Cell：独一无二的指纹是如何形成的？现在有了答案

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

指纹是存在于指皮肤上的凹凸纹路，在胎儿发育期间指尖上形成的一波波微小脊状突起扩散、相互碰撞，从而形成了弓型（Arch）、箕型（Loop）和斗型（Whorl） 等不同结构。 我们 每个人都拥有独一无二的指纹，甚至基因相同的双胞胎也拥有不同的指纹，因此，指纹可以用来识别和鉴定身份。那么，这种独一无二的指纹图案究竟是如何形成的呢？

2023年2月9日，英国爱丁堡大学的 Denis Headon  团队在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为： The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation  的研究论文 【1】 。

该研究发现， 两种蛋白质WNT和BMP之间相互作用，WNT刺激指纹脊状凸起，而BMP则会抑制它们，从而产生周期性脊状波纹 ，这些波纹出现在指尖三个不同区域 （指尖、指尖中心，以及指尖底部的褶线） ，这些区域的精确位置和波纹之间的碰撞产生了独特的指纹图案，导致了指纹的独一无二。

指纹 的存在被认为可以增加指尖的握力和灵敏度，而指纹的模式长期以来被用于识别身份，以及用于诊断一些发育状况。

2022年1月， Denis Headon  团队与中科院营养与健康研究所 汪思佳 团队和 复旦大学金力团队合作，在 Cell 发表论文 【2】 ，通过对较大样本人群的分析，精确量化了多种族群体的指纹花纹，经分析几百万遗传位点和指纹花纹之间的关系后发现， 人类肢体发育相关基因在指纹花纹表型的形成中发挥了关键作用。

这项研究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案的形成，研究团队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，与毛囊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。

1952年，计算机之父艾伦·图灵发表论文，提出了著名的“ 图灵反应-扩散系统 ”，该系统用化学的方法来解释生物发育过程，例如斑马的条纹、猎豹的斑点、鸟类的羽毛图案的形成等等。

Alan Turing （艾伦·图灵）

为了找到指导指纹图案形成的分子，研究团队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，能刺激脊状凸起的形成，而另一种名为BMP的蛋白质会抑制它们，形成凹槽，从而建立了“ 图灵反应-扩散系统 ”。而第三种名为EDAR的蛋白则与脊状凸起的粗度和间距有关。

指纹的脊状凸起来自三个区域： 指尖 、 指尖中心 ，以及 指尖底部的褶线 （也就是手指尖弯曲的地方） 。

影响指纹图案形成的三个关键区域

在模拟实验中，研究团队团队改变了这三个区域的脊状波形成的时间、角度和精确位置，能够创造出指纹中的弓型 （Arch） 、箕型 （Loop） 和斗型 （Whorl） 结构。这些脊状波相互碰撞，碰撞时会产生类似湍流的效果，从而导致指纹的多样性和独一无二。

指纹的不同类型—— 弓型（Arch）、箕型（Loop）和斗型（Whorl）

过去对于皮肤纹路 （包括指纹） 的研究往往更关注理论和建模方法，而不是实验数据，而这项研究基于细胞培养技术和动物模型实验推动了这一领域的研究，是我们对指纹图案的理解的一个重大进步。

论文链接 ：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.015

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.008

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00357-x