綿、山羊毛囊發(fā)育與毛發(fā)彎曲機(jī)制研究進(jìn)展

肖 平，仲 濤，劉占發(fā)，浦亞斌，馬月輝，趙倩君*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)部動物遺傳育種與繁殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物遺傳育種研究所，成都611130； 3.寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)山羊選育場，吳忠 751706)

表皮、毛皮質(zhì)以及毛髓質(zhì)(部分毛發(fā)具有)組成毛發(fā)的基本結(jié)構(gòu)，它們也是毛發(fā)形態(tài)直接的表現(xiàn)形式。毛發(fā)的彎曲具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制和結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象包括簡單的單一彎曲(bending)以及較復(fù)雜的螺旋扭曲(twisting)；并且在物種間和物種內(nèi)，以及不同時(shí)期存在特異性，單一的機(jī)制假說不能支撐整個(gè)毛發(fā)彎曲現(xiàn)象[1]。

動物毛發(fā)纖維一直作為人類毛紡織品的原材料，其形態(tài)的變化決定了質(zhì)量的好壞。羊毛的彎曲情況對加工過程、最終紡織品的特性以及所帶來的產(chǎn)品價(jià)值都有直接的影響。幾十年來，從通過對不同地域和血統(tǒng)的人類毛發(fā)彎曲程度的不同進(jìn)行逐漸深入的研究，到對其他哺乳動物毛發(fā)特征性或異常性彎曲的研究，已經(jīng)探索出許多可能存在的產(chǎn)生特異性彎曲現(xiàn)象的機(jī)制假說和機(jī)理，甚至是可能僅適用于某一物種的調(diào)節(jié)通路和參與的具體基因和因子。近年的研究已經(jīng)逐漸對這些不同彎曲現(xiàn)象的產(chǎn)生進(jìn)行了系統(tǒng)化的歸納總結(jié)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，這讓不同的特征現(xiàn)象可以做出多種調(diào)控方式的預(yù)測，但是這些較詳細(xì)的機(jī)理仍有不完整的結(jié)構(gòu)[2]。另外，同一物種可能會出現(xiàn)不同生長周期其毛發(fā)彎曲程度不同的現(xiàn)象，這樣的動態(tài)調(diào)控機(jī)制也尚不明確[3]，如綿、山羊羔羊裘皮存在不同生長時(shí)期的羊毛彎曲差異性。中衛(wèi)山羊、灘羊的羔羊裘皮是著名的裘皮產(chǎn)品，羔羊在35日齡時(shí)具有質(zhì)量上乘的裘皮，隨著生長其裘皮上的羊毛彎曲程度、形態(tài)的整齊度及美觀程度下降，失去了整體價(jià)值。隨著高通量測序技術(shù)的日趨成熟，對特異性的基因表達(dá)以及表觀遺傳信息進(jìn)行探究變?yōu)榭赡?。不斷發(fā)展的生物技術(shù)也使我們可以對人類、小鼠等哺乳動物毛發(fā)以及羊毛彎曲現(xiàn)象產(chǎn)生的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行探究和綜述，對造成羔羊毛發(fā)動態(tài)彎曲現(xiàn)象的因素進(jìn)行探索，為今后改善羊毛彎曲程度，使其在較長日齡的情況下依然保持其花案的清晰和美觀性，為獲得品質(zhì)優(yōu)良的羊毛制品和精美裘皮提供可能性。

1 毛囊結(jié)構(gòu)及其形態(tài)的發(fā)生

1.1 毛囊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

發(fā)育完全的成熟初級毛囊組織除了毛囊本身以外，一般還具有立毛肌、皮脂腺以及汗腺等附屬結(jié)構(gòu)，毛囊就像一個(gè)層層包裹的洋蔥一樣，共有7層細(xì)胞以圍繞毛發(fā)纖維的方式有序排列(圖1)。大多數(shù)的細(xì)胞層都接受特異性的分化調(diào)控，具有獨(dú)特的分化特性。大多數(shù)細(xì)胞的類型都屬于上皮細(xì)胞，除了位于毛球底部的真皮乳頭其余均位于真皮層，屬于間充質(zhì)細(xì)胞。真皮乳頭兩端分別與毛囊的上皮細(xì)胞和底端結(jié)締組織鞘相連，在功能上通過不同的分裂、增殖、分化程度來調(diào)節(jié)毛發(fā)生長速度和周期。

