蛋白聚糖在毛囊中的研究進展*

劉 欣 祝寧俠

桂林醫(yī)學院，廣西桂林市 541004

蛋白聚糖是由一個或多個糖胺聚糖鏈共價連接的核心蛋白組成，在細胞外基質和細胞表面分布。蛋白聚糖在人毛囊中的分布最早是在20世紀90年代初被發(fā)現(xiàn)的，即硫酸軟骨素、硫酸皮膚素和硫酸肝素蛋白聚糖(Heparan sulfate proteoglycan，HSPG)[1-2]。本文主要系統(tǒng)概括蛋白聚糖在毛囊生物學中的作用，由于蛋白聚糖包含一個非常大的蛋白家族，本文僅限于描述較多、表達較廣泛的多配體蛋白聚糖(syndecan)、基底膜蛋白聚糖(perlecan)、核心蛋白聚糖(decorin)、多能蛋白聚糖(versican)、聚集蛋白聚糖(aggrecan)和雙糖鏈蛋白聚糖(biglycan)，描述其在毛囊生物學中的關鍵功能。

1 syndecan

syndecan作為一種跨膜蛋白聚糖是研究最為深入的，也是最早在毛囊中發(fā)現(xiàn)的分子。1991年，Trautman等[1]首先發(fā)現(xiàn)syndecan在嚙齒動物觸須毛囊中的表達模式。在第11天胚胎中，syndecan作為表皮細胞表面成分存在，但在基底膜下形成間充質細胞簇，標志著毛囊形成的位置。在第11.5天胚胎中，顯示出伴隨表皮細胞的伸長syndecan表達喪失。進一步發(fā)現(xiàn)syndecan最初不存在于間充質中，但是當間充質細胞凝結時瞬時表達，然后在形態(tài)發(fā)生完成后丟失。最初的syndecan，現(xiàn)在稱為syndecan-1，以區(qū)別于其他三種蛋白聚糖。之后，Richardson等[3]通過使用敲除syndecan-1基因表達的靶向小鼠來檢測對毛發(fā)發(fā)育的影響，結果發(fā)現(xiàn)同樣的表達模式即syndecan-1不是毛囊起始和發(fā)育所必需的，但它可作為毛發(fā)發(fā)育過程中真皮凝結的標志物。

Bayer-Garner等[4]通過研究生長期、退化期和休止期階段的人毛囊內(nèi)syndecan-1的表達，發(fā)現(xiàn)在生長期毛囊的外根鞘中具有較強的syndecan-1免疫反應性，但這種表達隨著毛囊周期中的休止期而減弱。syndecan-1也存在于生長期毛囊的真皮乳頭中，它可能促進生長因子介導的細胞信號傳導，誘導并維持毛干和內(nèi)根鞘的生長。之后的研究發(fā)現(xiàn)，syndecan-1特異性表達于人毛囊的上皮部分。此外，syndecan-1在外根鞘、毛干以及較少的內(nèi)根鞘中表達。令人驚訝的是，syndecan-1在中間部分外根鞘的基底層未檢測到，并且在生長期毛囊的真皮乳頭中弱表達[5]，這與Bayer-Garner等[4]檢測到表達模式類似。

2 perlecan

所有基底膜都含有一種或多種蛋白聚糖，以及主要成分如層粘連蛋白和Ⅳ型膠原蛋白。其中最著名的是一種大型基底膜HSPG，現(xiàn)在稱為perlecan。perlecan是一種多功能的蛋白多糖，它可以保持細胞外基質的完整性，在發(fā)育、傷口愈合和組織形態(tài)形成中發(fā)揮重要作用[6]。perlecan在目前所有基底膜中都能發(fā)現(xiàn)，毛囊的真皮—表皮交界處和相鄰基底膜也不例外。在毛囊發(fā)育和頭發(fā)周期中，基底膜HSPG的免疫組化定位幾乎沒有變化。Couchman等[2]在大鼠的生長期毛囊和DPC外基質中檢測到另一種基底膜蛋白聚糖，硫酸軟骨素蛋白聚糖(Chondroitin sulfate proteoglycan，CSPG)。然而，通過毛發(fā)周期檢測的所有基底膜成分中，基底膜CSPG所見的變化是最顯著的，并且與基底膜HSPG的分布不完全相同。在退行期，毛囊周圍和真皮乳頭內(nèi)的CSPG數(shù)量顯著減少。在休止期，真皮乳頭內(nèi)的CSPG沒有可見的染色。一旦生長期開始，基底膜CSPG又返回染色。之后，通過研究人毛囊中蛋白聚糖的表達模式，發(fā)現(xiàn)perlecan在人生長期毛囊的基底膜、真皮乳頭和毛囊周圍的血管中表達，并且在生長期向退化期過渡后，perlecan繼續(xù)在基底膜和真皮乳頭中表達，而在退化期后期，毛球部未檢測到perlecan。另外發(fā)現(xiàn)缺乏perlecan會在某種程度上削弱毛囊的免疫功能[5]。這種蛋白聚糖在毛發(fā)中的分布反映出其參與毛發(fā)生物學以及在毛發(fā)生長維持方面發(fā)揮重要作用。

