为什么指纹是独一无二的？Cell揭示指纹背后的秘密

指纹也被称为手印，狭义上的指纹是指人的手指第一节手掌面皮肤上的乳突线花纹，纹路有三种基本形状，包括斗型、弓型和箕型，由于指纹重复率极小，因此有着“人体身份证”之称。

一般孩子尚在母亲体内时指纹就已经形成了，形成时间大概在胎儿三到四个月左右的发育期，随着胎儿四肢五官的逐步成型，皮肤组织开始出现，指纹就会生长在胎儿细小的手指上。 为什么世界上不会有两个一摸一样的指纹？想要弄清楚这一问题，或许需要追根溯源，从根本上弄清楚指纹是如何形成的。 近日，有研究发现两种蛋白质WNT和BMP之间的相互作用（WNT刺激指纹脊纹形成，BMP抑制脊纹形成）会产生周期性脊纹，这些脊纹出现在指尖的3个不同区域（指尖、指尖中心、指尖底部的褶线）。脊纹间碰撞和这3个区域的精确位置产生了指纹的独特图案，导致独一无二的指纹出现。相关研究成果以“   The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation   ”为题，发表于Cell上。

图1 研究成果（图源：[1]）

在该项研究中，研究人员追溯了指纹在胎儿发育过程中是如何形成的。解剖学研究和基因活性分析表明，形成脊纹的细胞遵循一种最初模仿毛囊的发育路径，但与毛囊的基因活动模式不同，脊细胞无法吸收皮肤表面下更深层次的细胞。 以上分析支持“图灵反应——扩散系统”，即当激活发育过程的分子同时刺激自身和一种抑制分子时，就会创建这种系统，该系统有助于解释生物发育过程。 为了找到指导指纹独特图案的分子，Headon等研究人员研究了小鼠脚趾上的脊，以及三维培养的人类细胞。在经过一系列研究分析之后，他们认为脊的图案是在上皮细胞内自主产生的，而不是通过简单的细胞过度拥挤和随之而来的变形产生的。而EDAR和WNT信号驱动一系列上皮细胞的增殖，表明它们表达的异质性可能是将上皮细胞分成脊和脊间的原因。 研究人员进一步发现WNT和EDAR信号驱动脊形成以及图案化的形成，WNT刺激脊状凸起的形成，而EDAR与所形成脊的厚度以及间距有关，同时发现蛋白质BMP信号传导负责抑制脊，形成凹槽。  

图2 BMP抑制脊形成（图源：[1]）

研究人员使用人iPS细胞衍生的胎儿皮肤类器官系统研究了WNT和BMP信号对细胞增殖的影响，他们在类器官上皮细胞中观察到的BMP驱动的WNT反应抑制符合图灵反应扩散系统中抑制剂的要求。接着，他们模拟了一个系统以评估其重建横向脊模式及其实验变化的能力，发现增加EDAR导致形成更厚、间隔更宽的脊纹，而抑制它会导致斑点的产生，而BMP信号的建模抑制加宽了横向脊。因此，在反应扩散系统中起作用的EDAR、WNT和BMP足以解释平行脊模式的产生，高 WNT信号用于驱动细胞增殖和形态脊的出现。 脊状波纹主要来自指尖、指尖中心以及指尖底部的褶痕这三个区域。在模拟试验中，研究人员改变了这三个区域脊状波纹形成的时间、角度和精确位置，并创造了斗型、弓型和箕型。洛杉矶南加州大学的发育生物学家Cheng Ming Chuong表示：“这些脊状波纹相互碰撞并产生漩涡，这有助于指纹图案多样性的形成”。 指纹是皮肤上独一无二的图案，其形成机制有待探究，通过以上研究，研究人员发现指纹的空间模式由图灵反应扩散系统建立，主要基于EDAR、WNT和拮抗BMP通路之间的信号。该项研究是学界在指纹图案多样性方面取得的重大进步，以后人们可能会更多关注人类皮肤中隐藏的模式。

责编|木子久

校对|木子久    

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参考资料：

[1]   Glover JD, Sudderick ZR, Shih BB, et al. The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation. Cell. 2023 Feb 7:S0092-8674(23)00045-4. doi: 10.1016/j.cell.2023.01.015. Epub ahead of print. PMID: 36764291.   

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