为什么每个人的指纹独一无二？独特的指纹到底是如何形成的？近日发表于 Cell 的一项研究证明，指纹的形成遵循图灵的反应扩散机制，波纹从指尖不同位置扩散开来，相互碰撞，最终创造出周期性斑图的自组织系统。
Heidi Ledford | 作者
朱欣怡 | 译者
邓一雪 | 编辑
图1. 独一无二：指纹上的图案由一波接一波的脊状结构产生，这些脊状结构从不同的点开始，向彼此传播，然后碰撞。| 来源：Tek 图像/科学照片库
胎儿发育过程中，指尖上形成微小隆波，它们传播开来、相互碰撞，产生指纹独一无二的螺纹、拱形和环状结构——类似于斑马条纹或猎豹斑点的形成过程。在近日 Cell 杂志的一项研究[1]中，研究人员发现，两种蛋白质之间的相互作用——一种刺激细脊的形成，另一种抑制细脊的形成——产生了周期性的脊波，出现在指尖的三个不同区域。指纹的独特图案就从这些区域的精确位置和波之间的碰撞产生。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：“要想形成不同的拱形、环状和螺旋状的图案，关键不在于分子成分，而在于它们在手部解剖结构上的分布。”指纹被认为可以增加指尖的抓地力和灵敏度，指纹的图案也常被用来进行身份识别和发育状况诊断。去年，Headon 和他的同事发表的一项研究[2]，描述了影响指纹图案的基因，其中许多基因与肢体发育有关。这似乎为指纹的形成奠定了基础，但有许多基因在指纹形成过程中并不活跃，这表明它们并不直接参与指纹形成。为了深入了解指纹图案，Headon和他的同事们追踪了指纹如何在胎儿发育中出现。解剖学研究和基因活性分析表明，形成指纹嵴的细胞最初遵循着类似毛囊的发育路径。但不像毛囊的基因活动模式，脊细胞无法推进表皮深处的细胞。这个分析支持了“图灵反应-扩散系统”——当一个分子激活发育过程，激活自身和抑制分子，就可以创造这样一个系统。西班牙桑坦德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 认为，由此得到的结果是一个创造周期性斑图的自组织系统。数学家艾伦·图灵（Alan Turing）在1952年就提出了这种系统[3]，作为发育过程的化学解释。如植物叶子的排列、小型水生生物水螅的触须。从那时起，图灵反应扩散机制就成为建立各种各样常见生物景观的工具，包括一些热带鱼鲜艳的鳞片和鸟类的羽毛图案。为了找到指导指纹形成的分子，Headon 和他的合作者研究了老鼠脚趾上的脊，以及在3D培养皿中生长的人类细胞。他们发现，一种在毛囊发育中起重要作用的蛋白质WNT，可以刺激毛囊嵴的形成。另一种叫做 BMP 的分子则抑制毛囊嵴的形成，这就形成了图灵反应扩散系统。图注：指纹的脊状突起最初从三个区域形成：指尖；指尖的中心；和指尖根部的折痕。脊状突起从这三个区域扩散，相互作用创造出独特的斑图。|来源：参考文献[1]
这些脊状突起来自三个区域：指尖；指尖的中心；和指尖根部的折痕，手指弯曲的地方。在模拟中，Headon的团队改变了这三个区域脊波起源的时间、角度和精确位置，并创造了拱形、环形和螺旋。洛杉矶南加州大学的发育生物学家 Cheng-Ming Chuong 说：“这些波纹会相互碰撞。它们碰撞时，会产生湍流，有助于创造指纹图案的多样性。”这些发现是我们对指纹模式理解的一个重大进步。过去对皮肤嵴（如指纹）的研究往往更侧重于理论和建模方法，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，推动了这一领域的发展。这项工作打开了这个领域，现在人们可能会更加关注我们皮肤上隐藏的这些图案。[1] The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation. Glover, J. D. et al. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.015 (2023).[2] Li, J. et al. Cell 185, 95–112 (2022).[3] Turing, A. M. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B 237, 37–72 (1952).https://www.nature.com/articles/d41586-023-00357-x
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