▎药明康德内容团队编辑
猫咪有着复杂多样的颜色和花纹，有些仍然保留着与野生猫科动物相似的花纹，比如鱼骨状的虎斑，还有一些在与人类相伴的过程中，经过选育出现了新的花色组合。
▲猫咪的花色不影响撸猫的手感，倒是一个适合一边撸一边思考的有趣问题（图片来源：123RF）
美国哈森阿尔法生物技术研究院（HudsonAlpha Institute for Biotechnology）的遗传学家Greg Barsh教授是研究动物颜色和花纹多样性的专家。最近，他的研究团队在学术期刊Nature Communications上发表了一篇论文，利用组织形态学分析和先进的单细胞基因表达分析，揭示了猫咪身上的花纹是怎么来的。
和我们的肤色与头发颜色一样，猫咪的毛发颜色与黑色素有关。黑色素细胞在发育过程中均匀分布，但单个毛囊内的旁分泌信号分子控制着黑色素颗粒的产量和类型，因此产生了或深或浅、特征不同的毛发。
猫有两种类型的黑色素，一种呈现较深的黑褐色，为真黑素（eumelanin），一种呈现较浅的红棕色，为棕黑素（pheomelanin）。比如虎斑猫的典型毛色是浅色背景上有规律间隔的深色斑纹，Barsh教授先前的研究就发现，在深色斑纹部位，毛囊底部表达的内皮素3基因会控制真黑素的产生多于棕黑素，因此这些部位的毛发颜色更深。
随着毛发不断生长-脱落-生长的循环周期和细胞的分裂，每个毛囊的花色特征保持不变，因此出生时毛发形成的斑点或条纹，出生后随着生长按比例扩大。
如果把每个毛囊想象成一部有特定程序的打印机，保证了打印出来的毛发有固定的花色，那么毛囊的打印程序又是什么时候、怎么建立的呢？这项新研究回答了这个问题。
▲Greg Barsh教授是研究动物颜色和花纹多样性的专家（图片来源：哈森阿尔法生物技术研究院）
科研人员从家猫的胚胎发育阶段开始研究，获取了不同发育阶段的皮肤样本，并分析了组织切片中不同类型细胞表达的基因和蛋白。
科学家们的一个重要发现是，在发育早期（胚胎发育第16阶段），在黑色素进入表皮、毛囊还没有成形之前，胚胎的表皮厚度首先会出现变化，一部分区域会增厚。随后，到了胚胎发育后期（第22阶段），出现了发育良好的毛囊，可根据产生的黑色素类型进行分类：深色区域主要产生真黑素，浅色区域主要产生棕黑素。
▲胚胎发育不同阶段的猫皮肤组织学，可看到后期出现了不同颜色的毛囊（图片来源：参考资料[1]）
早期的表皮厚度变化对斑纹的形成有什么影响呢？研究人员比较了两种典型斑纹的形成过程，即大理石纹（Blotched pattern）和鲭鱼纹（Mackerel pattern），前者像大理石一样有大块深色区域，后者以狭窄的深条纹为典型特征。
这两种花色由同一个基因（Taqpep基因）的不同基因型决定。在发育过程中，来自鲭鱼纹基因型（TaM/TaM）的胚胎，表皮增厚区域呈现出垂直方向的条纹状，并被较宽的薄表皮区域间隔；相比之下，来自大理石纹基因型（Tab/Tab）的胚胎，胚胎胁腹侧的表皮增厚区域更宽。这些特征与以后的毛发斑纹显示出一致性。
▲鲭鱼纹和大理石纹的猫咪，胚胎发育早期的表皮厚度出现条纹状变化，且条纹的粗细间隔与日后的毛色深浅（以黑色和黄色分别代表深浅）模式相一致（图片来源：参考资料[1]）
另一个重要发现是，一个叫作Dickkopf 4的基因在毛色发育过程中起着核心作用。这个基因编码了一种分泌型蛋白Dkk4，抑制信号分子Wnt蛋白。Dkk4在胚胎表皮的表达是动态的，在胚胎发育第16阶段，也就是表皮增厚的阶段特别活跃，标记了哪些区域将产生毛囊，并且这些毛囊往后会生产黑色素。
有些猫没有明显的深色条纹而是呈现出细小的斑点，也称为麻纹（Ticked pattern）虎斑。还有一类没有条纹的猫咪，花色为规律间隔的大斑点，比如埃及猫（Egyptian Mau）。
过去认为，条纹的消失与所谓的麻纹基因（Ticked）有关，携带一份麻纹基因时，猫咪腿和尾巴以外的部位条纹消失；拥有一对麻纹基因，条纹完全消失。麻纹基因 常被用于繁育单色的猫，例如阿比西尼亚猫（Abyssinian）、缅甸猫（ Burmese ） 等
▲带有斑点或纯色的猫（图片来源：参考资料[1]）
而这项研究通过全基因组测序数据发现，在麻纹虎斑的猫咪体内，编码Dkk4的基因发生突变，导致发育过程中分泌的Dkk4蛋白显著减少。典型的热带草原猫（Savannah cat）身上是规律的大斑点，但也有少数呈现为细密小斑点（麻纹）。在麻纹热带草原猫体内，Dickkopf 4同样发生了特有的突变，与黑斑变小和数量增加有关。
研究人员综合各项分析认为，Dickkopf 4 可 能 就 是 麻纹 基因 ，通过在皮肤角质形成细胞中表达Dkk4蛋白影响花纹的建立，导致最终形成的花纹变得细密。
虽然这项研究主要关注小猫咪的花纹是怎么来的，但研究作者认为，这些结果也提供了线索，帮助我们理解虎、豹等不那么容易获得研究材料的野生猫科动物是怎么长出它们独有的花纹的。
图片来源：123RF
参考资料：
[1] Christopher B. Kaelin et al., (2021) Developmental genetics of color pattern establishment in cats. DOI: 10.1038/s41467-021-25348-2
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