研究首次揭示人类指纹和肢体发育有高度的基因关联，具有哪些重大意义？ 第1页

我们知道，世界上没有完全一模一样的指纹，甚至连双胞胎的也不一样。

诸多遗传信息都是由基因控制的，基因能决定人眼睛形状，虹膜和头发的颜色等等。

同卵双胞胎具有相同的基因，按照正常逻辑，他们也应该拥有一模一样的指纹才对。

但为什么会不同呢？

难道指纹并不受基因的控制吗？

如果真的如此，这一次中国团队主导的研究，为何能得出人类指纹和肢体发育有高度的基因关联呢？

回答这个问题之前，我们需要先了解一下指纹：

• 公元前的古埃及、古希腊，以及先秦的中国，都已经把指纹用在政府或者契约文件之上。在秦朝时，已经开始采集指纹作为犯罪证据。
• 但到了18世纪，人们才开始科学认识指纹。
• 到了19世纪，才对指纹进行归类和系统的解剖观察，并开始大量用于犯罪鉴定。
• 关于指纹基因的研究，已经是20世纪末的事情了。

其实，指纹并不是人类特有，除了所有灵长类都有指纹外，甚至连考拉也有。甚至​考拉和人类指纹极其相似，用电子显微镜也很难看出区别。

我们知道，灵长类起源于6000多万年前。但考拉是有袋类哺乳动物，和人类的亲缘差距长达2亿年。

对于灵长类和其它的攀援性哺乳动物，我们不难发现。灵长类通过指腹攀援，而其它哺乳动物则是通过爪攀援。

研究表明，指纹可增加手指对树木等粗糙表面的摩擦，以及疏通多余的水分，防止水泡出现，并提高触觉的灵敏性。

指纹上还有对汗液的精密调节机制，确保皮肤角蛋白层的最佳水化，从而最大限度地提高摩擦力，并减少接触面流体层形成灾难性滑移的可能性^[1]。

这也是为什么，人在应激反应下，手指会大量出汗的原因。

当然，指纹触觉灵敏度的增加，也更有利于应对突发情况^[2]。

几乎所有关于指纹的研究都指向一个结果，那就是指纹有利于攀援。

可以这么说，我们那些没有指纹的远祖亲近，可能早就从树上掉下来摔死了。

通过这些研究，我们不难猜测，人类指纹很有可能是在2亿年前，第一批攀援性哺乳动物诞生时，就已经起源了。

正是因为指纹起源得如此之早，那个时候人类远祖的肢体特征和我们具有明显的差异，那么指纹和肢体发育基因组有关，那就更容易理解了。

就像我们的手指的基础特征，早在3.8亿年前被四足动物的Hoxa13家族基因决定一样。长达2亿年的演化之旅，足以让我们与早期哺乳动物的肢体形态发生巨大的变化。

也正是因为指纹受到基因的控制，所以双胞胎的指纹具有相似性。

那双胞胎指纹，是如何形成差异的呢？

指纹受到环境因素影响很大，主要在于它形成于胚胎的早期。

早在胚胎发育的第10~14周，指肚（volar pads）的基质层细胞在不断分裂生长的过程中，会对表皮-真皮交界处的细胞进行挤压，从而导致真皮组织向表皮方向挤压形成初级纹路。

指肚的分裂成长是受到基因控制的，这是先天性因素。

但是初级纹路会在胚胎发育期间，经历更为漫长的过程，才能最终形成指纹。

指纹大约在7个月的时候才会完全成型，子宫内的微环境对它的作用长达4个月之久。

例如胎儿的动作、与羊水、子宫的互相作用，都会有微小的应力作用在细胞分裂上，而皮肤细胞的更新换代很快，微小的差异随着细胞代系迭代积累，最终让双胞胎的指纹，在数月的时间内形成了足够大的差异。

所以，基因不能决定指纹的最终纹路，就像基因能决定一个人头发多还是头发少，但并不能决定具体能长出多少根头发来。

那为什么，皮肤破损之后，重新长出的皮肤指纹依旧不变呢？

在解剖学上，指纹属于表皮与真皮之间的，向表皮方向凸起的真皮组织。如果破损的皮肤没有破坏真皮组织的凸起，甚至根本没有伤到真皮组织，指纹自然就不会被破坏掉了。

但如果真的破坏了真皮凸起，指纹自然也会产生修复的痕迹。如果大肆破坏真皮凸起，也可以导致指纹的严重破坏。现实中，一些犯罪分子就会通过破坏指纹来逃过指纹检测。

虽然指纹是终生不变的，但它并不是不能被破坏的。

弄清楚了指纹问题，我们最后再来看看中国团队领导的这一次研究突破。

通过对9099个汉人的全基因组扫描，研究团队发现了18个与指纹类型相关的基因位点。而这些基因大多和肢体发育有关，例如在塑造四肢和手指方面起到重要作用的EV11基因。

肢体发育基因在指纹形成过程中，起到至关重要的作用。

研究团队的突破口不是在指纹的差异上，反而是在指纹的相似性上。

早在100年前，就有研究者发现不同手指上的指纹具有相似性，体现出了遗传特性。

后来的研究进一步发现，中间三个手指（也即食指、中指、无名指）之间的遗传特征具有关联性。

2005年，有研究者把指纹之间的相似性命名为花纹间影响（pattern influence），也即本次研究提到的指纹模式（pattern block）。

早期关于指纹的形成原因，有着诸多的假说，但其实，以前对产生指纹模式和整个指纹结构的生物学机制在很大程度上，是不清楚的。

2016年的时候，欧洲就有研究者通过全基因组关联分析 (GWAS) ，对指纹基因进行研究。

• 全基因组关联分析 (GWAS)，顾名思义，这是一种检测特定群体全基因组水平的一种研究策略，往往需要分子标记数以百万的基因型信息，然后综合分析基因型和表现型之间的关联，从而研究复杂性状的基因表达和变异。
• 这种研究方法往往能快速定位复杂形状的基因组，如今已是主流研究方式。

