人类指纹花纹如何形成？能预示疾病吗？相关研究登上《细胞》

2022-01-07 上海 

青年报·青春上海记者刘昕璐通讯员赵天润

一个人的指纹是为数不多的从出生到老去都不会改变的生命特征，指纹又被称为“人体身份证”。也正是因为其恒定性及高遗传性，已成为目前研究最广泛的肤纹类型。

今天（1月7日）凌晨，中科院上海营养与健康研究所汪思佳研究员团队、爱丁堡大学Denis Headon教授团队和中科院院士、复旦大学校长、人类表型组研究院院长金力教授团队联合国内外十余家科研机构在国际顶尖期刊《细胞》（Cell）杂志发表论文《肢体发育基因构成人类指纹花纹差异的基础》（Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns）。

历时7年，该研究成果首次发现与指纹相关的基因显著富集在肢体发育与形成的相关通路而非皮肤发育相关通路，明确了人类肢体发育相关基因在指纹花纹表型的形成中发挥了关键作用。

这一关键发现，为肤纹与人体其他表型，尤其是疾病易感性的关联研究提供了重要理论基础，有望成为解析宏观与微观表型关联的经典范例。该论文在2022年第一期《细胞》杂志上正式刊发。

这样一个开拓性成果缘何而发？肤纹与人类健康又有怎样的关联？未来会产生怎样的价值？跟着科学家一起来解锁。

首次发现

肢体发育基因在指纹花纹形成中的关键作用

复旦大学人类表型组研究院、生命科学学院博士后李金喜，爱丁堡大学博士James Glover，复旦大学生命科学学院教授张海国以及复旦大学生命科学学院博士彭美芳为此次论文的共同第一作者。汪思佳研究员、Denis Headon教授和金力教授为该论文的共同通讯作者。

在已有研究中，一些学者提出肤纹的形成可能受到基底层细胞折叠的刺激、骨骼等生长力牵扯、血管神经共生等的影响。然而，人类对指纹花纹这类表型形成的生物学机制仍然知之甚少。

要真正破解指纹花纹的形成机理之谜，需要大量的样本和数据。自2014年开始，还是汪思佳团队研究生的李金喜，就与张海国一起跟随金力团队前往全国各地采集人体肤纹表型。2017年，团队尝试着去分析第一批数据，但结果并不好，“只是人群特点的描述性数据”。

但当样本量上升之后，有趣的结果逐渐出现。通过对9099个汉族人群进行全基因组关联分析，团队确定了18个与手指指纹类型相关的基因位点。包括长期公认的中间三枚手指“模式块”相关性的遗传基础。

“寻找一个基因影响单个表型是困难且低效的，这次研究最大的突破是做了表型整合，将单个手指的指纹花纹进行整合，形成了复合表型，这是跟之前研究比较大的一个不同的点，随后我们发现它们强烈指向同一个信号。”李金喜介绍说。

团队发现，在3q26.2区域临近EVI1基因的变异位点与中间三枚手指指纹的复合表型显著相关。由此，也为前人提出的“花纹间影响”（pattern influence），即本研究提到的“指纹模块现象”（pattern block），提供了表型组学和遗传学解释。

在接下来与爱丁堡大学科研团队的合作中，中外科学家通过小鼠动物模型观察到EVI1通过调节肢体发育而不是皮肤发育来改变小鼠的皮纹。同样的现象在人体胚胎组织中也被观察到。团队发现，EVI1在人类胎儿组织中从肢体发育到皮纹形成过程中，支持其发挥塑造四肢和手指作用的主要是表达于肢体发育期的间充质细胞，而非皮肤发育期的上皮细胞。这进一步说明，指纹相关基因通过调控肢体发育，影响指纹花纹的形成，而非传统认知的调控皮肤发育。

为了更全面地了解指纹模式的遗传结构，团队还寻找了美国、英国、澳大利亚的多家合作伙伴，对全球范围内已有的东亚血统队列和欧洲血统队列，超过23,000个个体进行大规模荟萃分析，分析了几百万个遗传点位，识别出43个与人类指纹花纹相关的遗传基因座，105个显著基因。

为进一步验证胚胎和胎儿肢体发育可能影响指纹花纹类型的假设，团队又检测了指纹模式与肢体相关表型（即手表型）之间的相关性，发现指纹花纹与手指长度比例之间广泛相关，并具有共同遗传基础。比如，小指相对越长，掌长相对越短，双手斗型花纹越多；而食指远端指节（指纹形成处）相对越长，斗形花纹则越少。

对科研来说

好奇心最是宝贵

“本次研究为人类型组研究提供了一个经典案例，充分展现了人类表型组学对生命科学未来发展的重大意义。”复旦大学校长、人类表型组研究院院长金力这样说。

他介绍，“通过研究，首次发现了指纹花纹和肢体表型之间存在强关联，而强关联背后的作用机制，在于指纹花纹的形成和肢体的发育受到同一个基因——EVI1的影响。这体现了生物学上典型的“一因多效性”，这里的‘一因’就是肢体发育基因。”

科研中，勇闯“无人区”是一种勇气，更是一种创新策源能力。金力做了一个形象的比喻，“如果没有创新策源，尤其是原始创新策源，科研就像是在别人的树上摘果子，很难摆脱跟跑的角色和被‘卡脖子’的困境。要实现领跑、不被‘卡脖子’，根本上来说就要在各个学科领域种出自己的原始创新之树，去摘自己树上的科学果实。”

汪思佳直言：“这是一项好奇心驱使的研究。我们并不知道会有什么结果。”但对科研来说，“好奇心是最宝贵的事情，特别是基础科研，要不具备功利性的，好好去做一件有趣的事，做出来之后，说不定就会有一些意想不到的发现。”

成果将有助于

绘就生命科学研究下一代“导航图”

基于这次发表的成果，未来在指纹花纹研究的方向上，科学家也许可以进一步发现，一些之前被认为跟健康和疾病关系不大的指纹相关表型，实际上和某些特定的疾病相关联，这样就可以为广大百姓提前预知健康风险、提早检测和干预提供有益的信息。

这项研究揭示的“一因多效”，也为肤纹与人体其他表型与疾病的关联研究提供了重要理论基础，有望打通宏观与微观表型的联系与作用机制。例如，科学界已经发现不同的皮纹表型与许多先天遗传性疾病之间的关联，比如唐氏综合征患者可能会有断掌、足拇趾弓状球纹等特征。

对未来，团队将关注更多被忽视的看似“无用”的表型来展开更多的研究。而在上海市首批市级重大专项支持下，复旦大学联合中科院等国内外伙伴，在全球范围内率先牵头推动“人类表型组”大科学计划，希望基于这一理念，大规模发现并解析表型之间的强关联，尤其是探寻目前科学家尚未注意到的、与人类健康息息相关的表型间的强关联，由此绘制一张由各种强关联组成的“导航图”，为未来的生命健康研究提供新的指引和方向。