Nature Cell Biology》论文第一作者Ajeet Singh称：“我们必须制定一种非常温和的程序，以能够在长时间的过程中反复观察每条鱼。所以我们使用一种最先进的显微镜，它可让我们将荧光照明的不利影响减至最小。”

令人惊讶的是，该分析表明，这三种类型的细胞，通过完全不同的方式到达皮肤：位于胚胎背部的一组多能细胞产生幼虫黄色素细胞，其覆盖胚胎的皮肤。当鱼大约两到三周大的时候，这些细胞在变态刚开始时就首先繁殖。然而，黑色素细胞和银色素细胞来自于一小部分神经节相关的干细胞，靠近每个节段中的脊髓。黑色素细胞沿着节段神经迁移到皮肤，出现在条纹区域，而银色素细胞则穿过分离肌肉组织的纵向裂，然后在皮肤中进行繁殖和传播。

《Science》论文的共同作者Brigitte Walderich进行了细胞移植，以跟踪黄色素细胞的起源，他解释说：“我试图在胚胎中创建一小簇荧光标记细胞，它们能在仔稚鱼阶段被跟随，以解开黄色素细胞的生长和行为。我们惊奇地发现，它们分裂和增殖为分化细胞，在银色素细胞和黑色素细胞到达以形成条纹之前就覆盖皮肤。”

一个惊人的发现是，银色素细胞和黄色素细胞都能根据它们的位置，转变细胞形状和颜色。黄色素细胞紧凑紧密地覆盖在密集的银色素细胞，形成亮色条纹，将其染成金色，在条纹的黑色素细胞上获得一个松散的星状形状。银色素细胞稀疏地覆盖在条纹区域，将其染成蓝色。它们在密集形式远处再次转换形状，形成一种新的亮色条纹。这些细胞行为产生了一系列明暗相间的条纹。亮色条纹中银色素细胞和黄色素细胞密集形式的精确叠加，以及条纹中黑色素细胞上松散的银色素细胞和黄色素细胞叠加，可引起图案的金色和蓝色着色之间的鲜明对比。

作者推测，这些细胞行为的变化，可在鱼中产生多种多样的颜色图案。Nüsslein-Volhard称：“这些结果告诉我们关于其他鱼类颜色图案形成的思考方式，而且还包括那些我们不能直接观察其发育阶段的动物，例如孔雀、老虎和斑马。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文：
Ajeet Pratap Singh, Ursula Schach, Christiane Nüsslein-Volhard , Proliferation, dispersal and patterned aggregation of iridophores in the skin prefigure striped colouration of zebrafish. Nature Cell Biology 15, 1098-1106

Prateek Mahalwar, Brigitte Walderich, Ajeet Pratap Singh, and Christiane Nüsslein-Volhard , Local reorganization of xanthophores fine-tunes and colors the striped pattern of zebrafish. Science, 29 August 2014. www.sciencemag.org/lookup/doi/… 1126/science.1254837