虽然，在2016年的研究中，欧洲研究者发现了与指纹模式相关联的基因。但最后却发现，这些基因在指纹形成的过程中并没有发挥作用。

而这一次的中国团队领导的研究，和国际上数十个机构合作，同样使用了GWAS方法。

除了分析了9099个汉人外，还跨种族分析了其它人种的23000多人，从而发现了以前从未被报道过的指纹模式基因变异位点。

EVI1基因是所有被发现的基因中，最为重要的一个。

它在指纹形成过程中，发挥着重要的作用。尤其是，中间三个手指（也即食指、中指、无名指）的指纹模式的形成，与EVI1基因高度相关。

通过对比研究，研究团队也发现，中间三个手指的指纹模式的关联性远远高于其它手指。

个人认为，这极有可能是因为灵长类动物在抓握的过程中，食指、中指、无名指三根手指，对摩擦力提供了最大的贡献。这三根手指指纹的关联性加强，明显对生存更加的有利。

值得说明的是，EV11基因也是一种原癌基因。它的高表达，与急性髓系白血病有关。

• 从某种意义上来说，原发性癌症，何尝不是人类进化过程中产生的一种缺陷，或者说是失控的进化。由于不影响种群的繁衍，所以没有修复这种BUG的选择压。

为了进一步研究EVI1基因对指纹形成的作用，研究团队开始在小鼠身上进行研究。

通过调控EVI1基因表达，研究团队发现，在早期肢体发育阶段，老鼠手指腹侧位置的横纹发生了改变。

通过对21日龄的老鼠皮肤纹型的进一步分析，研究团队直接证明EVI1本身就是皮纹模式的调节器：它通过调节肢体发育来改变皮肤纹路，而不是通过皮肤直接发育而来。

随后研究团队测定了EVI1基因在人体中的表达，发现在胚胎发育的第10周，EVI 1基因在手指远端的间质中得到显著的表达，尤其是在指肚下表达得最为明显。13周之后，这种表达逐渐消失。

这是因为，EVI1基因能调节改变细胞的生长模式，从而改变远端肢体和手指的长度和形状。

这是EVI1基因除了能在指纹形成过程中发挥重要作用外，还和肢体发育高度相关的根本原因。

随后，研究团队跨种族研究了23000多人，分析了几百万个基因位点后，最终发现了指纹和肢体发育高度关联的43个基因组，以及105个显著表达的基因。

当然，这些所有基因的表达，都和研究团队指出的18个基因有所重叠或者关联。

通过对指纹表现型以及对手指长度的测量统计，研究团队也进一步佐证，人类的指纹模式受到肢体发育过程的强烈影响。

以往的研究表明，高指肚通常形成斗型（whorl），低指肚产生弓型（arch），而不对称和中高的指肚则往往形成环形图案箕型（loop）。

这一次的研究和以前的结果是一致的^[3]。

要说这一次研究的意义，远远不仅仅是搞清楚指纹的形成机制。

由于肢体发育和皮肤纹路之间的高度相关性，在胚胎发育的早期，就可以通过皮肤纹路的异常，提前推断出唐氏综合征等和肢体发育高度相关的疾病，从而进行足够早的干预治疗。

对于这些疾病的先天早筛，意义重大。

当然，从知识的角度来说，也意味着我们对人体自身的了解又更进一步。

虽然我们常常感叹现代科学多么多么发达，但其实在生命科学上，还有很多东西，我们只了解了表象，对原理性的内容其实还知之甚少。

关于人体更多的秘密，依旧还需要一代代科研人员去发现。

参考

1. ^ Yum S M , Baek I K , Hong D , et al. Fingerprint ridges allow primates to regulate grip[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(50):202001055.
2. ^ Scheibert, Leurent, Prevost, et al. The role of fingerprints in the coding of tactile information probed with a biomimetic sensor.[J]. Science (New York, N.Y.), 2009.
3. ^ Jinxi Li, James D. Glover, Haiguo Zhang, Meifang Peng, Jingze Tan, Chandana Basu Mallick, Dan Hou, Yajun Yang, Sijie Wu, Yu Liu, Qianqian Peng, Shijie C. Zheng, Edie I. Crosse, Alexander Medvinsky, Richard A. Anderson, Helen Brown, Ziyu Yuan, Shen Zhou, Yanqing Xu, John P. Kemp, Yvonne Y.W. Ho, Danuta Z. Loesch, Lizhong Wang, Yingxiang Li, Senwei Tang, Xiaoli Wu, Robin G. Walters, Kuang Lin, Ruogu Meng, Jun Lv, Jonathan M. Chernus, Katherine Neiswanger, Eleanor Feingold, David M. Evans, Sarah E. Medland, Nicholas G. Martin, Seth M. Weinberg, Mary L. Marazita, Gang Chen, Zhengming Chen, Yong Zhou, Michael Cheeseman, Lan Wang, Li Jin, Denis J. Headon, Sijia Wang, Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns, Cell, Volume 185, Issue 1, 2022, Pages 95-112.e18, ISSN 0092-8674,