諾獎得主Science解開斑馬魚條紋的秘密

　　斑馬魚，一種小的淡水魚，得名于一種醒目的藍黃色相間條紋圖案。在幼魚皮膚生長過程中，有三種主要的色素細胞類型——黑色細胞、反光銀色細胞和黃色細胞出現，它們多層鑲嵌，構成特征性的顏色圖案。

　　眾所周知，所有這三種細胞類型必須相互作用才能形成適當的條紋，但是，形成成魚條紋的色素細胞的胚胎起源，直到現在仍然還是一個謎。最近，德國馬克斯普朗克發育生物學研究所的科學家們，發現了這些細胞如何產生，并形成“斑馬”圖案。這一研究結果可能有助于了解動物世界多種多樣醒目圖案的發展和演變。

　　自然世界的美，讓詩人、哲學家和科學家都為之驚奇。諾貝爾獎得主、馬克斯普朗克發育生物學研究所遺傳學系主任Christiane Nüsslein-Volhard，一直沉迷于動物顏色圖案背后的生物學。她的研究小組利用斑馬魚作為模式生物，來研究動物發育的遺傳學基礎。

　　Nüsslein-Volhard實驗室的這一新研究結果，發表在最近的《Science》雜志，表明黃色素細胞在細胞形態上經歷了戲劇性的變化，來為斑馬魚的條紋圖案著色。本文第一作者Prateek Mahalwar稱：“我們驚訝地觀察到這種細胞行為，因為這些完全出乎我們對彩色圖案形成的認識。”這項研究是基于該實驗室今年6月份的《Nature Cell Biology》雜志發表的一項工作，該研究跟蹤銀色素細胞和黑色素細胞的細胞行為。這兩項研究描述了一系列實驗，以揭示條紋圖案形成過程中的細胞事件。

　　研究人員每天都對攜帶熒光標記色素細胞前體的每條幼魚進行成像，持續三周的時間，來繪制出細胞行為。這使得科學家們能夠跟蹤單個細胞及其子代在活體生長動物條紋圖案形成過程中的遷移和擴散。《Nature Cell Biology》論文第一作者Ajeet Singh稱：“我們必須制定一種非常溫和的程序，以能夠在長時間的過程中反復觀察每條魚。所以我們使用一種最先進的顯微鏡，它可讓我們將熒光照明的不利影響減至最小。”

　　令人驚訝的是，該分析表明，這三種類型的細胞，通過完全不同的方式到達皮膚：位于胚胎背部的一組多能細胞產生幼蟲黃色素細胞，其覆蓋胚胎的皮膚。當魚大約兩到三周大的時候，這些細胞在變態剛開始時就首先繁殖。然而，黑色素細胞和銀色素細胞來自于一小部分神經節相關的干細胞，靠近每個節段中的脊髓。黑色素細胞沿著節段神經遷移到皮膚，出現在條紋區域，而銀色素細胞則穿過分離肌肉組織的縱向裂，然后在皮膚中進行繁殖和傳播。

　　《Science》論文的共同作者Brigitte Walderich進行了細胞移植，以跟蹤黃色素細胞的起源，他解釋說：“我試圖在胚胎中創建一小簇熒光標記細胞，它們能在仔稚魚階段被跟隨，以解開黃色素細胞的生長和行為。我們驚奇地發現，它們分裂和增殖為分化細胞，在銀色素細胞和黑色素細胞到達以形成條紋之前就覆蓋皮膚。”

　　一個驚人的發現是，銀色素細胞和黃色素細胞都能根據它們的位置，轉變細胞形狀和顏色。黃色素細胞緊湊緊密地覆蓋在密集的銀色素細胞，形成亮色條紋，將其染成金色，在條紋的黑色素細胞上獲得一個松散的星狀形狀。銀色素細胞稀疏地覆蓋在條紋區域，將其染成藍色。它們在密集形式遠處再次轉換形狀，形成一種新的亮色條紋。這些細胞行為產生了一系列明暗相間的條紋。亮色條紋中銀色素細胞和黃色素細胞密集形式的精確疊加，以及條紋中黑色素細胞上松散的銀色素細胞和黃色素細胞疊加，可引起圖案的金色和藍色著色之間的鮮明對比。

　　作者推測，這些細胞行為的變化，可在魚中產生多種多樣的顏色圖案。Nüsslein-Volhard稱：“這些結果告訴我們關于其他魚類顏色圖案形成的思考方式，而且還包括那些我們不能直接觀察其發育階段的動物，例如孔雀、老虎和斑馬。”