毛囊發(fā)育和循環(huán)生長的信號機(jī)制的研究進(jìn)展

楊夢潔，林蕾，高晶

毛囊發(fā)育和循環(huán)生長的信號機(jī)制的研究進(jìn)展

楊夢潔，林蕾，高晶

近年來，脫發(fā)現(xiàn)象趨于普遍性和年輕化。臨床對脫發(fā)的分類主要有：瘢痕性和非瘢痕性脫發(fā)。目前對各類脫發(fā)產(chǎn)生的原因尚不完全清楚，過去幾十年來，對禿發(fā)的認(rèn)識和理解主要集中在：瘢痕性脫發(fā)是毛囊上部干細(xì)胞以及腺體所在部位的炎癥反應(yīng)[1]；非瘢痕性脫發(fā)則與激素的代謝和局部免疫反應(yīng)有關(guān)。而最新研究顯示[2]，在瘢痕性脫發(fā)和非瘢痕性脫發(fā)中毛囊干細(xì)胞對毛囊的分化和生長都起到重要的支持作用。因為毛囊的形態(tài)發(fā)育和再生具有高度相似性，所以清楚的理解毛囊發(fā)育的信號機(jī)制將為創(chuàng)造一個利于毛囊和皮膚再生的局部微小環(huán)境。

1 毛囊的結(jié)構(gòu)和發(fā)育、循環(huán)生長周期

毛囊做為一個微小的組織器官，是由神經(jīng)外胚層－中胚層相互作用產(chǎn)生[3]。毛囊胚胎發(fā)育可分為5期。在第1、2期，外胚層細(xì)胞在中胚層產(chǎn)生的毛囊生成初始信號誘導(dǎo)下，增厚形成毛囊第一結(jié)構(gòu)-基板；第3期，基板對位于其下方的間充質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生信號反饋，促使其增生、凝集形成真皮凝聚體；第4期，間充質(zhì)細(xì)胞信號誘導(dǎo)基板增生、內(nèi)陷和包裹真皮凝聚體，凝聚體演變成-真皮乳頭；最后，毛囊上皮分化成各類毛囊細(xì)胞結(jié)構(gòu)，完整的毛囊、毛囊腺體和肌肉結(jié)構(gòu)生成。在成熟個體中，毛囊的生長呈現(xiàn)周期性循環(huán)，包括生長期、退化期和靜止期[4]。生長期，在毛囊基底部的上皮細(xì)胞，即毛囊基質(zhì)的增生、分化和遷移形成內(nèi)根鞘（IRS）和毛桿（HS）。靜止期，因為不斷增加的毛囊上皮細(xì)胞的凋亡，真皮乳頭功能抑制和解剖位置下移。最后在退化期，毛桿生長停止并脫落。在毛囊循環(huán)生長中，下2/3的毛囊的形態(tài)經(jīng)歷動態(tài)循環(huán)變化，而上1/3的結(jié)構(gòu)保持不變。在毛囊近立毛肌附著處，外根鞘隆突區(qū)含有永久存在的毛囊干細(xì)胞，這一部位稱毛囊隆突。另一個結(jié)構(gòu)，毛囊真皮乳頭是由一群具有神經(jīng)干細(xì)胞潛能的真皮細(xì)胞。毛囊干細(xì)胞的自我更新、分化和靜止特性是毛囊增生和循環(huán)生長的重要基礎(chǔ)。而毛囊真皮乳頭和上皮干細(xì)胞的相互信號作用，對毛囊的發(fā)育和再生都起到重要調(diào)控作用。

2 調(diào)節(jié)毛發(fā)生長的信號通路

毛囊胚胎期的形成與胚后周期性生長都需要毛囊干細(xì)胞和毛囊真皮乳頭干細(xì)胞間相互作用和信號的循環(huán)交換[5]。通過基因敲除等技術(shù)已證實Wnt/-catenin、骨形成蛋白（BMP）、sonic hedgehog（Shh)以及NF-B等信號分子在毛發(fā)生長中扮演著重要的角色。本文主要概述Wnt/-catenin、BMP以及Shh信號通路的調(diào)控機(jī)制。

