科学家发现了控制猫的颜色模式的基因

哈德逊阿尔法生物技术研究所的一组科学家发现了控制猫毛色模式形成的分子。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。他们的发现为理解生物多样性是如何在进化的时间尺度上产生的奠定了基础，即老虎条纹、猎豹斑点和美洲虎玫瑰花形的基因差异。正如拉迪亚德·吉卜林(Rudyard Kipling)的著作所暗示的那样，这些基本问题激发了广大观众对自然多样性的欣赏，而保护实践的讨论却无法做到这一点。

　　

2021年9月7日(阿拉巴马州亨茨维尔)-猫科动物家族的成员，通常被称为猫，有各种大小、各种皮毛颜色和图案。

在东南亚和印度的草原上，橙色或白色背景上有黑色条纹的老虎随处可见。斑点猎豹在非洲的灌木丛中追逐羚羊。美洲虎有着玫瑰图案的皮毛，在整个南美洲和拉丁美洲跟踪猎物。在世界各地的客厅里，有着各种各样皮毛颜色和图案的家养猫在阳光下晒太阳。

科学家们一致认为毛囊细胞是使头发或毛皮着色的黑色、棕色、黄色和红色色素的来源。然而，建立颜色图案的过程发生的时间和地点直到最近还不清楚。哈德逊阿尔法生物技术研究所的一组科学家发现了控制猫毛色模式形成的分子。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

先前的研究表明，一旦毛囊内的黑色素细胞产生色素，虎斑猫胎儿中的条纹就会很明显。出生后，新生的猫的皮毛图案和颜色与它们一生都是一样的。例如，猎豹出生时身上的斑点数量和成年时一样，只是斑点的大小在增加。当头发脱落时，同样颜色的新头发会取而代之。

被毛颜色的起源是众所周知的，但启动被毛颜色模式的机制却不太清楚。在猎豹、美洲虎或豹猫身上看到的明暗交替的毛发斑块被称为周期性颜色图案。这种模式很难研究，因为它们在模式生物中没有真正的对应物。

在20世纪50年代早期，计算机领域的先驱艾伦·图灵(Alan Turing)提出了一个理论:如果分子以不同的速度在组织中穿梭，相互抑制和激活的分子可以在自然界中产生周期性图案。这一理论被称为图灵反应扩散机制，意味着在发育过程中形成的毛色图案可以由激活剂和抑制剂分子控制。激活分子同时给附近的细胞上色，并触发抑制因子的产生，这些抑制因子会传播到远处的细胞并阻断色素的产生。

“控制简单颜色变化的基因，如白化病或黑变病，在所有哺乳动物中大部分是相同的，”动物形态学专家Greg Barsh说，他是医学博士、博士、哈德逊阿尔法学院研究员、学院主席和史密斯家族基因组学主席。

“然而，哺乳动物颜色模式背后的生物学原理长期以来一直是个谜，我们现在通过家猫对这个谜有了新的认识。”

Barsh和HudsonAlpha的高级科学家Chris Kaelin博士和Kelly McGowan博士之前表明，一种名为内皮素3的基因在虎斑猫的毛囊底部表达，并在虎斑图案的发展中起着关键作用。由于斑纹在毛囊发育过程中很明显，研究小组推测颜色模式的建立必须发生在毛囊发育期间或之前。他们着手确定猫胚胎发育的确切时间、地点和方式。

麦高恩和凯林与几个野猫陷阱-绝育放生项目建立了伙伴关系，收集在绝育手术中可能被丢弃的胎儿组织。麦高恩研究了胎儿猫的皮肤组织，发现在胎儿发育早期，表皮(皮肤)厚度出现了条纹状的变化。表皮厚度的模式类似于成年动物的虎斑皮毛模式。

“我们从形态学研究中发现，甚至在黑素细胞进入表皮之前，这些细胞就注定会发出特定皮毛颜色的信号，”麦高恩说。“通过了解颜色模式形成的发育窗口和细胞类型，我们能够深入研究并发现参与模式形成的分子。”

基于这一新发现，凯林对胎儿猫的皮肤细胞进行了单细胞基因表达分析，分析的时间恰好在厚斑和薄斑变得明显之前。通过这一分析，研究小组确定了一种名为Dickkopf 4 (Dkk4)的基因在表皮上的表达，标记了胎儿皮肤上生长毛囊的区域，这些毛囊后来会产生色素。Dkk4是一种Wnt信号的抑制剂，在许多动物的发育过程中帮助决定细胞命运并刺激细胞生长。

凯林说:“我们的分析确定了一个参与图案形成的分子网络。”

“一些分子，包括Dkk4，被认为是协同作用的激活剂和抑制剂，正如艾伦·图灵70年前预测的那样。”

进一步的实验也表明Dkk4与猫的其他颜色模式有关。在阿比西尼亚猫身上，明显没有深色的虎斑斑纹，这种被称为“打钩”的特征，突出了个体毛发上呈现的交替色带。研究小组发现，所有Ticked猫都携带Dkk4功能缺失突变。

Barsh说:“在阿比西尼亚猫的Ticked表型中，一致认为没有深色的虎斑标记。”“基于我们的新发现，我们认为典型的斑纹在数量上增加了，而在尺寸上减少了，以至于它们不容易被发现。”

综上所述，本研究的结果证实了Dkk4在猫的颜色图案建立中的直接作用。被毛颜色和纹样变异是研究基因作用和相互作用的重要平台。Barsh实验室之前的工作表明，毛色基因参与了许多其他重要的生物学途径，其中一些与人类健康有关。

原文检索：

Developmental genetics of color pattern establishment in cats