毛囊周期發(fā)育相關(guān)信號通路的研究進展

武曉英,任有蛇,張春香,曹貴東,岳文斌

(1.太原師范學(xué)院生物系,山西太原030031;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,山西太谷030801;3.山西新福瑞沃生物技術(shù)工程有限責(zé)任公司,山西太原030012)

毛囊的形態(tài)發(fā)生,是通過表皮角質(zhì)形成細胞(KC),與特化的真皮成纖維細胞間誘導(dǎo)信號的級聯(lián)放大,引起表皮角質(zhì)形成細胞進行定型的毛發(fā)特異性分化過程[1]。毛囊的發(fā)育分3個階段：生長期、退行期和休止期。在生長期,毛母質(zhì)細胞迅速增殖,分化形成毛囊內(nèi)根鞘和毛干;退行期,毛囊下段發(fā)生凋亡,毛乳頭上移,當(dāng)毛乳頭到達隆突區(qū)下方,毛發(fā)進入休止期。毛囊的形成及周期性發(fā)育是一個分子調(diào)控的過程,靠信號通路這一復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來控制,而不同的信號通路就是通過對促進毛囊發(fā)育因子和抑制毛囊發(fā)育因子的嚴(yán)格平衡,并將最終信息傳遞給毛囊及毛囊周圍組織,實現(xiàn)對毛囊發(fā)育、毛囊活動的啟動和休止以及毛囊有絲分裂速率的調(diào)節(jié)。目前,毛發(fā)研究的關(guān)鍵在于找到協(xié)調(diào)這些不同發(fā)育階段相互轉(zhuǎn)換的分子信號。

1 毛囊形態(tài)發(fā)生及生長期的相關(guān)信號通路

1.1 W nt信號通路 Wnt信號途徑是一種參與控制胚胎發(fā)育、進化上保守的信號傳導(dǎo)途徑,在許多動物機體中均有很重要的作用。其中經(jīng)典的Wnt/βcatenin信號參與了皮膚的生物學(xué)過程,具有調(diào)控上皮的形態(tài)發(fā)生、調(diào)節(jié)毛囊的發(fā)育及相關(guān)細胞分化的作用[2]。

目前,在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的100多種W nt基因,廣泛參與了毛囊形態(tài)發(fā)生和周期性變化的各個環(huán)節(jié),對于所有類型毛囊發(fā)育的起始階段和毛囊形態(tài)發(fā)生都非常重要,尤其在毛囊發(fā)生的起始階段起到重要的作用[3]。有人用流式細胞儀分選出特異表達綠色熒光蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠的真皮乳頭細胞,將這種純的真皮乳頭細胞在富含Wnt的環(huán)境中培養(yǎng),真皮乳頭細胞能維持其誘導(dǎo)毛囊生成的特性,提示W(wǎng)nt信號對真皮乳頭細胞有維持作用,并在毛囊間質(zhì)和上皮之間建立信號傳播,調(diào)節(jié)毛囊生長和毛干結(jié)構(gòu)。

β-catenin是Wnt通路上的一個最重要信號分子,主要在上皮細胞和間質(zhì)細胞表達。高表達βcatenin能誘導(dǎo)毛囊干細胞分化形成毛囊,而基因突變或β-catenin表達降低則阻斷毛囊發(fā)育。β-catenin能促進毛囊干細胞從靜止期進入增殖期,進而啟動毛發(fā)周期。在胚胎發(fā)生過程中,如果β-catenin發(fā)生突變,毛囊上皮細胞芽的形成就被阻斷,如果在毛囊形成以后去除該基因,毛發(fā)在第1個周期之后便完全脫落,不能再生。進一步研究還證實,βcatenin決定著皮膚干細胞的最終分化方向,缺乏βcatenin時,毛囊干細胞不能分化為毛囊上皮細胞,而僅分化為表皮干細胞,形成表皮各層[4]。

1.2 Hedgehog信號通路 Hedgehog蛋白由Shh、Ihh和Dhh基因編碼,Shh是控制毛囊生長和毛囊休止期向生長期轉(zhuǎn)換的因素之一[5],也是胚胎期皮膚毛囊形態(tài)發(fā)生必需的上皮信號,表現(xiàn)在Shh突變小鼠的胚胎期,皮膚不能出現(xiàn)毛囊發(fā)育中正常的上皮內(nèi)陷,即缺失將在胚胎出芽期阻斷毛囊形態(tài)發(fā)生。M ill等(2005),通過用腺病毒載體將Shh給出生19日齡C57BL/6的小鼠皮下注射,注射處皮膚Shh表達增加,休止期毛囊加速進人生長期,毛囊形態(tài)及黑素生成增加。在試驗處理后2周,小鼠注射處皮膚與非注射處皮膚相比,前者的新生毛發(fā)的速度加快。