2.1 Wnt/-catenin信號通路Wnt是最早被證實與毛囊誘導(dǎo)形成密切相關(guān)的因子。Wnt通過結(jié)合Frizzle受體，抑制骨架蛋白復(fù)合體對細(xì)胞漿內(nèi)分子-catenin的降解，穩(wěn)定的-catenin進(jìn)入核內(nèi)結(jié)合TGF/Lef轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)其下游靶基因的表達(dá)[6-7]。Wnt/-catenin信號是毛囊基板形成所必需的啟動因子，目前尚不清楚知道哪種W nt信號特異性的配體作用于起始毛囊發(fā)育。但是，通過對胚胎上皮干細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)：W nt/-catenin在調(diào)節(jié)上皮干細(xì)胞的活化過程中可能與整合素交互作用，這為其細(xì)胞間的信號傳導(dǎo)機(jī)理提供重要線索。整合素是存在于細(xì)胞膜上的細(xì)胞外基質(zhì)主要受體之一，能夠與游黏著斑激酶（FAK）相作用，形成細(xì)胞粘附復(fù)合物，對細(xì)胞的遷移和增生予以調(diào)控。Ridgway等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)特異性的刪除皮膚中的FAK基因能夠阻礙毛囊外根鞘隆突區(qū)上皮干細(xì)胞的分化，而FAK對于-catenin的核定位和活化以及-catenin靶基因c-myc的轉(zhuǎn)錄活化是這一過程中所必要的。由于缺少FAK的結(jié)合，整合素的構(gòu)型發(fā)生改變，繼而影響到其由胞內(nèi)向胞外的信號傳導(dǎo)。

Wnt/-catenin信號通路對毛囊發(fā)育的調(diào)控不是通過單一的信號途徑。其中Wnt/-catenin與EDA-A1/NF-B信號通路相互協(xié)調(diào)，并調(diào)控BMP信號通路是另一重要類型。ectodysplasin-A片段（EDA）和其受體ectodysplasin-A receptor（EDAR）在毛囊上皮中扮演Wnt/-catenin的下游靶基因[9]。Wnt/-catenin調(diào)節(jié)EDA/EDAR的表達(dá)，EDAR激活的EDA-A 1/NF-B信號通路。當(dāng)胚胎期小鼠缺失EDAR或EDA-A 1/NF-B的表達(dá)時，小鼠毛囊基板形成受阻；而EDAR含量增加時，小鼠形成毛囊基板變大。在間充質(zhì)干細(xì)胞中，EDA-A1/NF-B信號通路的激活又可對W nt信號起間接抑制作用[10]。這就為Wnt/-catenin信號通路在毛囊上皮－真皮細(xì)胞之間復(fù)雜作用機(jī)制提供一個負(fù)反饋模型。在毛囊發(fā)育和生長中，EDAR不僅與W nt/-catenin信號通路密切聯(lián)系，而且抑制BMP信號通路。