1.2 毛囊的形態(tài)發(fā)生特點(diǎn)

初級毛囊生長過程的啟動是從胚胎時(shí)期開始的，對于綿羊來說在胚胎期70 d左右毛囊開始發(fā)育，在綿羊中初級毛囊在皮膚上的密度基本上都相差無幾[4-5]。次級毛囊在綿羊胚胎期85 d左右開始發(fā)育，并且次級毛囊包圍在初級毛囊周圍，與初級毛囊形成較明顯的簇集現(xiàn)象。短暫擴(kuò)增細(xì)胞(transit-amplifying cells，TACs)是作為上皮祖細(xì)胞經(jīng)過間充質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)后的過渡細(xì)胞，以毛囊中央為軸心特異性分化出不同的上皮終末端細(xì)胞，形成毛囊結(jié)構(gòu)不同細(xì)胞層，從而行使著不同的功能[6]。

2 毛發(fā)彎曲的形態(tài)特征及各組分對彎曲形成的作用

通常毛發(fā)根據(jù)彎曲程度的不同，將彎曲的類型分為普通彎曲(bend)、波紋狀彎曲(wave)、扭曲無規(guī)則彎曲(twist)和緊密螺旋狀彎曲(crimp)，而這些不同的彎曲結(jié)果被認(rèn)為是毛發(fā)結(jié)構(gòu)蛋白的不同組合以及毛發(fā)生長調(diào)節(jié)因子的差異分布造成的[2]。通常情況下，并不存在絕對意義上的直發(fā)，只是在相對意義上相同自然長度(不受拉伸影響)的毛發(fā)經(jīng)過外力的拉伸(不過度拉伸，不引發(fā)彈性勢力的變化)，一般認(rèn)為，長度變化較大的毛發(fā)擁有更大的彎曲程度。2015年李新海等[7]對中衛(wèi)山羊兩個(gè)不同時(shí)期的羊毛彎曲進(jìn)行了表型分析，發(fā)現(xiàn)在17.5日齡后彎曲的羊毛開始變直，這一現(xiàn)象為今后羊毛彎曲生長發(fā)育機(jī)制的研究提供了依據(jù)。從形成彎曲形態(tài)的表面因素考慮，不難發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)槊蓛蓚?cè)的組織生長速度不同造成的，毛發(fā)彎曲的凸側(cè)面生長速度更快，而凹側(cè)面生長速度相對較慢。這種兩側(cè)的生長速度差異被認(rèn)為是胚胎發(fā)育時(shí)期甚至更早就存在的非對稱表達(dá)現(xiàn)象造成的[8-9]。一般來說，具有彎曲現(xiàn)象的毛發(fā)橫截面都會呈現(xiàn)單軸對稱的星狀、橢圓或豆樣的形狀[10-11]，并且內(nèi)外兩側(cè)毛發(fā)的表面由于角化的時(shí)間不同，通常生長速度較慢的內(nèi)側(cè)表面角質(zhì)的過程較早完成，呈現(xiàn)出“V”型的角化鱗片痕跡[11]。近年來，對各種彎曲現(xiàn)象可能形成的機(jī)制也有較多的研究，為今后在羊毛彎曲現(xiàn)象的探究奠定了較深厚的基礎(chǔ)。

圖1 毛囊球部的細(xì)胞組成情況[4]Fig.1 A detailed drawing of the cellular compartments of the hair follicle bulb[4]

2.1 皮質(zhì)層對毛發(fā)彎曲形成的影響

構(gòu)成羊毛纖維的主體是皮質(zhì)層，它大約占羊毛總重量的90%，因此通過成分比例以及近年的研究報(bào)道，可以推斷皮質(zhì)層在羊毛彎曲中有著重要的結(jié)構(gòu)支撐。皮質(zhì)層大體可以分為正皮質(zhì)、副皮質(zhì)和少數(shù)的中間皮質(zhì)[12]，早期在羊毛上的研究認(rèn)為，生長速度較慢的副皮質(zhì)細(xì)胞和生長速度更快的正皮質(zhì)細(xì)胞是導(dǎo)致毛發(fā)彎曲的主要原因[13]。兩種不同的皮質(zhì)區(qū)域也擁有不一樣的結(jié)構(gòu)特征。正皮質(zhì)含有的是富含甘氨酸/酪氨酸的角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白(keratin associated protein, KAP)，副皮質(zhì)含有高硫型KAPS，導(dǎo)致正皮質(zhì)受到失水的影響更大，從而讓更多的角蛋白中間絲(keratin intermediate filament, KIF)傾向于在正皮質(zhì)聚集，因此，許多研究通過不同皮質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白成分的特異排布將正、副皮質(zhì)區(qū)分開來[14-15]。早期就有研究發(fā)現(xiàn)，羊毛具有正、副皮質(zhì)雙邊排列的特征，結(jié)合上述結(jié)構(gòu)蛋白的特異分布，認(rèn)為這樣的特點(diǎn)與羊毛彎曲有直接的關(guān)系[16]。有研究發(fā)現(xiàn)，雖然各結(jié)構(gòu)蛋白在不同區(qū)域有明顯的分布特點(diǎn)，Harland等[17]發(fā)現(xiàn)，羊毛的正皮質(zhì)相比于副皮質(zhì)雖然擁有更多的KIF成分，但是其結(jié)果與毛發(fā)彎曲并沒有顯著的關(guān)聯(lián)。2014年Harland等[18]報(bào)道，人毛發(fā)中KIF排列形成的巨纖維束(macrofibrils)的直徑大小與形成的雙扭結(jié)構(gòu)(double-twist architecture)的角度成反比關(guān)系，也就是說，毛發(fā)纖維中的中間絲形成的巨纖維束大小與這樣的扭轉(zhuǎn)壓力有直接的關(guān)系，然而這種單位面積上的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對皮質(zhì)層結(jié)構(gòu)以及毛發(fā)特性的影響有待進(jìn)一步探究。Wortmann等[1]使用差示掃描熱量法對美利奴羊毛、非洲人和亞洲人毛發(fā)進(jìn)行反褶積的過程來消除毛發(fā)不同程度的彎曲，發(fā)現(xiàn)各皮質(zhì)區(qū)域的組分與所預(yù)期的結(jié)果一致，但是組分和彎曲并沒有很大的關(guān)系，說明正、副皮質(zhì)排列的特性引起毛發(fā)彎曲的假說有待商榷。Hynd等[15]在對美利奴羊毛的研究中提出，皮質(zhì)細(xì)胞在毛球上方附近的角化區(qū)域(keratinisation zone)進(jìn)行角化修飾，毛發(fā)纖維生長速度和在此區(qū)域的角化速度是造成毛發(fā)是否彎曲以及彎曲程度大小的決定因素，他們認(rèn)為，從毛球向上生長速度較角化速度慢的纖維會導(dǎo)致其角化過程在毛囊近端就已經(jīng)完成，因此會導(dǎo)致羊毛產(chǎn)生大的扭轉(zhuǎn)壓力，使纖維快速地偏轉(zhuǎn)，從而形成彎曲程度較明顯的羊毛。在某一毛發(fā)生長周期整個(gè)過程中(如生長期到休止期)會出現(xiàn)生長速度的差異，而同一根毛發(fā)彎曲程度的不同就間接地證明了這一過程。

2.2 內(nèi)根鞘對毛發(fā)彎曲形成的影響

毛囊內(nèi)的內(nèi)根鞘層由外到內(nèi)大體分為Henle層、Huxley層和內(nèi)根鞘角質(zhì)層[19]。最初在對人毛發(fā)進(jìn)行研究時(shí)認(rèn)為，最里層的內(nèi)根鞘角質(zhì)層與毛干結(jié)合非常牢固，認(rèn)為它只具有包裹向外生長的毛干，保護(hù)及穩(wěn)定其位置的作用。Henle層由于其較慢的生長速度是最早被角化的區(qū)域，因此具有保護(hù)其他兩層內(nèi)根鞘以及毛干的作用[2]。隨后發(fā)現(xiàn)，位于中間的Huxley層細(xì)胞具有分泌角蛋白的作用，而與其有互作效應(yīng)的毛透明蛋白(trichohyalin, TCHH)只有在角蛋白表達(dá)的區(qū)域出現(xiàn)[20-21]，擁有使角蛋白硬化的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，人類的TCHH基因以及相關(guān)肽基精氨酸脫亞胺酶(PAD)和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶3(TGM3)的變異會導(dǎo)致內(nèi)根鞘硬化過程受阻，從而導(dǎo)致蓬發(fā)綜合征的產(chǎn)生，也是使彎曲毛發(fā)產(chǎn)生的原因之一[22]。另外，在Henle和 Huxley層之間還發(fā)現(xiàn)有名為Flügelzellen的空間結(jié)構(gòu)，最新的研究認(rèn)為這個(gè)結(jié)構(gòu)與內(nèi)根鞘的空間穩(wěn)定有一定的關(guān)系[23-24]。