1.3 Notch信號通路 Notch基因在細胞分化、發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。Notch信號通路由Notch受體、Notch配體和CSL-DNA結(jié)合蛋白3部分組成。當(dāng)Notch受體與配體結(jié)合后,活化的因子可直接轉(zhuǎn)移至核內(nèi),不需要第二信使就可和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子結(jié)合而激活Notch信號,促使臨近細胞由干細胞狀態(tài)向發(fā)育分化狀態(tài)轉(zhuǎn)變,從而促進毛囊由休止期進入生長期。

Notch信號途徑可以影響到表皮附屬器的形成。多種毛囊細胞的生長發(fā)育都涉及到Notch信號。脊椎動物中發(fā)現(xiàn) 4個Notch同源體,包括Notchl-4,其中Notchl作用最為重要[6]。研究發(fā)現(xiàn)活化的Notch-1表達于轉(zhuǎn)基因動物的毛皮質(zhì),這種轉(zhuǎn)基因動物的毛發(fā)表現(xiàn)為光亮的彎曲波浪狀發(fā),說明Notch信號途徑參與了毛囊細胞的定向分化或毛乳頭對上皮細胞的訓(xùn)導(dǎo)過程。

2 毛囊發(fā)育退行期的相關(guān)信號通路

2.1 轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-β)信號通路 TGF-β1,2,3是TGF-β信號通路的3個同功型家族成員,通過TGF-β-Smad的信號通路調(diào)節(jié)細胞生長、凋亡和分化。TGF-β1在生長期到退行期轉(zhuǎn)換過程中表達于內(nèi)根鞘[7]。小鼠用TGF-β1處理可抑制移植胚胎皮膚及器官培養(yǎng)中毛囊生長,誘導(dǎo)毛囊進入退行期,因此,TGF-β1具有促進毛囊進入退行期的作用。TGF-β3與 TGF-β1 相同 ,TGF-β3蛋白在早期毛囊發(fā)育的表皮中及隨后在收進鞘中的毛囊上皮表達,但TGF-β3基因?qū)γ野l(fā)育及生長周期無任何影響,而且研究證實,缺乏 TGF-β1,只是延遲而不是完全阻斷毛囊進入退行期,所以除了 TGF-β家族成員,尚有其他因子參與了毛囊退行期發(fā)育。

2.2 表皮生長因子家族(EGF)信號通路 EGFEGFR信號通路系統(tǒng)參與了毛囊的發(fā)育和生長期向退行期的轉(zhuǎn)變。用12.5 d或13.5 d的小鼠胚胎皮膚組織建立器官培養(yǎng),EGF可特異性完全抑制毛囊的形成,且這一作用是可逆的,并特異性作用于毛囊發(fā)育的早期,去除 EGFR基因可導(dǎo)致毛囊形成減少[8]。在EGFR缺乏或無功能,小鼠毛發(fā)生長期延長,并且外源性EGF可終止羊毛囊的生長期和推遲小鼠毛囊生長期的開始。

3 毛囊發(fā)育休止期的相關(guān)信號通路

3.1 成纖維細胞生長因子(FGF)信號通路 FGFFGFR信號通路是通過激活酪氨酸激酶級聯(lián)放大的作用,向細胞內(nèi)傳遞信號。成纖維細胞生長因子5(FGF5)是一個較強的生長抑制因子,分布于毛囊的外毛根鞘,其受體分布于毛乳頭細胞、母質(zhì)細胞和隆突部的干細胞。研究發(fā)現(xiàn)在生長期結(jié)束之前,毛囊外根鞘細胞可產(chǎn)生FGF5并以旁分泌方式終止細胞分裂引起生長期停止[9]。皮下注射FGF5可抑制生長期毛發(fā)生長并促進生長期向退行期轉(zhuǎn)化,最終調(diào)節(jié)毛囊進入休止期,但FGF5并非是惟一誘導(dǎo)毛囊進入休止期的因子。

3.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BM P)的信號通路 BMP也是TGF-β超家族成員之一,參與皮膚附屬器形態(tài)發(fā)生和出生后毛囊的生長。BM P在胎兒出生后毛囊休止期向生長期轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了重要的作用,它是毛囊生長期啟動的抑制劑[10]。休止期毛囊啟動生長要求 BMP信號被Noggin的修飾,試驗證明,出生后從靜止期毛囊激活到生長,與表皮上皮細胞和間葉細胞Noggin的上調(diào)有關(guān),Noggin可以在體內(nèi)誘導(dǎo)出生后靜止期皮膚激活毛的生長。Botchkarev等,分析了脫毛術(shù)人工性誘導(dǎo)C57BL/6鼠毛囊同步周期后皮膚中BMP BMP-IA受體和Noggin表達狀況,他們發(fā)現(xiàn)在休止期BM P、BM P-IA受體表達水平很高,而Noggin轉(zhuǎn)錄幾乎沒有。