3 versican

versican主要存在于細胞外基質中，是一個大分子量的CSPG，在細胞黏附、遷移，增殖和分化中起重要作用，因此它也是一種多功能蛋白多糖[7]。在成人皮膚中versican的免疫染色主要出現(xiàn)在真皮中，在毛囊真皮表皮交界處和結締組織鞘處觀察到弱染色，而網(wǎng)狀真皮則表現(xiàn)出強烈的染色。在大鼠皮膚的網(wǎng)狀真皮、真皮乳頭中也發(fā)現(xiàn)了versican的表達，可能與毛囊基底膜有關。而在小鼠毛囊發(fā)育過程中，直到毛囊開始產(chǎn)生纖維，versican才表達。此外，versican表達的空間和時間變化與毛囊神經(jīng)支配有關[8]。

以往的研究表明，versican參與誘導小鼠毛發(fā)形態(tài)發(fā)生、毛發(fā)再生的啟動和毛發(fā)生長的維持。而在人類毛囊中，versican的分布和作用仍不清楚。Soma等[9]研究了versican在正常人類毛囊中的表達，發(fā)現(xiàn)versican在生長期毛囊的真皮乳頭表達，而在退化期毛囊真皮乳頭的表達明顯下降。在休止期毛囊中未檢測到特異性信號。versican免疫反應活性在生長期毛囊的真皮乳頭上被延長，并且在退化期毛囊的染色再次減弱。Yang等[10]通過對不同傳代培養(yǎng)的真皮乳頭細胞(Dermal papilla cell，DPC)檢測β-catenin和versican表達的變化。隨著DPC傳代的增加，其失去了聚集性，而且DPC中的versican蛋白和mRNA水平逐漸下降，而β-catenin沒有顯著下降趨勢。之后敲除DPC中β-catenin和versican基因，探討TCF-4/β-catenin信號通路對versican基因表達調控機制的影響。研究發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通路通過作用于versican基因上游啟動子修飾versican的表達來調節(jié)DPC聚集性生長。Jo等[11]研究衰老相關性毛囊的變化，發(fā)現(xiàn)毛囊真皮乳頭中的versican水平降低是人類毛囊一個顯著的衰老相關變化。這些結果表明versican在毛囊形成和調控Wnt/β-catenin信號通路中起重要作用。

4 decorin

decorin是細胞外基質的蛋白聚糖成分，具有強大的抗纖維化、抗炎癥、抗氧化和抗血管生成特性。它含有一個40kDa的核心蛋白，具有10個富含亮氨酸的重復序列，與糖胺聚糖鏈共價連接。decorin通過附著于細胞表面的受體或幾個細胞外基質分子，參與調節(jié)大量的細胞功能，從而影響細胞分化、增殖和凋亡[12]。

decorin作為小的富含亮氨酸的蛋白聚糖家族的典型成員，其參與許多生物過程。然而，decorin在毛發(fā)周期中的作用尚未闡明。Jing等[13]研究decorin在小鼠毛囊中的表達模式，發(fā)現(xiàn)在生長期毛囊中，decorin在表皮、外根鞘、皮脂腺和真皮乳頭細胞中表達增高。在退行期至休止期期間，除了隆突區(qū)域外，decorin的表達降低。通過外源性施用decorin加速了小鼠毛囊生長期的進展并導致退行期延遲，從而延長毛囊生長期階段。之后，作者為了進一步闡明decorin對毛發(fā)循環(huán)過渡的影響，使用體外過表達策略和體內(nèi)敲除decorin基因的小鼠來研究decorin對外根鞘角質形成細胞的影響。研究發(fā)現(xiàn)decorin過表達顯著增強體外外根鞘角質形成細胞的增殖和遷移。此外，與野生型小鼠相比敲除decorin基因的小鼠毛囊生長期縮短和β-catenin表達水平降低[14]。Miyachi等[15]將細胞外基質蛋白聚糖decorin作為維持人類毛囊干細胞(HFSC)生態(tài)位的候選因子。觀察到decorin高表達于毛囊隆突區(qū)，并且decorin的下調促進了HFSC分化。因此，作者推測decorin作為干細胞生態(tài)位成分起作用，并且由decorin表達降低引起HFSC維持的缺失可能是與年齡相關性脫發(fā)原因之一。這些研究結果為了解脫發(fā)的發(fā)病機制和新的治療靶點提供了線索。

