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Sep. 22 2021

虎斑貓的條紋是怎麼來的?科學家透過胚胎找到了答案!

  • 在全美國將近6000萬隻寵物貓中,經典條紋虎斑特別受歡迎。PHOTOGRAPH BY AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION

    在全美國將近6000萬隻寵物貓中,經典條紋虎斑特別受歡迎。PHOTOGRAPH BY AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION

  • 虎斑條紋源自家貓的直系祖先,近東野貓。PHOTOGRAPH BY TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

    虎斑條紋源自家貓的直系祖先,近東野貓。PHOTOGRAPH BY TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

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科學家深入研究貓胚胎之後,揭開了家貓身上這種獨特斑紋的驚人起源。

在全美國將近6000萬隻寵物貓中,經典條紋虎斑特別受歡迎。PHOTOGRAPH BY AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION

在全美國將近6000萬隻寵物貓中,經典條紋虎斑特別受歡迎。PHOTOGRAPH BY AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION

全美國將近6000萬隻寵物貓中,最受歡迎的其中一種,就是經典虎斑(classic tabby)──那是一種有條紋、圓點和漩渦,貓咪前額還有像大寫M的毛皮花色。

雖然虎斑貓這麼受歡迎(想想加菲貓),但科學家對於牠們這種獨特外表到底是怎麼來的,卻知之甚少。

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在上周一篇發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊的研究中,科學家觀察到,在貓的毛皮開始發育之前,貓胚胎皮膚細胞中產生虎斑花紋的基因就已經活化了。在顯微鏡下,甚至可以看到這些早期皮膚細胞在模擬虎斑條紋,這在胚胎細胞上是前所未見的發現。

作者群推論,這種獨特的遺傳進程,可能和野生貓科動物身上產生斑紋與圓點的機制相同。「虎斑」一詞的英文是tabby, 源自al-‘Attābiyya,是巴格達的一個地區。該區曾在16世紀時生產帶有條紋的細緻塔夫綢(silk taffeta),但家貓的虎斑條紋本身則可能源自牠們的直系祖先,也就是有條紋的近東野貓(Near Eastern wildcat)。

「能多了解世界一點點,就[是]會讓人有種成就感。」研究主持人葛雷格.巴爾許(Greg Barsh)說,他是哈德遜阿法生物技術研究所(HudsonAlpha Institute for Biotechnology)的研究員;這是一所位於阿拉巴馬州亨次維的研究機構。不過這項研究在另一個層面來說也很令人意外,他說:「生物學一再使用同一套工具,所以發現某種並未更廣泛地應用在諸多其他狀況下的東西,是非常罕見的。這個案例很可能就是這種狀況。」

家貓毛色和紋路背後的遺傳學,牽動科學家的好奇心已經很久。達爾文就曾提出說耳聾的貓大多是藍眼睛的白貓。他說,在發育過程中,物種有時候會發生不重要的小改變,像是毛色,因為這些改變是跟其他比較有用的改變連結在一起的。

他又補充說,有些改變是我們根本就看不見的。他沒有現代的遺傳學知識,但結果他是對的:這是繼承而來的遺傳異常。

不同類型的貓細胞

因為必須合乎倫理認可的研究協定,巴爾許、史丹佛大學的遺傳學家克利斯多夫.凱林(Christopher Kaelin),以及哈德遜阿法的資深科學家凱莉.麥高文(Kelly McGowan)從幫街貓絕育的獸醫診所蒐集了將近1000個本來會被丟掉的胚胎;許多貓在被送去診所時就已經懷孕了。

麥高文用顯微鏡檢視日齡25-28天的胚胎皮膚細胞時,她注意到在皮膚比較厚的區域中穿插著比較薄的區域,產生了一種暫時性的毛色圖案,很像成貓身上的虎斑花色。

她最驚訝的,就是能在如此初期的胚胎發育階段看到這樣的紋路;毛囊和色素都還要很久以後才會出現,而這兩者才是動物毛皮花色的關鍵。

為了更深入研究,團隊分析了胚胎的個別皮膚細胞,並找到了兩種不同類型的細胞,各自都展現出不同組基因。在這些基因之中,最不一樣的就是被特別命名為「Dickkopf WNT訊號通路抑制因子4號」(Dickkopf WNT Signaling Pathway Inhibitor )的基因,也就是DKK4。

他們檢視約20天大的胚胎,看細胞如何展現DKK4,結果發現有關的細胞,都是那些幾天後會形成較厚皮膚紋路的細胞。

巴爾許解釋說,DKK4也是一種傳訊蛋白質,被稱為「分泌分子」(secreted molecule),會對周圍的細胞發出訊號,基本上說的是:「你很特別。你是要長出黑毛的區域。」

虎斑條紋源自家貓的直系祖先,近東野貓。PHOTOGRAPH BY TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

虎斑條紋源自家貓的直系祖先,近東野貓。PHOTOGRAPH BY TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

當一切都按照計畫發展的時候,有DKK4基因的細胞最後會成為讓虎斑貓有虎斑的深色紋路。但突變也常常發生,造成其他的毛皮顏色和紋路,像是白色斑點或比較細的條紋。色素沉著(pigmentation)也可能會造成其他狀況:舉例來說,全黑的毛皮,就是在該製造其他顏色的色素細胞只製造黑色素的時候造成的。

自然發生的紋路發育

為了瞭解這些細胞在貓身上到底是怎麼製造出斑紋圖案的,團隊轉而向艾倫.圖靈(Alan Turing)、也就是電腦科學家及數理生物學(mathematical biology)的奠基者求助。1952年,圖靈曾經描述過一種方式,能用數學解釋紋路如何自然浮現。

他的理論名為「反應擴散」(reaction-diffusion),可以預測當抑制因子與活化因子等分子(在貓的例子裡,是由基因產生)以不同速率從細胞移動到細胞(也就是擴散)時,胚胎如何在發育過程自我組織。所以當抑制因子擴散得比活化因子更遠或更快的時候,那麼從數學上來說,此系統也能自行整理。在虎斑貓的例子中,抑制因子就是DKK4基因,但活化因子則不明。

圖靈並不知道活化因子或抑制因子會是什麼;他甚至不知道這兩種東西究竟存不存在。但70年之後,在虎斑貓身上找到的這項發現,是證明了圖靈說得沒錯的諸多發現之一。

「我們總是認為細胞在發育過程中會移動,但它們能在如此初期以這種立體的方式,用皮膚厚度決定斑紋分布……那真的很厲害。」艾蓮.奧斯銓德(Elaine Ostrander)說,她在美國國家衛生院位於馬里蘭州貝什斯達的國家人類基因體研究所(National Human Genome Research Institute)研究家犬的遺傳。

並未參與這項研究的奧斯銓德補充說,單純分析這類細胞「讓他們能將這些不同過程的某些部分拆解開來,而這一切,對最終獲得會出現在孩子們故事書中的花紋,都是很重要的。」

巴爾許的團隊現在認為貓咪花色斑紋的產生是一種兩個階段的過程。首先,皮膚細胞會決定虎斑條紋是深色或淺色,然後再長出毛囊並製造色素。

藉著研究這些過程在其他動物身上如何運作──為何有些動物有條紋、有些沒有──團隊希望能解開有色斑紋是如何演化出來的。巴爾許說,他們也可能會不小心找到看似跟毛皮斑紋無關的發現──就像是以前達爾文想像中那種看不見的差異。

延伸閱讀:關於愛貓與COVID-19,你應該要知道的事 / 家貓祖先的遺骸出現在波蘭的洞穴中──離家3218公里遠!

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