2.3 真皮乳頭對毛發(fā)彎曲形成的影響

真皮乳頭作為鑲嵌在毛囊內(nèi)部為數(shù)不多的間充質(zhì)細(xì)胞，對間充質(zhì)-上皮細(xì)胞互相轉(zhuǎn)化(MET/EMT)、誘導(dǎo)上皮祖細(xì)胞形成毛囊各細(xì)胞層、上皮細(xì)胞的生長與分化以及對后來毛發(fā)的形態(tài)和生長周期起到調(diào)節(jié)作用[25-26]。真皮乳頭在毛球底部不均勻分布被認(rèn)為是造成不同區(qū)域的角化上皮細(xì)胞生長速度產(chǎn)生差異的重要原因，因此真皮乳頭的分布情況對于毛發(fā)彎曲起到了至關(guān)重要的作用。Chi等[25]利用可在體內(nèi)對真皮乳頭細(xì)胞進(jìn)行選擇性消融的小鼠進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行真皮乳頭細(xì)胞的消融會對接下來的毛發(fā)生長周期產(chǎn)生影響，正常的直發(fā)會變成鋸齒狀毛發(fā)(zigzag hair)，并且過度的細(xì)胞消融會導(dǎo)致接下來的生長周期里毛發(fā)生長緩慢甚至停止生長。另外，由于毛囊基底的增殖基質(zhì)細(xì)胞的不對稱分布導(dǎo)致了橫截面為扁平非規(guī)則的毛發(fā)纖維的產(chǎn)生，而增殖基質(zhì)細(xì)胞(為有絲分裂細(xì)胞)的生長正是受真皮乳頭所控制，這也鞏固了真皮乳頭分布與纖維形狀的對應(yīng)關(guān)系。Nissimov和Das Chaudhuri[11]在2014年提出了人類毛囊生長受毛球基底分裂的多個(gè)真皮乳頭中心(multiple papillary centres, MPC)調(diào)控的假說，認(rèn)為毛干橫截面因?yàn)榫哂写蟮臋E圓率(ellipticity index, 最長軸/最短軸)而導(dǎo)致的毛發(fā)彎曲是因?yàn)槊业撞康恼嫫と轭^出現(xiàn)了部分分離，從而產(chǎn)生以不同的分離乳頭頂端為軸心生長的多個(gè)經(jīng)角質(zhì)層包裹在一起的毛發(fā)纖維，并且乳頭細(xì)胞分離的程度越大，每個(gè)亞單位結(jié)構(gòu)越獨(dú)立，不同的調(diào)控中心使它們的生長速度有所差異而導(dǎo)致彎曲的產(chǎn)生(圖2)。2017年Yang等[6]在已知毛囊形成過程中MET/EMT互作效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對小鼠被毛毛干細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞測序，發(fā)現(xiàn)真皮乳頭的某種分子信號異質(zhì)性導(dǎo)致與其產(chǎn)生信號溝通的上皮干細(xì)胞出現(xiàn)特異性的細(xì)胞分化，根據(jù)真皮乳頭不同區(qū)域的間充質(zhì)信號形成以同心圓形式排列的7種不同細(xì)胞類型的TACs，從而分化為毛囊組織的多種結(jié)構(gòu)(圖3)。然而這種真皮乳頭異質(zhì)性導(dǎo)致的上皮細(xì)胞特異性分化的機(jī)制還不得而知，而這種間充質(zhì)信號出現(xiàn)障礙或失調(diào)是否是引起毛發(fā)纖維生長速度差異的原因也尚待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

圖2 真皮乳頭多中心調(diào)控機(jī)制的產(chǎn)生及對各上皮細(xì)胞層的影響[11]Fig.2 Schematic representation of the development of a multi-papilla follicle and its effects on hair follicle formation[11]

