Cell：指纹如何形成独一无二的漩涡？

这些复杂的图案是在胎儿发育期间，皮肤上的细脊形成并相互碰撞时形成的。

　　

         

没有两个是相同的:指纹上的图案是由一波又一波的脊状突起形成的，这些脊状突起从不同的点开始，向彼此扩散，然后碰撞。

使指纹独一无二的螺旋状、拱形和环状结构，是在胎儿发育期间指尖上形成的一波一波的微小脊状结构形成的，这些脊状结构扩散开来，然后相互碰撞——类似于斑马身上的条纹，或者猎豹身上的斑点。

在2月9日发表在《Cell》杂志上的一项研究中，研究人员发现两种蛋白质之间的相互作用——一种促进脊形成，另一种抑制脊形成——产生了周期性的脊波，这些脊波出现在指尖的三个不同区域。

这些区域的精确位置和波之间的碰撞产生了指纹的独特图案。研究报告的合著者、英国爱丁堡大学的发育生物学家Denis Headon说:“要想出这些不同的拱形、环状和螺旋模式，关键不只是分子成分。这是它们在手部解剖结构上的部署方式。”

识别标志

指纹被认为可以增加指尖的握力和灵敏度，指纹的模式长期以来一直被用于识别个人和诊断一些发育状况。去年，Headon和他的同事发表了一篇文章，描述了影响指纹模式的基因，其中许多基因与肢体发育有关。这些基因似乎为指纹的形成奠定了基础，但其中许多基因在这个过程中是不活跃的，这表明它们并没有直接参与指纹脊的形成。

为了进一步了解指纹图谱，Headon和他的同事追踪了指纹在胎儿发育过程中是如何出现的。解剖学研究和基因活性分析表明，形成指纹脊的细胞遵循最初模仿毛囊的发育路径。但是，与卵泡的基因活动模式不同的是，脊细胞不能与皮肤表面更深的细胞结合。

分析支持了“图灵反应-扩散系统”的存在，当激活发育过程的分子同时刺激自身和抑制分子时，就可以创建这种系统。西班牙桑坦德市坎塔布里亚生物医学和生物技术研究所的发育生物学家Marian Ros说，其结果是形成了一种产生周期性模式的自组织系统。

数学模式

这种系统是数学家艾伦·图灵在1952年提出的，用来用化学方法解释发育过程，例如植物叶片的排列，或水螅这种小型水生生物的触须。从那时起，图灵反应扩散机制被描述为建立各种熟悉的生物景观的工具，包括一些热带鱼鲜艳的鳞片和鸟类的羽毛图案。

为了找到指导指尖图案的分子，Headon和他的合作者研究了小鼠脚趾上的脊，以及在3D培养基中培养的人类细胞。他们发现，一种名为WNT的蛋白质在毛囊发育中很重要，能刺激脊状突起的形成。另一种叫做BMP的分子抑制它们，形成图灵反应-扩散系统。

脊状突起来自三个区域:指尖;指尖的中心;以及指尖底部的折痕，也就是手指弯曲的地方。在模拟中，Headon和他的团队改变了这三个地点波浪起源的时间、角度和精确位置，并创造了拱形、环形和轮形。洛杉矶南加州大学的发育生物学家Cheng-Ming Chuong说:“这些浪潮将相互碰撞。当它们碰撞时，会产生一种湍流，有助于产生指纹模式的多样性。”

Ros说，这一发现对我们对指纹图谱的理解是一个重大进步。Chuong指出，过去对皮肤纹路(如指纹)的研究往往更多地关注于理论和建模方法，而不是实验数据。但最新的研究利用了细胞培养技术和其他方法的进步来推动这一领域的发展:“他们的工作开辟了这一领域，”Chuong说。“现在人们可能会更多地关注我们皮肤中的这些隐藏模式。”

The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation