哺乳动物皮肤上毛囊的精确排列长期被视为发育生物学中一个引人入胜的谜题。从实验室小鼠相对随机的分布，到刺鼠高度规则、方向性明确的排列，不同物种间毛发图案的显著差异究竟由何种机制塑造？日内瓦大学（UNIGE）遗传与演化系的一项新研究给出了一个出人意料的简约答案：或许并不存在一个复杂的“定位系统”逐一指定每个毛囊的位置，而是细胞与化学信号之间的局部相互作用自发涌现出有序图案。该成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），对长期主导该领域的扩张-诱导模型提出了实质性挑战。
传统模型的局限与趋化性假说的提出
毛囊在出生前由称为基板（placode）的特化胚胎结构起始形成，这些结构同样也是羽毛和大多数类型鳞片的来源。关于基板如何形成有序排列，学界长期采信的是“扩张-诱导模型”：每个新形成的基板释放抑制性分子，暂时阻止邻近区域形成新的基板；随着皮肤扩张，新区域逐渐脱离该分子的影响范围，从而在既有基板之间的空隙中形成新的基板。该模型虽能解释实验室小鼠（Mus musculus）的发育模式，但研究者从未通过实验证实其能广泛解释哺乳动物的毛囊组织规律。
由高级讲师Athanasia Tzika和教授Michel Milinkovitch共同领导的研究团队转而考察另一种机制——趋化性（chemotaxis），即细胞沿化学梯度定向迁移的过程，这一机制同样参与白细胞向炎症区域的导航。研究团队构建了一个数学模型：真皮中的可移动细胞响应表皮（皮肤外层）产生的吸引性化学信号，随着模拟胚胎皮肤的生长，这些相互作用自发地在与实验室小鼠观察到的发育序列高度吻合的位置产生基板。“我们的发现表明，观察到的图案并不需要一个复杂系统来告诉每个基板该在哪里形成，”该系研究人员Muhamet Ibrahimi和Ebrahim Jahanbakhsh解释道，“相反，基板是从细胞与化学信号的局部相互作用中自发涌现的。”
刺鼠验证：同一机制重现高度规则排列
为检验模型的普适性，研究者将目光转向刺鼠（Acomys dimidiatus），一种毛囊形成高度规则、方向性组织图案的啮齿动物。与实验室小鼠的排列不同，这种独特构型无法用传统的扩张-诱导模型解释。研究团队利用胚胎皮肤三维成像获得的实验数据，调整数学模型以反映刺鼠特有的生化特征和皮肤生长模式，结果同一趋化机制成功重现了该物种标志性的毛囊排列。
这一结果提示，不同哺乳动物的毛发图案可能源自一个共享过程——由细胞运动和化学信号传导所支配的自组织，物种间的差异仅在于这些相互作用展开方式的不同。值得注意的是，研究者保持了审慎的科学态度：数学模型与观察图案的吻合并不能确立趋化性就是活体皮肤中实际运作的机制，该结果为传统模型提供了一个潜在的替代解释，但尚需进一步的实验验证。
自组织视角下的演化多样性
该研究的深层意义在于提出了一种关于组织架构演化多样性的简约原理：无需为每个物种演化出独立的图案指定系统，只需在保守的自组织机制上调整参数，即可产生形态各异的宏观结构。“我们的工作表明，简单的细胞相互作用能够产生演化过程中观察到的惊人多样的组织结构，”Tzika总结道，“因此，物种间观察到的差异源于同一自组织过程，只是细胞与化学信号之间相互作用的变异所致。”这一框架不仅适用于毛发，也可能为羽毛、鳞片等由基板衍生的皮肤附属器的图案形成研究提供新的理论起点。
DOI: 10.1073/pnas.2530407123