CP. 外根鞘伴生層；DP. 真皮乳頭；HS. 毛干；IRS. 內(nèi)根鞘；LPC. 真皮乳頭近端細(xì)胞；TACs. 短暫擴(kuò)增細(xì)胞CP. Companion layer; DP. Dermal papilla; HS. Hair shaft; IRS. Inner root sheath; LPC. Lower proximal cup; TACs. Transient-amplifying cells圖3 真皮乳頭的異質(zhì)性誘導(dǎo)上皮短暫擴(kuò)增細(xì)胞(TACs)特異性分化示意圖[6]Fig.3 Schematic representations of TACs specified differentiations induced by heterogeneous dermal papilla[6]

3 毛發(fā)彎曲性狀相關(guān)基因及其網(wǎng)絡(luò)調(diào)控

隨著研究技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了在人、小鼠、羊等哺乳動物毛囊發(fā)育過程中對毛發(fā)形狀有直接或間接影響的分子調(diào)控機(jī)理，為更深入地探尋毛發(fā)彎曲形態(tài)以及羊毛動態(tài)彎曲現(xiàn)象的復(fù)雜調(diào)控過程提供了可能性。

3.1 毛囊各結(jié)構(gòu)影響毛發(fā)彎曲的生物分子基礎(chǔ)

TCHH是一種在毛囊內(nèi)根鞘特異性表達(dá)的基因，它與內(nèi)根鞘生長過程的角蛋白硬化相關(guān)。Medland等[27]利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)發(fā)現(xiàn)，在全球范圍內(nèi)的人種中，北歐人擁有最高的TCHH(rs11803731)變異率，與原始等位基因相比存在針對于歐洲人群更高比例的直發(fā)性狀，這與Wu等[28]發(fā)現(xiàn)的外異蛋白受體(ectodysplasin receptor, EDAR) (rs3827760)在漢族人群中具有較高的突變率相對應(yīng)，而這兩種基因并沒有較大的相關(guān)性。再根據(jù)它們不同的表達(dá)部位和作用功能[29-31]，可以推斷，這兩個(gè)基因是在不同的機(jī)制下對毛發(fā)的形狀進(jìn)行著調(diào)節(jié)。Adhikari等[32]同樣使用GWAS對擁有歐洲、美洲土著、非洲血統(tǒng)的拉丁裔人群(6 630人)進(jìn)行毛發(fā)特征的關(guān)聯(lián)分析，除了發(fā)現(xiàn)以前在其他人群有過報(bào)道與毛發(fā)彎曲相關(guān)的基因TCHH和EDAR有多態(tài)變異外，還發(fā)現(xiàn)了尚未報(bào)道過的絲氨酸蛋白酶S1家族成員53a(protease serine S1 family member 53a, PRSS53)也存在較大的毛發(fā)形狀關(guān)聯(lián)性，這是一種在內(nèi)根鞘特異性高表達(dá)的蛋白修飾酶。通過試驗(yàn)驗(yàn)證也發(fā)現(xiàn)，PRSS53的rs11150606位點(diǎn)的非同義突變導(dǎo)致的氨基酸替換，影響了基因編碼的絲氨酸蛋白酶的活性，從而影響了內(nèi)根鞘角質(zhì)細(xì)胞對纖維的結(jié)構(gòu)角化和內(nèi)根鞘的角化，從而對纖維形狀進(jìn)行改變，也再一次強(qiáng)調(diào)了內(nèi)根鞘結(jié)構(gòu)對毛發(fā)形狀塑造的重要性。同樣采用GWAS的方法，狄江等[33]對新疆細(xì)毛羊的羊毛彎曲頻率進(jìn)行基因分型，檢測到18個(gè)與細(xì)羊毛彎曲頻率性狀顯著關(guān)聯(lián)的SNPs，為進(jìn)一步揭示羊毛彎曲性狀的遺傳機(jī)理提供可能。2017年，張文建等[34]利用CCNY基因的前期研究報(bào)道，在知道其與羊毛細(xì)度相關(guān)的情況下，使用Sanger法混池測序找到3個(gè)SNPs位點(diǎn)，這些位點(diǎn)為今后控制羊毛細(xì)度的分子選育提供了參考。

毛發(fā)纖維主要由角蛋白組成，角蛋白的成分差異也是造成毛發(fā)形態(tài)多樣化的直接因素，而表達(dá)這些結(jié)構(gòu)蛋白的是角蛋白(KRT)和KAP基因[35]。Yu等[36]在建立的綿羊cDNA文庫中發(fā)現(xiàn)了9個(gè)以前未見報(bào)道的KRT基因，并且發(fā)現(xiàn)KRT40、KRT82和KRT84是在纖維角質(zhì)層特異性表達(dá)的基因，另外11個(gè)KRT基因在皮質(zhì)層特異性表達(dá)，因此認(rèn)為，這些不同的組織間隔區(qū)域是這些基因行使它們調(diào)控作用的原因。2013年Gandolfi等[37]發(fā)現(xiàn)，塞爾凱克卷毛貓具有蓬松卷曲和相對粗直的兩種毛發(fā)特征，分析認(rèn)為是KRT71基因編碼區(qū)的一個(gè)非同義突變導(dǎo)致了蛋白結(jié)構(gòu)的變化，形成蓬松卷曲性狀。中國灘羊從羔羊到成年會發(fā)生毛發(fā)彎曲性狀的動態(tài)變化，通過高通量轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)，存在性狀差異的兩個(gè)時(shí)期(1和48月齡)包括TCHH、KRT基因家族等與毛發(fā)纖維結(jié)構(gòu)相關(guān)的差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本，另外，可變剪接分析發(fā)現(xiàn)，金屬硫蛋白亞型3(metallothionein 3 isoform)在1月齡羔羊皮膚中高表達(dá)，這可能和早期彎曲羊毛的形成有很大的相關(guān)性[38]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在灘羊羔羊生長成為成年羊的過程中，其毛發(fā)卷曲的消失是因?yàn)镵RT71受到骨髓鋅指轉(zhuǎn)錄因子MZF1在其啟動子區(qū)域的負(fù)調(diào)控作用導(dǎo)致它的表達(dá)量下降造成的[39]。同樣是灘羊在生長過程中的羊毛卷曲消失的現(xiàn)象，新的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)化酶相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄因子CAP1對KRT83 5′UTR區(qū)的結(jié)合會導(dǎo)致其表達(dá)量下降，從而引起彎曲的消失[40]。除了序列上游區(qū)域?qū)Ｒ豢刂破湎掠尉幋a基因之外，Zhao等[41]還發(fā)現(xiàn)，綿羊KRTAP11-1的啟動子區(qū)域可以控制其他與毛發(fā)特征相關(guān)的基因，從而控制毛發(fā)的生長。除了角蛋白和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白的控制外，毛發(fā)的特征可能還會受到普通調(diào)控因子的影響。Demars等[42]利用數(shù)量性狀基因座(QTL)定位克隆的方式對全球范圍內(nèi)不同品種綿羊的毛發(fā)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)IRF2BP2基因由于DNA序列被EIF2S2基因的反義鏈插入到3'端，導(dǎo)致翻譯后的mRNA與正常的EIF2S2 mRNA產(chǎn)生互補(bǔ)，引起RNA-RNA雜交的現(xiàn)象形成雙鏈RNA，從而造成兩個(gè)基因的正常翻譯受阻，導(dǎo)致綿羊羊毛卷曲。

真皮乳頭細(xì)胞作為間充質(zhì)細(xì)胞，通過信號傳導(dǎo)的方式對上皮祖細(xì)胞的分化起到精細(xì)的調(diào)控作用，是毛發(fā)各層細(xì)胞生長的“總控室”[43]。在離體的人真皮乳頭細(xì)胞中使用雄性激素進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)其增殖的標(biāo)志基因KRT6的表達(dá)量減少，證明了雄性激素是通過促進(jìn)Wnt拮抗劑GSK3β的表達(dá)來抑制毛發(fā)誘導(dǎo)分化的進(jìn)程[44]。人的真皮乳頭細(xì)胞對毛發(fā)生長的誘導(dǎo)能力是通過Wnt/β-catenin通路進(jìn)行控制的，對下游T細(xì)胞因子TCF4基因的表達(dá)進(jìn)行抑制后發(fā)現(xiàn)，真皮乳頭的增殖能力下降，并且其誘導(dǎo)能力受到阻礙[45]。CD133作為真皮乳頭細(xì)胞中Wnt通路的上游激活劑以及誘導(dǎo)毛發(fā)生長的標(biāo)志基因，其可以維持真皮乳頭細(xì)胞在離體情況下依然擁有較良好的誘導(dǎo)角質(zhì)形成細(xì)胞生長的能力[46]。有研究發(fā)現(xiàn)，真皮乳頭誘導(dǎo)能力的具體機(jī)制中還包括了H19、HOTAIR等長鏈非編碼基因?qū)nt通路中編碼基因的調(diào)節(jié)，從而控制它們誘導(dǎo)上皮細(xì)胞的能力[47]。