4 毛囊周期發(fā)育的其他相關(guān)因子

肝細胞生長因子(HGF/SF)作為一個旁分泌因子可促進小鼠毛發(fā)生長、延緩生長期向休止期的轉(zhuǎn)換和輕度誘導(dǎo)生長期。新生小鼠皮膚局部注射HGF/SF可使生長期毛囊生長期延長,并可輕度誘導(dǎo)休止期毛囊向生長期轉(zhuǎn)換,使注射部位毛囊變長變粗。

胰島素樣生長因子1(IGF-1)廣泛分布在毛囊、毛乳頭及真皮纖維細胞內(nèi),對毛囊的上皮和真皮成分均有剌激作用。體外試驗表明,外源性IGF-1可以顯著促進體外培養(yǎng)的毛囊生長,影響毛囊的形態(tài)發(fā)育。

血小板源性生長因子-A(PDGF-A)表達于正在發(fā)育的表皮和毛囊上皮,可通過刺激真皮間質(zhì)細胞增殖促進毛乳頭和結(jié)締組織鞘形成。

白介素-1(IL-1)是重要的脫發(fā)誘導(dǎo)因子,參與了毛囊發(fā)育周期退行期的控制。在體外培養(yǎng)毛囊器官模型,引起生長期毛囊營養(yǎng)不良,出現(xiàn)毛乳頭凝縮變形、毛囊母質(zhì)明顯空泡形成、毛球角化異常、毛囊黑素細胞解體和毛乳頭內(nèi)出現(xiàn)黑素顆粒。

盡管近十年來,在描繪控制毛囊發(fā)育和周期的分子機制方面已取得了巨大的進展,發(fā)現(xiàn)了大量的信號通路和生長因子調(diào)節(jié)毛囊的正常發(fā)育和毛發(fā)生長周期,但是沒有一種因素在這些過程中發(fā)揮絕對控制作用,似乎在毛囊生長發(fā)育的調(diào)控過程中,涉及到很多的生長刺激因子和抑制因子之間復(fù)雜的聯(lián)系,因此,要想真正揭示毛囊發(fā)育和生長的分子信號調(diào)控途徑,并用來解決醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的毛發(fā)疾病(斑禿、脫發(fā)和多毛癥等)、改良毛用動物的生產(chǎn)性能,還需要大量科研工作者的不懈努力。

[1] 趙勝軍.絨山羊毛囊發(fā)育及其活動調(diào)節(jié)機制的研究進展[J].黑龍江畜牧獸醫(yī),2004,30(2)：65-66.

[2] Andl T,Reddy S T,Gaddapara T,et al.WN T singals are required for the initiation of hair follicle developmen t[J].Dev Cell,2002,2(5)：643-653.

[3] 李國強,紀(jì)影暢,李宇.毛囊形態(tài)發(fā)生的分子機制[J].國外醫(yī)學(xué)：皮膚性病學(xué)分冊,2004,30(1)：38-40.

[4] Hueiken J,Vogel R,Erdmann B,et a l.Beta-catenin controls hair follic lem orphogenesis and stem cell differentiation in the skin[J].Cell,2001,105：533-545.

[5] Wang LC,Liu Z Y,Gambardella L,eta l.Regu lar artic les：conditionaldisruption of hedgehog signaling pathw ay defines it s critical role in hair developm ent and regeneration[J].J Invest Derm atol,2000,114(5)：901-908.

[6] Kolly C,Su ter M M,Mu ller E J.Proliferation cell cycle exit and onset of terminal differentiation in cultu red keratinoey tes：Pre-Programmed Pathways in Con trol of C-Myc and Notchl Prevail over extracellu lar caleium signals[J].Invest Derm atol,2005,124(5)：1014-1025.

[7] W ollina U,Lange D,Funa K,eta l.Expression of transforming g row th factor beta isoform s and their receptors du ring hair g row th phases inmice[J].H istol H istopathol,1996,11(2)：431-436.

[8] M urillas R,Larcher F,Conti C J,eta l.Expression of a domi nant negative mu tant of epidermal grow th factor receptor in the epiderm is of transgenicm ice elicits striking alterations in hair follicle developm ent and skin stru cture[J].EMBO J,1995,14(21)：5216-5223.

[9] Suzuki S,Ota Y,Ozaw a K,et al.Dual-mode regulation of hair grow th cycle by tw o Fgf-5 gene p roducts[J].J Invest Dermatol,2000,114(3)：456-463.

[10]蘇蕊,李金泉.骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)基因在內(nèi)蒙古絨山羊不同時期皮膚毛囊中的表達[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,41(2)：559-563.