命运真的藏在指纹里？复旦、中科院团队用指纹科学算命，登顶 Cell
导读指纹，泛指人手指和手掌部的皮肤花纹。中国是公认的指纹运用发源地，据现有史料记载，指纹的运用始于唐朝，而指纹学作为独立学科，于 19 世纪在欧洲兴起，英国学者高尔顿的《指纹学》一书中提出了三个影响重大的科学论点：1. 指纹终生不变；2. 指纹可识别；3. 指纹可分类。
在中国，指纹更是被赋予了更加神奇的功能，从「一斗穷，二斗富，三斗四斗卖豆腐，五斗六斗开当铺，七斗八斗坐着走，九斗十斗享清福」这一俗语中可见一斑，换言之，指纹上的「斗」（环型纹路）和「簸箕」（非圆条纹）甚至被认为隐藏着人的命运。
尽管指纹的进化可能是为了帮助抓握以及表面纹理的感知，但目前指纹被广泛用于个人识别，主要是因为指纹图案对每个人来说都是独一无二的，从出生开始就存在，而且不会随着寿命而改变。
通常情况下，指纹图案被分为 3 种类型：弓型、环型和螺旋型。从发育的角度来讲，妊娠第 14 周，胎儿手指上已经出现指纹。然而，指纹图案和整个指纹特征是如何形成以及其内在的生物学机制在很大程度上还不清楚，是否有某些基因在其中发挥了主导作用也是未知的。
2022 年 1 月 6 日，中科院上海营养与健康研究所汪思佳研究员团队、复旦大学金力院士团队联合国内外多个单位在Cell上发表了题为 Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns 的文章，通过大规模的汉族人群的基因组关联分析（GWAS），从中鉴定出与指纹类型相关的基因座，其中许多是以前没有被报道过的基因座，这些基因座隐藏在人类指纹模式的系统性变异中，发现人类肢体发育相关基因是指纹花纹形成的主要决定因素。
总的来说，这些发现强调了肢体发育基因在影响指纹图谱结果中的关键作用；同时，也有望为研究通过指纹表型实现特定疾病的早期识别与筛查提供新思路。
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主要研究内容
全基因组关联分析鉴定出 18 个与指纹图案相关的基因组位点
首先，研究人员对来自 3 个汉族队列的 9,909 个个体的全部指纹进行了 GWAS 研究，共识别出 18 个全基因组显著信号。此外，在对 66 种不同的衍生的指纹表型进行 GWAS 分析的结果显示，在上述 18 个基因组信号中，大多数显著关联存在重叠。
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EVI1 位点与中间三枚手指指纹的复合表型的关联
进一步的深入分析发现，中间三枚手指指纹的图案比其他手指上的图案彼此之间的相关性更强，这反映了人们长期以来所认知的「指纹模块现象」（中间三枚手指指纹高度相关）。
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在该研究中，通过 GWAS 分析，研究人员发现 EVI1 基因下游约 100kb 处的 3q26.2 区域的变异位点与中间三枚手指指纹的复合表型显著相关。并发现了两个高度可信的 SNP 位点：rs7646897 和 rs7623083。结合 ENCODE 和 REMC 数据库信息，表明 3q26.2 信号区在一系列人类细胞类型中显示出明显的激活增强子特征。为「指纹模块现象」这一认知提供了表型组学和遗传学解释。
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Evi1 突变改变小鼠皮纹模式
接下来，他们利用小鼠模型评估了 Evi1 编码的蛋白质本身在皮纹形成中的重要性。他们分析了 21 日龄的 Evi1 杂合突变体（纯合致死）和野生型同窝动物的手指的皮纹模式。结果发现杂合子在手指 5 上出现了一个小骨刺。并发现在所有突变小鼠的手指中连续脊的频率降低，手指 3 和 4 也携带更多不连续的脊。这些结果直接证明了EVI1 本身是皮纹模式的调节因子。
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通过原位杂交技术，他们评估了 Evi1 在完整小鼠胚胎肢体中的表达，发现在胚胎 12.5 天时，Evi1 在同源体中广泛表达，之后局限于所有新生趾的远端区域。对小鼠胚胎肢体中 Evi1 表达的定量分析与原位杂交的结果一致，发现在胚胎 11.5 天、手指出现 (胚胎 13.5 天)、手指生长和皮纹模式形成 (胚胎 15.5 天和 17.5 天) 的各阶段均出现急剧下降。