3.2 相關(guān)分子的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控關(guān)系

毛發(fā)彎曲的調(diào)節(jié)機(jī)制與毛囊形態(tài)發(fā)育的通路密切相關(guān)，通路的活性異常以及通路調(diào)控分子呈現(xiàn)的多態(tài)性是導(dǎo)致毛囊形態(tài)以及衍生物多樣性的原因。近年的研究發(fā)現(xiàn)，Wnt、EDA/EDAR、EGFR、BMP、NF-κB、Shh等經(jīng)典信號通路與毛發(fā)彎曲有著直接或間接的聯(lián)系(圖4)[48-51]。除此之外，由于具有通過真皮乳頭誘導(dǎo)調(diào)節(jié)毛發(fā)重新生長的功能，哺乳動物的雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路也被提出與真皮乳頭的差異生長導(dǎo)致毛發(fā)彎曲有關(guān)[11]。

Wnt復(fù)合物通過對GSK3β的超磷酸化促進(jìn)β-連環(huán)蛋白(β-catenin)表達(dá)，使其作為銜接分子促使E-鈣黏著蛋白(E-cadherin)和中間絲進(jìn)行附著連接，穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)[52]。活化的β-catenin影響一系列轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，淋巴增強(qiáng)因子1(LEF1)作為上游基因促進(jìn)另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子homeobox(Hox)的表達(dá)，Hox作為KRTs、KAPs和其他毛發(fā)相關(guān)蛋白基因的啟動子結(jié)合區(qū)域?qū)γl(fā)結(jié)構(gòu)生長起著重要的作用[53]。EDAR作為Wnt/β-catenin通路的重要轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，其對下游重要的樞紐基因NF-κB有著調(diào)節(jié)作用，并且EDAR本身對人毛發(fā)的直徑和彎曲就有影響[54]。牛姝等[55]利用免疫組織化學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，綿羊不同部位皮膚KRT71和β-catenin的蛋白水平有差異，且它們的表達(dá)量與毛發(fā)彎曲呈正相關(guān)，證明這些蛋白在毛發(fā)彎曲中可能起著促進(jìn)作用。作為調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中重要的樞紐，轉(zhuǎn)錄因子NF-κB對下游多個(gè)與毛發(fā)生長相關(guān)的通路及標(biāo)志基因起著調(diào)控作用，如Wnt10a和Wnt10b，它們對上皮細(xì)胞的分化和毛干的生長有重要影響[56]。作為EDAR通過NF-κB的靶基因，Dkk4具有抑制Wnt通路活性的作用，并且已有報(bào)道其對鋸齒狀毛發(fā)的形成有促進(jìn)作用[57]。內(nèi)根鞘特異性定位的GATA3蛋白通過上游SMAD4通路的激活呈現(xiàn)高表達(dá)的狀態(tài)，與毛纖維的角化修飾具有關(guān)聯(lián)性，從而影響其區(qū)域性的硬化程度，同時(shí)也會促進(jìn)下游TCHH的表達(dá)[27]。SMAD4同樣會激活Msx，從而決定上皮細(xì)胞增殖或分化的速度[58]。COX2通過IL-1激活PLA而獲得花生四烯酸底物，從而激活反饋機(jī)制，促進(jìn)NF-κB[59]，影響毛發(fā)生長周期[60]。Sostdc1 具有調(diào)節(jié)毛發(fā)生長和成骨過程的作用，受到維生素D受體基因(VDR)的負(fù)調(diào)控[61]，而VDR通常和維甲類X受體(RXR)形成二聚化復(fù)合物來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子代謝。在小鼠模型中，上皮生長因子受體(EGFR)受到COX2/GPCRs通路的調(diào)控，其非同義突變導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)波浪毛發(fā)[62]。Wnt通過促使GSK3β超磷酸化以及隨后一系列的磷酸化負(fù)調(diào)控作用導(dǎo)致mTOR通路被激活，從而在毛囊發(fā)育早期引起增殖抑制而促進(jìn)分化的過程，mTOR通路在真皮乳頭的局部性激活可能導(dǎo)致真皮乳頭的不對稱生長，從而引起毛發(fā)彎曲[11]。