2.2 BMP信號通路BMP是屬于轉(zhuǎn)錄生長調(diào)節(jié)因子-（TGF-）家族[11]，是脊椎動物發(fā)育過程中重要的形態(tài)因子。在機(jī)體中，BMP通過與其特異性受體BMPR相結(jié)合，能夠和其他生長因子家族（Wnt、Shh、EGF、FGF以及神經(jīng)營養(yǎng)因子等）相互作用，調(diào)控包括皮膚在內(nèi)的多種器官組織中的細(xì)胞增殖、分化以及調(diào)亡過程[12]。在毛囊中，BMP信號抑制基板的形成，調(diào)節(jié)毛囊基質(zhì)前體細(xì)胞的增殖與分化，影響毛囊的形態(tài)發(fā)生。Noggin做為BMP拮抗體，表達(dá)在毛囊間充質(zhì)細(xì)胞中。Noggin對BMP的負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用誘導(dǎo)了胚胎期的毛囊形成和胚后的毛囊生長。在胚胎期的毛囊形成初期，刺激真皮細(xì)胞分泌Noggin，解除上皮基板細(xì)胞中BMP4b對周圍的上皮細(xì)胞中的Wnt信號的抑制作用，促進(jìn)Wnt/-catenin信號通路下游因子Lef-1的表達(dá)，進(jìn)而維持基板上皮細(xì)胞的增生[13]。在胚后的再生循環(huán)性生長中，BMP4的高表達(dá)或Noggin失活導(dǎo)致毛囊再生速度明顯下降，并表現(xiàn)出漸進(jìn)性禿發(fā)。另外，BM P的表達(dá)對維持上皮干細(xì)胞和真皮乳頭細(xì)胞的數(shù)量及調(diào)控毛囊上皮干細(xì)胞前體細(xì)胞分化中起到重要作用[14]。在毛囊中，BMPRIA是唯一表達(dá)的BMP受體，K rzysztof等[15]通過條件性敲除小鼠BMPRIA表達(dá)基因，導(dǎo)致毛囊上皮細(xì)胞內(nèi)GATA-3水平下調(diào)和Lef-1水平上調(diào)，而高表達(dá)的Lef-1不能克服因GATA-3的缺失所引起的上皮細(xì)胞分化抑制，最終小鼠IRS不能正常形成。這表明，BMP通過GATA-3對W nt/-catenin起到上游調(diào)控信號作用。與此同時，BM P還表現(xiàn)出依賴于其抑制物Sostdc1

的活性強(qiáng)度對毛囊上皮和真皮前體細(xì)胞的分化和遷移的調(diào)控。當(dāng)Sostdc1水平下降，BMP信號通路激活，毛囊上皮前體細(xì)胞的分化缺失；而當(dāng)Sostdc1水平上升時，這種缺失效應(yīng)被削弱。Clavel等[16]研究發(fā)現(xiàn)，通過敲除胚胎期真皮乳頭前體細(xì)胞中Sox2轉(zhuǎn)錄因子，真皮細(xì)胞中BMP6的表達(dá)上升，而Sostdc1的表達(dá)下調(diào)，乳頭前體細(xì)胞的遷移、凝集的速度下降。因此，抑制BMP信號通路是促進(jìn)毛囊上皮和真皮前體細(xì)胞分化不可或缺的因素。

如前所述，在調(diào)節(jié)毛囊發(fā)育過程中，BMP信號還能夠與EDA/EDAR介導(dǎo)的胞內(nèi)信號相互作用。在細(xì)胞中，EDAR通過激活EDA-A1/NF-B信號，誘導(dǎo)BMP的表達(dá)。Pumm ila等[17]研究發(fā)現(xiàn)外源性的Noggin能夠修復(fù)EDA缺陷皮膚中的毛囊基板形成，暗示了高表達(dá)的BMP對EDA信號卻產(chǎn)生抑制效應(yīng)。因此，EDA/ EDAR介導(dǎo)的信號通路與Wnt、BMP信號通路形成一個復(fù)雜的負(fù)反饋循環(huán)，EDA/EDARs是其中重要的信號中轉(zhuǎn)站。進(jìn)一步的研究表明，EDA/EDAR通過EDA-A 1/NF-介導(dǎo)的信號通路與相當(dāng)廣泛的毛囊形態(tài)因子作用，其中Shh信號通路就是即W nt和BMP以外的又一成員。