5 aggrecan

aggrecan是一種來自關節(jié)軟骨的蛋白聚糖，含有硫酸軟骨素和硫酸角質素，附著在多結構域蛋白核心上。該分子在關節(jié)軟骨中具有重要功能，它通過與透明質酸和連接蛋白相互作用，賦予軟骨承重特性。以往的研究表明，蛋白聚糖也在毛囊中發(fā)揮重要作用，一些蛋白聚糖核心蛋白已經(jīng)在成人毛囊中描述過，對于aggrecan在毛囊中的研究較少。Malgouries[5]通過研究人毛囊中的蛋白聚糖的分布，發(fā)現(xiàn)aggrecan在生長期毛囊的結締組織鞘和基底膜中表達，而且在毛囊的最底部表達得很好，但在真皮乳頭中未檢測到。在退行期毛囊中，aggrecan染色在毛球部周圍仍然很強烈，但在柱狀上皮周圍完全消失。在晚期退行期，aggrecan在毛囊的真皮乳頭中表達。此外，通過對人真皮乳頭細胞進行單層培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)aggrecan對細胞增殖有明顯的促進作用，但對DPC的鑒定沒有影響[16]。這些結果表明aggrecan的表達隨著毛發(fā)周期的變化而變化，并對細胞增殖起促進作用。

6 biglycan

biglycan是小的富含亮氨酸蛋白聚糖家族的成員。biglycan基因位于X染色體上。最初是從牛骨中分離出來的，然后在克隆和測序后發(fā)現(xiàn)其在N端區(qū)域含有兩個Ser-Gly附著位點，因此其命名意味著兩條糖胺聚糖鏈。biglycan已被證明在細胞表面，細胞周圍，有時在器官內(nèi)一系列特化細胞類型的細胞外基質中表達，是一種關鍵的基質成分和必要的信號分子。biglycan是與decorin密切相關的小的富含亮氨酸蛋白聚糖，序列和結構分析表明，這些基因在氨基酸水平上有55%的同源性，很可能是基因復制的產(chǎn)物。并且biglycan與decorin也是通過結合TGF-β來調節(jié)生物活性[17]。

之前研究表明biglycan在表皮中表達，而且在毛囊周圍的基底膜和結締組織鞘中表達較強，在真皮乳頭中高水平表達[5]。Zhang等[18]為了確定毛囊再生的關鍵因子，通過蛋白質組學技術對第3代和第9代DPC培養(yǎng)液進行分析，篩選出在第3代相比第9代DPC培養(yǎng)液中表達量高的蛋白，其中包括biglycan。為了進一步分析，作者對小鼠分別注射第3代和第9代DPC培養(yǎng)液，發(fā)現(xiàn)注射第3代DPC培養(yǎng)液的小鼠皮膚中biglycan的表達水平增加并且在新生的毛囊中高度表達，但是在注射第9代DPC培養(yǎng)液的小鼠皮膚中未能誘導出新生毛囊，并且biglycan在皮膚中很少表達。根據(jù)之前研究發(fā)現(xiàn)biglycan通過其核心蛋白介導Wnt功能來增強經(jīng)典Wnt信號傳導[19]。已知Wnt/β-catenin信號通路，在毛囊生長和胚胎發(fā)生過程中起著重要的誘導作用。當Wnt信號被抑制時，皮膚基質不能形成，胚芽不能產(chǎn)生，毛囊的發(fā)育也被阻斷[20]。因此，作者推測DPC分泌biglycan誘導毛囊再生可能也是通過調節(jié)Wnt/β-catenin信號通路。之后Kalabusheva等[16]對人DPC進行單層培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)biglycan對人DPC增殖有明顯促進作用。這些結果表明，biglycan在調節(jié)Wnt信號傳導和調控DPC分化增殖過程中起著關鍵作用。

毛囊是由上皮—間充質相互作用的結果，在毛囊形成過程中蛋白聚糖發(fā)揮調節(jié)生長因子活性作用從而促進毛囊發(fā)育，毛發(fā)生長。今后，還需要進一步研究來加深對蛋白聚糖在毛囊中作用機制的理解以便盡早開發(fā)新藥應用到臨床來治療毛發(fā)疾病。