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紧接着，他们通过免疫荧光检测了 EVI1 在人类胚胎发育过程中的表达，发现在妊娠约 6 周的时候，EVI1 在伸出的肢体芽的间质中广泛表达，与此相反，在躯干中低表达或不表达。到妊娠约 10 周时，EVI1 显著表达于手指远端，尤其是掌侧掌垫下，这是后期指纹形成的部位。13 周时表达基本消失，仅出现在远节指骨周围。
因此，与小鼠一样，在人类发育过程中，EVI1 的表达在手指的背侧和腹侧相似。同时，在人类的发育中，EVI1 在肢体生长过程中广泛表达，主要表达部位是手指垫下，随后在手指垫上形成皮纹图案，但其表达与指纹本身的上皮折叠无关。换言之，指纹相关基因可以通过调控肢体发育来影响指纹花纹的形成。
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指纹模式与手的比例显著相关
最后，为了进一步验证胚胎和胎儿肢体发育可能影响指纹类型的假设，他们研究了指纹类型与肢体相关表型（即手表型）之间的相关性。结果发现手的表型和指纹之间有着广泛的联系。比如说，相对于手的长度而言，小指较长与螺旋纹频率较高有关，掌长相对越短。
这些结果为指纹模式受到肢体发育过程的强烈影响提供了进一步的证据。
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结语
总的来说，这项研究通过大规模的 GWAS，识别了许多指纹模式相关的遗传变异，并推断了它们相关的生物过程。在这项研究中，科学家们发现的肢体发育基因以及手的比例与皮纹类型的相关性证明了胚胎肢体生长过程在决定人类指纹复杂的表面图案方面的关键作用。
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本研究通讯作者，中科院上海营养与健康研究所汪思佳研究员说到：「人们可能会奇怪我们的团队为什么要研究指纹。其实，我们开始这项工作纯粹是出于好奇。但后来的研究结果发现，指纹模式与肢体生长的基因有关，而肢体生长对胎儿发育至关重要。这是多效性的又一个典型例子，即多种表型相互关联，并受到相同基因的影响。」
论文第一作者，复旦大学人类表型组研究院李金喜博士说：「我们不知道基因是如何形成指纹图案的，但它可以由胚胎组织掌垫上生长的力量来决定，这种胚胎组织在不同指纹图案的形成中起着重要作用。随着胎儿手的生长，手掌和手指会伸展拉长，而正是这些力可以形成指纹上的『斗』和『簸箕』」。
同时，该研究也为肤纹与人体其它表型与疾病的关联研究奠定了重要的理论基础，为相关疾病的预防和诊断提供了新的思路。例如，唐氏综合征患者可能存在断掌、足拇趾弓状球纹等表型特征。因此，也希望能尽早将相关研究成果运用到新生儿先天性疾病的早期筛查中，造福更多的患儿，造福更多的家庭。
据悉，这项研究是由上海复旦大学领导的国际人类表型组计划的一部分，该项目旨在绘制人类表型性状之间的相互关系，计划建成跨尺度、多维度的人类表型组精密测量平台，可对人体从微观到宏观全尺度的近 20 类表型进行高精度、高灵敏、高通量测量。接下来，该团队计划进行更加深入的研究，如皮纹图案与疾病的关系以及潜在的生物学机制等。
参考文献：
1. Jinxi Li et al., Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns, Cell (2022). https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)01446-X
2. Ho, Y.Y.W., et al. (2016). Common Genetic Variants Influence Whorls in Fingerprint Patterns.J. Invest. Dermatol. 136, 859–862.
3. Yum, S.M., et al. (2020). Fingerprint ridges allow primates to regulate grip. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 117, 31665–31673.
题图来源：自制
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