2.3 Shh信號通路Shh主要在毛囊上皮細(xì)胞中表達(dá)，是參與毛囊胚胎形態(tài)發(fā)生以及后期的分化過程的重要信號分子[18]。Shh和跨膜蛋白PTCH結(jié)合，釋放細(xì)胞表面受體SMO活性，激活轉(zhuǎn)錄因子Gli。Mill等[19]研究發(fā)現(xiàn)，Gli2基因缺陷型小鼠與Shh基因缺陷型小鼠有類似的毛囊發(fā)育表型，例如毛囊基板上皮細(xì)胞增殖速度下降，毛囊基板內(nèi)陷和進(jìn)一步分化生長受阻，毛囊數(shù)目減少，最終形成禿發(fā)。近期，通過對EDA/EDAR的研究，對以上形態(tài)表現(xiàn)相關(guān)的分子生物學(xué)機(jī)理的理解給予一定的闡述。在基板上皮中，Wnt/-catenin激活EDA/EDAR/ NF-B信號通路，調(diào)控與毛囊基板上皮細(xì)胞中Shh相關(guān)的細(xì)胞周期蛋白cyclinD1、cyclinD2活性，促進(jìn)上皮細(xì)胞增殖，維持上皮細(xì)胞的動態(tài)平衡。如前所述，信號傳導(dǎo)通路通過細(xì)胞與細(xì)胞間的相互作用影響毛囊發(fā)育和生長。由于上皮細(xì)胞的信號改變，影響到毛囊真皮細(xì)胞的信號因子的表達(dá)，進(jìn)而造毛囊真皮乳頭的形態(tài)功能的改變。真皮乳頭中Noggin因子的表達(dá)是毛囊乳頭發(fā)育成熟，并具有誘導(dǎo)毛囊生成能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。近年來，Gao等[20]研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)所形成的基底膜中重要組成成分lam inin-511突變，使得真皮乳頭細(xì)胞不能表達(dá)形態(tài)發(fā)生因子Noggin。Gao等[20]通過對這一表型的分子信號學(xué)分析，首次對細(xì)胞間相互作用的機(jī)理有了突破性理解。具體機(jī)制如下：由毛囊基底層上皮細(xì)胞分泌的laminin-511與其在間充質(zhì)細(xì)胞膜上的受體integrin亞基結(jié)合，促進(jìn)初級絨毛的形成，進(jìn)而激活Shh蛋白下游信號分子的活性；上皮細(xì)胞分泌的血小板衍生生長因子（PDGF）與間充質(zhì)細(xì)胞膜上PDGF受體PDGFR結(jié)合，在兩條通路的共同作用下，刺激間充質(zhì)細(xì)胞分泌Noggin因子，去除BMP對毛囊生成的抑制效應(yīng)。對以上機(jī)理進(jìn)行概述，即在調(diào)控毛囊器官形成中，Nogginlam inin-511-Shh通過信號循環(huán)反饋通路誘導(dǎo)毛囊上皮細(xì)胞-基底膜-真皮細(xì)胞相互作用，從而誘導(dǎo)基板細(xì)胞增生和真皮乳頭形成。

3 展望

胚胎毛囊發(fā)育和成年毛囊再生是高度相關(guān)的進(jìn)程，兩者都依賴于干細(xì)胞群通過高度協(xié)調(diào)的和逐步的程序進(jìn)行分化產(chǎn)生完整的毛囊結(jié)構(gòu)。在這里，筆者概括總結(jié)了目前已理解的信號傳導(dǎo)通路對毛囊發(fā)育和再生調(diào)控的機(jī)制。但是，相對參與組織發(fā)育和平衡的龐大的信號網(wǎng)絡(luò)來說，這只是一個開始。通過基因突變等遺傳工程手段，所獲取的疾病動物模型，為研究毛囊疾病的機(jī)理和開發(fā)有效的治療手段，提供有力的手段。但是，在大多數(shù)人類疾病中，微小的多個基因改變可導(dǎo)致嚴(yán)重的病理表型，甚至致命。這些突變的微小性和復(fù)雜性，很難利用現(xiàn)有的基因敲除等手段建立研究模型并徹底揭示其致病機(jī)制。近年來，誘導(dǎo)式多能性干細(xì)胞（iPS）的出現(xiàn)和其能分化成各類毛囊角化細(xì)胞的能力，結(jié)合高產(chǎn)量的測序手段，使得我們在不久的將來不僅可識別那些與疾病有關(guān)的基因變化，也能通過移植人iPS至免疫缺陷小鼠體內(nèi)，模擬這些疾病中皮膚和毛囊的疾病模型，從而為治療人類毛囊疾病打開新的篇章。

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10.3969/j.issn.1671-0800.2014.06.082

R318

C

1671-0800(2014)06-0781-04

國家自然科學(xué)基金（81101206），寧波市自然科學(xué)基金（2013A610253）

315211 寧波，寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院（楊夢潔、高晶）；寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院（林蕾）

高晶，Email：cjinggao@gmail.com