指紋也被稱為手印，狹義上的指紋是指人的手指第一節手掌麵皮膚上的乳突線花紋，紋路有三種基本形狀，包括斗型、弓型和箕型，由於指紋重複率極小，因此有著「人體身份證」之稱。
一般孩子尚在母親體內時指紋就已經形成了，形成時間大概在胎兒三到四個月左右的發育期，隨著胎兒四肢五官的逐步成型，皮膚組織開始出現，指紋就會生長在胎兒細小的手指上。
為什麼世界上不會有兩個一摸一樣的指紋？想要弄清楚這一問題，或許需要追根溯源，從根本上弄清楚指紋是如何形成的。
近日，有研究發現兩種蛋白質WNT和BMP之間的相互作用（WNT刺激指紋脊紋形成，BMP抑制脊紋形成）會產生周期性脊紋，這些脊紋出現在指尖的3個不同區域（指尖、指尖中心、指尖底部的褶線）。脊紋間碰撞和這3個區域的精確位置產生了指紋的獨特圖案，導致獨一無二的指紋出現。相關研究成果以「The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation」為題，發表於Cell上。
圖1 研究成果（圖源：[1]）
在該項研究中，研究人員追溯了指紋在胎兒發育過程中是如何形成的。解剖學研究和基因活性分析表明，形成脊紋的細胞遵循一種最初模仿毛囊的發育路徑，但與毛囊的基因活動模式不同，脊細胞無法吸收皮膚表面下更深層次的細胞。
以上分析支持「圖靈反應——擴散系統」，即當激活發育過程的分子同時刺激自身和一種抑制分子時，就會創建這種系統，該系統有助於解釋生物發育過程。
為了找到指導指紋獨特圖案的分子，Headon等研究人員研究了小鼠腳趾上的脊，以及三維培養的人類細胞。在經過一系列研究分析之後，他們認為脊的圖案是在上皮細胞內自主產生的，而不是通過簡單的細胞過度擁擠和隨之而來的變形產生的。而EDAR和WNT信號驅動一系列上皮細胞的增殖，表明它們表達的異質性可能是將上皮細胞分成脊和脊間的原因。
研究人員進一步發現WNT和EDAR信號驅動脊形成以及圖案化的形成，WNT刺激脊狀凸起的形成，而EDAR與所形成脊的厚度以及間距有關，同時發現蛋白質BMP信號傳導負責抑制脊，形成凹槽。
圖2 BMP抑制脊形成（圖源：[1]）
研究人員使用人iPS細胞衍生的胎兒皮膚類器官系統研究了WNT和BMP信號對細胞增殖的影響，他們在類器官上皮細胞中觀察到的BMP驅動的WNT反應抑制符合圖靈反應擴散系統中抑制劑的要求。接著，他們模擬了一個系統以評估其重建橫向脊模式及其實驗變化的能力，發現增加EDAR導致形成更厚、間隔更寬的脊紋，而抑制它會導致斑點的產生，而BMP信號的建模抑制加寬了橫向脊。因此，在反應擴散系統中起作用的EDAR、WNT和BMP足以解釋平行脊模式的產生，高 WNT信號用於驅動細胞增殖和形態脊的出現。
脊狀波紋主要來自指尖、指尖中心以及指尖底部的褶痕這三個區域。在模擬試驗中，研究人員改變了這三個區域脊狀波紋形成的時間、角度和精確位置，並創造了斗型、弓型和箕型。洛杉磯南加州大學的發育生物學家Cheng Ming Chuong表示：「這些脊狀波紋相互碰撞並產生漩渦，這有助於指紋圖案多樣性的形成」。
指紋是皮膚上獨一無二的圖案，其形成機制有待探究，通過以上研究，研究人員發現指紋的空間模式由圖靈反應擴散系統建立，主要基於EDAR、WNT和拮抗BMP通路之間的信號。該項研究是學界在指紋圖案多樣性方面取得的重大進步，以後人們可能會更多關注人類皮膚中隱藏的模式。
責編|木子久
校對|木子久
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參考資料：
[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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