猎豹的斑点看起来像是一位技艺精湛的艺术家留下的杰作，他小心翼翼地在动物的皮毛上点缀着墨点。相比之下，王猎豹——一种来自南部非洲的稀有品种——看起来就像同一位艺术家那天心情不好，把整罐墨水都打翻了。王猎豹的背部有粗大的条纹，身体其他部位有杂乱的斑块，它的样子如此不同寻常，最初被认为是独立的物种。直到1981年，两只圈养的斑点雌性猎豹分别产下了王猎豹，它的真正变异品种的性质才最终得到确认。由哈德逊阿尔法生物技术研究所和斯坦福大学的Greg Barsh领导的两个科学家团队，以及来自国家癌症研究所的Stephen O’Brien，发现了导致王猎豹墨迹斑斑的基因。而这个基因也正是让虎斑猫从虎纹变成“经典”斑纹猫的基因。早在2010年，O’Brien团队的成员Eduardo Eizirik就发现了一个似乎控制着虎斑猫和斑纹猫不同图案的小区域 DNA。但是，由于我们只有一份粗略的猫基因组草图，他们无法确定该区域内的任何特定基因。这项研究引起了Barsh的注意，他一直对了解猫的图案是如何形成的，从老虎的条纹到豹子的斑点，都非常感兴趣。这两个团队开始合作。Christopher Kaelin和Xing Xu聚焦于Eizirik确定的区域，使用了从加利福尼亚捕获用于绝育的流浪猫身上提取的 DNA 样本。通过比较虎纹猫和斑纹猫个体，该团队发现了一个负责不同图案的基因。他们称之为Taqpep。所有斑纹猫在其两个Taqpep基因副本中都有一种关键突变，而所有虎纹猫则有一个或两个未受损的版本。
Taqpep基因也负责王猎豹那独一无二的毛皮。Kaelin和Xu对一只圈养的王猎豹Kgosi的该基因进行了测序，并发现了Taqpep基因的另一个突变，该突变极大地放大了该基因编码的蛋白质。Kaelin联系了Ann van Dyk，这位最早发现王猎豹是普通猎豹变异品种的女性。她在南非经营着一个猎豹保护中心，Kgosi和所有其他圈养的王猎豹都来自那里。通过分析她所有的猎豹，van Dyk证实了Kgosi的Taqpep突变存在于所有王猎豹身上，而在她调查的217只野生斑点猎豹中则没有发现。Taqpep在猫的皮肤中激活，而在其他器官中则不。但在猎豹和家猫中，它在深浅斑块中的活性水平都很低。那么Taqpep到底在做什么呢？如果它不是直接改变猫科动物毛皮的颜色，那又是什么呢？团队的另一位成员Kelly McGowan发现了一个重要线索。一只小猫的图案在胚胎发育七周时开始出现。此时，被称为毛囊的摇篮状器官已经发育完全，并开始产生毛发。如果一个毛囊产生大量的黑色素（一种深色色素），它就会长出深色的毛发。那么，为什么有些毛囊会产生黑色素，而有些则更为克制呢？为了找到答案，Lewis Hong寻找了其活性在猎豹皮肤的黄色和黑色区域之间存在差异的基因。他的搜索找到了60个在黑色斑点中活性更高的基因，其中一个基因脱颖而出——Edn3。Edn3产生一种激素，可促进黑色素细胞（产生黑色素的细胞）的生长和分裂。它在毛囊中激活，并且在黑色区域比黄色区域更活跃——Hong在猎豹、家猫，甚至一只豹子身上都证实了这一点。当他在实验用小鼠的皮肤中人为提高Edn3的活性时，它们的外壳变黑了。让我们把这些信息整合起来。该团队认为Taqpep基因以某种方式在胚胎猫的皮肤中创造了周期性区域。这些区域决定了Edn3后来会有多活跃，而这又决定了毛囊中黑色素细胞的数量。更多的黑色素细胞意味着更多的黑色素，这意味着深色的毛发。请注意，Taqpep设定的“区域”是不可见的。它们只有通过对Edn3的后续影响才变得明显。如果Taqpep被某些突变破坏，就像在斑纹猫和王猎豹中一样，它会形成更宽、更不规则的区域，导致混乱的斑点而不是均匀的斑点。Taqpep是如何在猫的皮肤均匀活跃的情况下创造这些区域的呢？有几种可能性，但最有趣的一种是：Taqpep创造了一种叫做Tabulin的蛋白质，它通常位于皮肤细胞的膜上，但可以脱离并在它们之间漂移。所以Taqpep可能在任何地方都活跃，但Tabulin可以扩散到皮肤中并在某些区域集中。这非常令人兴奋，因为扩散分子是动物图案的长期解释的核心。早在1952年，传奇的计算机科学家和密码破译者Alan Turing就提出，动物皮肤可以通过两种分子——激活剂和抑制剂——之间的活力探戈产生美丽复杂的图案。两者都扩散到皮肤中，并相互反应。在短距离内，激活剂会自我强化，但在长距离内，抑制剂会阻碍它。根据它们扩散的速度和相互作用的强度，它们可以产生从斑点到斑块的所有图案（玩一下这个Java小应用，看看我的意思。）科学家们在许多不同的动物身上测试了Turing的“反应-扩散”概念，但却几乎无法找到实际的激活剂或抑制剂。Barsh认为Taqpep（或者更确切地说，Tabulin）可能是其中之一，该团队目前正在进一步研究。研究哈佛大学动物颜色遗传学的Hopi Hoekstra对这项研究印象深刻。“这是一场精彩的表演，”她说。“我们以前对哺乳动物图案的形成和维持方式知之甚少。这在很大程度上是因为色素遗传学的“主力”——实验室老鼠——不显示条纹或斑点。” Kaelin的团队通过研究野生和家猫的多样性解决了这个问题。感谢他们的工作，我们正越来越接近于了解豹子（或猎豹）身上斑点的由来，或者老虎身上条纹的形成。Turing起草了大纲，而Barsh和O’Brien正在填充细节。参考：Kaelin, Xu, Hong, David, McGowan, Schmidt-Kuntzel, Roelke, Pino, Pontius, Cooper, Manuel, Swnson, Marker, Harper, van Dyk, Yue, Mullikin, Warren, Eizirik, Kos, O’Brien, Barsh & Menotti-Raymonds. 2012. Specifying and Sustaining Pigmentation Patterns in Domestic and Wild Cats. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.1220893图片 由 Jurvetson 提供
