从《猫和老鼠》中的“汤姆猫”到20世纪80年代音乐剧中的“米斯托菲利斯先生”，一些最著名的（尽管是虚构的）猫科动物，凭借其独特的黑白燕尾服式毛皮，拥有一种截然不同的尖锐外观。像这样皮肤和毛发带有白色斑块的猫被称为双色或白化病。白化病在多种家养和农场动物中也很常见，包括狗、牛、猪、鹿、马，在人类中则较少出现。它是由于KIT基因突变引起的。
我们来自巴斯大学、爱丁堡大学和牛津大学的研究团队一直在努力解开这些动物如何形成其独特图案的奥秘。我们已经发现，这些引人注目的色素图案的形成方式比最初认为的要随机得多。我们的研究结果对研究人类各种严重的胚胎发育障碍具有启示意义，包括影响听力、视力、消化和心脏的疾病。
白化病通常表现为毛发、头发或皮肤出现白色区域，这是因为这些区域缺乏产生色素的细胞。这些区域通常出现在动物的前部，常见于腹部和前额。白化病图案是自然界中最引人注目的动物毛皮图案之一。
尽管白化病的影响相对轻微，但它是一系列更严重缺陷中的一种，称为神经嵴病。这些疾病源于组织发育缺陷，可能表现为心脏问题、耳聋、消化问题甚至癌症。这些疾病都与依赖一种称为神经嵴细胞的胚胎细胞家族有关。通过更好地理解白化病，我们可以增进对这些相关且更严重疾病的认识。
动物在还是胚胎时就会获得白化色素图案。当产生色素细胞的祖细胞在胚胎中错误地扩散时，就会出现白化病。在正常发育中，色素细胞从胚胎的后部开始，通过发育中的皮肤扩散到腹部。随着细胞的扩散，它们也会增殖，产生更多的细胞，其中一些细胞被留在原地，以确保所有皮肤都有色素。
然而，在白化病中，深色色素细胞未能及时扩散到腹部，从而无法为毛发和皮肤着色。这导致了独特的白色毛发和皮肤斑块，通常出现在动物腹部，也就是离它们起点最远的地方。长期以来人们一直认为，色素细胞直接从后部迁移到前部，而前部的色素缺乏是由于色素细胞迁移速度不够快。
然而，我们发表在《自然·通讯》上的研究描绘了一幅不同的图景。我们发现，如果说有什么不同的话，那就是白化病动物的细胞迁移速度比正常动物快，但它们分裂的次数却不如正常动物多。这意味着，仅仅是细胞的数量不足以给胚胎发育的所有区域着色。
嵌合体动物由两个早期胚胎融合而成。如果原始胚胎颜色不同（例如，黑白），那么嵌合体动物通常会有条纹或斑驳的毛皮图案，是两种颜色的混合。此前，占主导地位的理论是，每条条纹都是由少量起始细胞产生，这些细胞从后部扩散到前部。
我们的研究结合了生物学实验和复杂的数学建模，证明了色素细胞是随机迁移的。这些细胞不是像百米赛跑的选手那样朝着特定方向移动，而是几乎没有或完全没有方向性地移动，就像酒鬼在打烊时跌跌撞撞地走出酒吧一样。一些嵌合小鼠身上看到的条纹图案可能仅仅是由于几个同色细胞群偶然聚集在一起的结果。
利用我们的数学模型，我们可以探索和评估各种可能的替代生物学假说，以解释图案形成。这让我们获得了仅凭实验无法达到的更深入的理解。这也意味着我们可以减少在这个重要研究领域使用的动物数量。
令人兴奋的是，现在有可能利用相同的数学模型来研究早期发育过程中的其他细胞类型。这为我们了解更多与早期细胞定位相关的医学状况提供了新的机会，包括那些导致某些类型神经系统癌症和其他使人衰弱的疾病的疾病，例如瓦登堡综合征、 Hirschsprung病和 Ondine氏诅咒，这是一种未经治疗可能致命的呼吸系统疾病。
本文最初发表在The Conversation上。阅读原文。