圖4 毛發(fā)形態(tài)發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Gene regulation network related to hair formation

4 彎曲毛發(fā)發(fā)育與個(gè)體發(fā)育進(jìn)程的關(guān)系

毛囊是在胚胎早期有規(guī)律的表皮退化，上皮組織內(nèi)陷而形成的[63]，因此可以推測，毛發(fā)的形態(tài)變化可能在不同時(shí)期會受到不同基因通路的調(diào)控。例如與毛發(fā)形態(tài)相關(guān)的Wnt10a基因在開始的毛發(fā)生長周期與隨后的生長周期相比是上調(diào)的，它的位點(diǎn)突變也會導(dǎo)致毛發(fā)生長障礙[64]。具有非洲血統(tǒng)的小孩可能在出生后的12個(gè)月內(nèi)都是疏松的卷發(fā)，而這段時(shí)間以后會長出更加緊致、彎曲程度更強(qiáng)的卷發(fā)[65]。對敖漢細(xì)毛羊從出生前到羔羊共4個(gè)時(shí)期的EphA2及其配體基因EphrinA2在毛囊中的表達(dá)規(guī)律進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)它們與出生前的毛囊形態(tài)發(fā)生、發(fā)育密切相關(guān)[66]。此外，在美利奴羊中存在一種“felting lustre mutant”的羊毛現(xiàn)象，即出生后相繼生長出3種差異卷曲的羊毛[3]，推測可能第一毛囊生長周期受到了與胚胎發(fā)育過程相關(guān)的分子調(diào)控，而其余時(shí)期并沒有，但這樣的可能性有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

5 總結(jié)與展望

皮質(zhì)層作為毛發(fā)纖維的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，近年提出的正、副皮質(zhì)特征分布、中間絲的巨纖維束與毛發(fā)纖維扭轉(zhuǎn)壓力的關(guān)系以及皮質(zhì)細(xì)胞的生長與角化的相對速度對羊毛和動物毛發(fā)彎曲的影響都有待進(jìn)一步的探究。另外，內(nèi)根鞘的存在不僅支撐和保護(hù)了毛發(fā)纖維的生長，并且對其形狀、大小有參與的作用，甚至在結(jié)構(gòu)上對毛發(fā)纖維的彎曲都有可能進(jìn)行較廣范圍的塑造。真皮乳頭作為有絲分裂細(xì)胞生長增殖以及分化的調(diào)解中心，可以認(rèn)為它是調(diào)節(jié)纖維形態(tài)的啟動者，因此真皮乳頭的誘導(dǎo)若出現(xiàn)障礙或失調(diào)會導(dǎo)致毛囊細(xì)胞層的不對稱生長，因而導(dǎo)致毛發(fā)彎曲等現(xiàn)象產(chǎn)生。

在人以及小鼠的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?，逐漸發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)毛囊結(jié)構(gòu)分化、毛干形態(tài)發(fā)生等過程的重要信號通路以及受其調(diào)控的關(guān)鍵基因，但有些功能基因在物種內(nèi)也存在很低的保守性，因此直接借鑒的方式不一定可取。若要了解綿、山羊確切的控制毛發(fā)形態(tài)的調(diào)控機(jī)理，需要在借鑒已知與毛發(fā)彎曲相關(guān)信號通路的基礎(chǔ)上，再對該物種的基因組序列、轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜以及蛋白質(zhì)組學(xué)方面對毛發(fā)彎曲的關(guān)聯(lián)性分析進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，找到真正與羊毛彎曲相關(guān)的調(diào)控基因以及所屬信號通路。

羊毛作為紡織業(yè)主導(dǎo)的毛發(fā)纖維產(chǎn)品，了解其品質(zhì)的本質(zhì)即形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)理是十分有必要的。此外，綿、山羊出生后的羊毛動態(tài)彎曲現(xiàn)象可能與胚胎發(fā)育過程的調(diào)節(jié)通路相關(guān)，若能以人、小鼠等前沿的毛發(fā)結(jié)構(gòu)形態(tài)研究為參考基礎(chǔ)，了解羊毛彎曲形態(tài)在經(jīng)典遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)上確切的調(diào)控機(jī)理，可以為延長羔羊到成年羊屠宰前生長日期，獲得大量、優(yōu)良、精致、美觀的羊毛和裘皮制品提供可能性。