哺乳動(dòng)物毛囊形態(tài)發(fā)生研究進(jìn)展

海爾汗，張燕軍

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

1 毛囊形態(tài)發(fā)生

皮膚是哺乳動(dòng)物體表面積最大的器官，皮膚像是一個(gè)“防護(hù)罩”，保護(hù)機(jī)體不受外界環(huán)境影響，例如紫外線輻射、極端溫度和病原微生物等其他潛在危害。皮膚附屬物（毛囊和乳腺）的出現(xiàn)是哺乳動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中很重要的環(huán)節(jié)[1]。毛囊是產(chǎn)生毛干的小器官，其的發(fā)生是由上皮細(xì)胞與相鄰的真皮成纖維細(xì)胞相互作用決定的[2,3]。

胚胎時(shí)期毛囊的發(fā)生發(fā)育是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，這期間上皮細(xì)胞和真皮成纖維細(xì)胞以及相關(guān)衍生細(xì)胞通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)誘導(dǎo)毛囊的形成，可分為0～10共11個(gè)階段[4]。在0階段，部分真皮成纖維細(xì)胞開(kāi)始出現(xiàn)真皮聚集（Dermal Condensate,DC）的趨勢(shì)，而上皮細(xì)胞無(wú)任何變化[4]。到了第1階段，上皮細(xì)胞在WNT信號(hào)家族、EDA和EDA等誘導(dǎo)下分化成基板（Placode,PC）前體細(xì)胞。第2階段的PC前體向真皮成纖維細(xì)胞釋放FGF20等信號(hào)分子，規(guī)范其完成定向聚集的細(xì)胞命運(yùn)決定[4]，形成DC的真皮成纖維細(xì)胞失去了細(xì)胞分裂能力，DC的形態(tài)發(fā)生與真皮成纖維細(xì)胞退出細(xì)胞周期有關(guān)[4]。第3階段中的PC與其他表皮區(qū)域相比看起來(lái)更厚、更大，而且已經(jīng)形成基底膜。此時(shí)DC的單元格數(shù)量也有所增加，這其中鄰近DC的真皮成纖維細(xì)胞的命運(yùn)決定轉(zhuǎn)變是唯一因素[4]。到了第4階段，PC開(kāi)始出現(xiàn)發(fā)芽結(jié)構(gòu)，DC也相比第3階段更加緊密，并且堿性磷酸酶在DC的表達(dá)量增高，表明DC已經(jīng)初步分化出了的真皮乳頭（Dermal Papilla,DP）[4]。PC在第5階段下陷的更加明顯，DC處在下陷的發(fā)夾邊緣并開(kāi)始被基質(zhì)細(xì)胞吞噬[4]。階段6中的發(fā)夾在形態(tài)學(xué)上已經(jīng)形成類似毛囊的結(jié)構(gòu)，下端的基質(zhì)細(xì)胞吞噬了50%以上的DC并與其緊密結(jié)合變成球狀，DC在此階段的形狀也越來(lái)越像成熟的DP[4]。第7階段中內(nèi)根鞘開(kāi)始在發(fā)育的毛囊中生長(zhǎng)，毛干也開(kāi)始發(fā)育。毛囊干細(xì)胞前體也開(kāi)始出現(xiàn)于外根鞘上端的凸起位置，皮脂腺細(xì)胞位于皮脂腺前體出現(xiàn)的位置，而DC幾乎被基質(zhì)細(xì)胞完全吞噬[4]。不斷增長(zhǎng)的毛囊在第8階段已經(jīng)下陷至真皮邊界，并且出現(xiàn)了形態(tài)可見(jiàn)的毛干，內(nèi)根鞘也開(kāi)始表達(dá)毛發(fā)透明質(zhì)酸。皮脂腺細(xì)胞形成成熟的皮脂腺，位于毛囊一側(cè)凸起部位，DC被基質(zhì)細(xì)胞完全吞噬，并且在形態(tài)上相較于第7階段更薄[4]。到了毛囊發(fā)育的第9階段，DP占據(jù)的范圍縮小，毛干頂部離開(kāi)內(nèi)根鞘[4]。最后到了第10階段，毛囊發(fā)育已達(dá)到最大長(zhǎng)度，延伸到了皮下組織，毛干也穿出表皮。

2 毛囊發(fā)生發(fā)育過(guò)程中相關(guān)信號(hào)分子

2.1 毛囊啟動(dòng)過(guò)程中關(guān)鍵信號(hào)分子

多年以來(lái)，研究人員已經(jīng)廣泛地證明了WNT/βcatenin信號(hào)通路在毛囊發(fā)生發(fā)育過(guò)程中的重要性[5]。敲除轉(zhuǎn)錄因子Lef1（β-catenin的結(jié)合配偶體）的突變小鼠會(huì)缺失毛囊和乳腺等皮膚附屬器官，當(dāng)無(wú)毛小鼠的表皮過(guò)度表達(dá)Lef1后會(huì)形成毛囊的異常聚集，而表皮穩(wěn)定表達(dá)β-catenin的小鼠會(huì)出現(xiàn)新的毛囊。WNT信號(hào)家族在毛囊啟動(dòng)過(guò)程中主要定位于PC前體[5]，這表明WNT信號(hào)家族在PC形成過(guò)程中的重要性，特別是當(dāng)表皮缺失β-catenin會(huì)阻滯毛囊的發(fā)生[6]。同樣，WNT信號(hào)通路抑制劑DKK1和DKK2在表皮的過(guò)渡表達(dá)均會(huì)抑制PC的形成[7]。除了誘導(dǎo)PC啟動(dòng)，在PC成熟后到PC下陷的過(guò)渡階段中，表皮中局部活躍的WNT信號(hào)通路誘導(dǎo)上皮細(xì)胞的定向聚集是必須的。早期PC形態(tài)發(fā)生期間的活體成像和跟蹤細(xì)胞分裂證明WNT信號(hào)通路和EDA是通過(guò)定向遷移和細(xì)胞骨架重排介導(dǎo)PC形成，而不是細(xì)胞增殖[5]。在毛囊形成的早期階段，特別是DC開(kāi)始定向聚集時(shí)也發(fā)現(xiàn)了活躍的WNT信號(hào)[6]。

當(dāng)TNF家族配體EDA與其受體EDAR結(jié)合時(shí)會(huì)激活下游NF-κB信號(hào)通路并誘導(dǎo)PC的啟動(dòng)[8]。在模擬人類毛發(fā)生長(zhǎng)的小鼠模型中，抑制EDA和EDAR的表達(dá)不能形成皮膚附屬器官，例如毛囊和牙齒[8]。在毛囊啟動(dòng)期間，EDA在整個(gè)表皮均勻表達(dá)，而EDAR只在基板啟動(dòng)的區(qū)域表達(dá)[8]。EDA信號(hào)是WNT信號(hào)通路的下游，WNT信號(hào)通路的抑制會(huì)降低EDAR和NF-κB信號(hào)通路的活化，而WNT信號(hào)通路的活躍程度不會(huì)隨著EDA表達(dá)的變化而變化[9]。盡管EDAR是PC早期形成的標(biāo)記分子之一，但是EDA和EDAR對(duì)PC的啟動(dòng)可能不是必須的，EDA缺失PC也會(huì)啟動(dòng)，但是不會(huì)進(jìn)一步發(fā)育。表明EDA和EDAR發(fā)揮的功能可能是誘導(dǎo)PC的成熟，這也表明毛囊在發(fā)育過(guò)程中不同階段的分子信號(hào)控制也有所不同[9]。

在PC啟動(dòng)前后，“第一上皮信號(hào)”會(huì)誘導(dǎo)和規(guī)范部分真皮成纖維細(xì)胞完成DC的細(xì)胞命運(yùn)決定。到目前為止，F(xiàn)GF20是唯一一個(gè)確定在DC啟動(dòng)過(guò)程中直接從上皮細(xì)胞獲取的信號(hào)分子，當(dāng)FGF20得到抑制后，已經(jīng)形成DC的成熟體會(huì)消失[4]，并且FGF20誘導(dǎo)真皮成纖維形成DC不是通過(guò)細(xì)胞增殖，而是通過(guò)細(xì)胞遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]。除了會(huì)抑制DC的形成，F(xiàn)GF20的突變還會(huì)導(dǎo)致PC的形變和非正常擴(kuò)張[4]。雖然FGF20是WNT信號(hào)通路和EDA的下游靶點(diǎn)，但是當(dāng)敲除FGF20的PC中EDAR表達(dá)水平也嚴(yán)重降低[4]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，F(xiàn)GF20是PC前體向真皮成纖維細(xì)胞發(fā)出的第一個(gè)已知上皮信號(hào)，負(fù)責(zé)促進(jìn)真皮成纖維細(xì)胞向DC的轉(zhuǎn)化，這期間發(fā)揮的細(xì)胞機(jī)制是細(xì)胞遷移。

與WNT信號(hào)通路、FGF信號(hào)通路和EDA促進(jìn)毛囊形態(tài)發(fā)生作用機(jī)制不同，BMP信號(hào)通路是以抑制方式來(lái)維持毛囊正常形態(tài)發(fā)生，包括微調(diào)和抑制WNT信號(hào)通路的活躍范圍，這可以讓毛囊保持一定的間隔來(lái)正常發(fā)育。在毛囊形態(tài)發(fā)生過(guò)程中，BMP2和BMP4分別富集于PC和DC，并抑制BMPR1A在毛囊發(fā)生鄰近表皮中的表達(dá)，從而阻斷該區(qū)域毛囊的發(fā)生[4]。

2.2 毛囊向下生長(zhǎng)過(guò)程中關(guān)鍵信號(hào)分子

在毛囊啟動(dòng)后，PC和DC依次分別獲得了 “第一真皮信號(hào)”和“第一上皮信號(hào)”。隨后DC產(chǎn)生“第二真皮信號(hào)”，誘導(dǎo)PC祖細(xì)胞增殖，使其向下生長(zhǎng)。表皮和真皮之間連續(xù)且復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)是毛囊形成的關(guān)鍵。但是到目前為止，還沒(méi)有確定“第二上皮信號(hào)”，上皮細(xì)胞的SHH信號(hào)通路、PDGFA信號(hào)通路和MAPK信號(hào)通路在隨后毛囊向下生長(zhǎng)過(guò)程中也能作用于DC[4,10]。SHH信號(hào)通路也被證明是調(diào)控Sox9完成毛囊干細(xì)胞命運(yùn)決定規(guī)范的關(guān)鍵[4]，并且維持毛囊發(fā)育中PC的正常細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。

SHH信號(hào)通路在PC形成的各個(gè)階段均有表達(dá)，而其受體PTCH在表皮和真皮中都有表達(dá)[4]。盡管PC和DC均正常誘導(dǎo)，但是敲除SHH信號(hào)通路的小鼠會(huì)阻滯PC發(fā)育成發(fā)芽結(jié)構(gòu)。皮膚特異性SHH信號(hào)通路的抑制劑SMO可抑制皮膚中SHH信號(hào)通路的活性，對(duì)DC中Noggin的表達(dá)和DC的維持具有重要意義。相反，敲除Noggin的皮膚中，PC未能激活SHH信號(hào)通，表明DC中的SHH信號(hào)和PC中Noggin介導(dǎo)的BMP信號(hào)通路在毛囊的發(fā)生發(fā)育過(guò)程中建立了正反饋環(huán)。SHH信號(hào)通路對(duì)毛囊干細(xì)胞在隆凸區(qū)域的擴(kuò)增十分重要，其可以激活PC向下生長(zhǎng)過(guò)程中局部WNT信號(hào)通路，觸發(fā)毛囊原始體上半部分基底細(xì)胞中Sox9的表達(dá)，從而建立毛囊干細(xì)胞細(xì)胞系。SHH信號(hào)通路還對(duì)PC下陷形成發(fā)芽結(jié)構(gòu)過(guò)程中維持細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)能力[4]。

在毛囊形態(tài)發(fā)生過(guò)程中，PDGFA在表皮中廣泛表達(dá)，而其受體PDGFRA在真皮中表達(dá)[10]。敲除PDGFA的研究結(jié)果顯示，盡管毛囊可以正常誘導(dǎo)，但是由于毛囊發(fā)育遲緩，導(dǎo)致小鼠毛發(fā)稀疏，表明毛囊向下生長(zhǎng)需要PDGFA信號(hào)[4]。然而有研究報(bào)道特異性敲除皮膚PDGFA后不會(huì)影響毛囊誘導(dǎo)和發(fā)育，僅在造成嚴(yán)重系統(tǒng)性表型的PDGFA突變體中發(fā)現(xiàn)了被抑制生長(zhǎng)的毛囊表型?？紤]到PDGFA對(duì)于基體發(fā)育方面的重要性，毛囊發(fā)育遲緩可能源于敲除系統(tǒng)性PDGFA信號(hào)導(dǎo)致。

除了SHH信號(hào)外，MAPK信號(hào)通路也被認(rèn)為是毛囊向下生長(zhǎng)的關(guān)鍵。配體TGF-β2由真皮成纖維細(xì)胞分泌，并作用于上皮細(xì)胞中的受體TGF-βR2[4]。TGF-β2的缺失盡管會(huì)使表皮像PC一樣局部增厚，但是不會(huì)使其向下生長(zhǎng)，表明MAPK信號(hào)通路對(duì)毛囊的啟動(dòng)可能存在抑制作用，而對(duì)毛囊向下生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。

TGF-βR2和FGFR2敲除結(jié)果顯示，小鼠形成成熟的毛囊較少，并且毛囊生長(zhǎng)遲緩，而將這些受體蛋白在上皮細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)后，會(huì)導(dǎo)致上皮細(xì)胞向表皮分化，不會(huì)形成PC[4]。最近的一項(xiàng)研究將MAPK信號(hào)通路置于EDA信號(hào)傳導(dǎo)下游的NF-κB/Lhx2/MAPK信號(hào)傳導(dǎo)軸中[4]，NF-κB活性受到抑制和NF-κB靶點(diǎn)Lhx2被敲除的小鼠都不能激活MAPK信號(hào)通路，表明EDA信號(hào)傳導(dǎo)不僅對(duì)毛囊形成過(guò)程中對(duì)PC的啟動(dòng)和維持起著重要作用，并且通過(guò)激活MAPK信號(hào)通路，對(duì)毛囊的向下生長(zhǎng)也是必不可少的。

3 小結(jié)

毛囊的形態(tài)發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的模型系統(tǒng)，隨著上皮細(xì)胞形成的PC下陷以及真皮成纖維細(xì)胞形成DC，毛囊開(kāi)始逐步發(fā)育，可以看到上皮-真皮之間的相互誘導(dǎo)是這個(gè)復(fù)雜模型系統(tǒng)的基本框架。真皮和表皮的作用是毋庸置疑的，它們不僅是皮膚的基本單位，也因?yàn)樗鼈冎g的相互作用形成了毛囊，不可否認(rèn)的是研究毛囊的發(fā)生發(fā)育還是要從上皮細(xì)胞和真皮成纖維細(xì)胞開(kāi)始。