毛囊發(fā)育與周期性生長的調(diào)控信號通路研究進展

劉公言,白莉雅,李福昌,孫海濤,楊麗萍,姜文學(xué),高淑霞*

(1. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所/山東省畜禽疫病防治與繁育重點實驗室，山東 濟南 250100;2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，山東 泰安 271018)

毛囊是哺乳動物生長被毛的皮膚附屬器官，也是哺乳動物出生后具有周期性再生功能的器官之一，它的性狀和組織結(jié)構(gòu)決定著毛用動物被毛的品質(zhì)和產(chǎn)量。毛囊依靠周期性的循環(huán)生長來實現(xiàn)被毛的更新，其周期性變化決定著哺乳動物被毛的生長與脫落，而毛囊的周期性生長發(fā)育則受多種因素的影響，并在一系列信號分子的調(diào)節(jié)下完成。當(dāng)毛囊的周期性再生功能發(fā)生障礙時，動物就會出現(xiàn)脫毛等毛囊疾病。本文從哺乳動物毛囊的結(jié)構(gòu)、周期性生長特征以及Wnt、BMP、Notch等參與毛囊周期性生長調(diào)控的信號通路等方面進行了詳細闡述，為深入了解哺乳動物毛囊的周期性生長調(diào)控機制，以及為今后指導(dǎo)絨山羊、綿羊、長毛兔等毛用動物和獺兔、水貂、狐貍、貉等皮用動物選育和提高生產(chǎn)性能提供理論參考。

1 毛囊結(jié)構(gòu)及生理功能

1.1 毛囊結(jié)構(gòu)

皮膚是哺乳動物機體最外面的結(jié)構(gòu)，也是動物機體最大的器官，主要由表皮(epidermis)和真皮(dermis)構(gòu)成，并含有汗腺(sweat gland)、皮脂腺(sebaceous glands)和豎毛肌(erector pili muscle)等附屬器官[1]。表皮位于皮膚最外層，平均厚度為0.2 mm，根據(jù)哺乳動物表皮細胞的不同發(fā)展階段和形態(tài)特點，由外向內(nèi)可分為角質(zhì)層(stratum cornem)、顆粒層(stratum granulosum)、棘細胞層(stratum spinosum)、基底層(basal layer)和基底膜(basement membrane)等[1]，真皮主要由毛乳頭細胞(dermal papilla cell)組成，毛乳頭細胞能夠誘導(dǎo)毛囊形態(tài)的發(fā)生。毛囊(hair follicle)是由胚胎期神經(jīng)外胚層與間充質(zhì)相互作用發(fā)育形成的，能夠合成分泌多種特異角質(zhì)蛋白，并且具有獨特的生理結(jié)構(gòu)和周期性生長特性的復(fù)雜皮膚附屬器官[2]。毛囊貫穿于哺乳動物皮膚的表皮和真皮，其中毛囊干細胞位于皮膚的表皮，而毛乳頭細胞位于皮膚真皮，表皮部位的毛囊干細胞與真皮部位的毛乳頭細胞之間信號交流是啟動毛囊再生的關(guān)鍵[1]。毛囊從外到內(nèi)依次分為外根鞘(outer root sheath)、內(nèi)根鞘(inner root sheath)和毛干(hair shaft)，其中內(nèi)根鞘又分為henley’s層(henley’s layer)、huxley’s層(huxley’s layer)和內(nèi)根鞘角質(zhì)層(cuticle)；毛干又由毛干髓質(zhì)層(medulla)、毛干皮質(zhì)層(cortex)和毛干角質(zhì)層(cuticle)組成[1]。

1.2 毛囊生理功能

在哺乳動物中，被毛是毛囊生長發(fā)育的皮膚衍生物，毛囊最主要生理功能是生長和固定被毛。毛囊形態(tài)發(fā)生產(chǎn)生的被毛可以抵御環(huán)境變化，如季節(jié)性的溫度變化，毛囊分泌的皮脂起到保護動物被毛作用[3]。毛囊中的黑色素細胞可以決定被毛顏色，被毛附著在皮膚的最外層，不僅具有防御和保護功能，而且具有增加信息交流的作用。被毛在汗液引流和皮脂排泄中發(fā)揮重要功能，并且能夠產(chǎn)生具有抵御蚊蟲瘙癢、防風(fēng)隔熱和提供觸感等多種功能。另外，飼養(yǎng)絨山羊、綿羊、長毛兔等毛用動物所獲得的被毛為人們?nèi)粘Ｉ钐峁┧枰徔棽牧稀?/p>

2 毛囊的周期性生長

2.1 毛囊的周期性生長特征

哺乳動物出生后，根據(jù)毛囊形態(tài)上的變化特征將毛囊周期分為生長期(anagen)、退行期(catagen)和休止期(telogen)，每一個階段都受到嚴格的調(diào)控，其特征是基因表達、細胞增殖和分化的明顯變化[1-2]。毛囊在生長期直而立，毛乳頭(dermal pailla)呈現(xiàn)緊密的球形且和毛干之間有一串增厚的角質(zhì)細胞團，生長期時間長短決定毛用動物被毛長度。退行期也被叫做毛囊生長期到休止期之間的動態(tài)轉(zhuǎn)變期，此期間受到多種信號通路分子的調(diào)控，退行期包裹毛乳頭的毛球部萎縮、毛發(fā)逐步停止生長。休止期階段，毛囊活動基本停止，毛干成熟，最終將從毛囊中脫落。這期間毛球部完全消失，毛乳頭浸埋在皮膚真皮部分。休止期毛囊干細胞會對信號因子的做出反應(yīng)，迅速被激活，使毛囊進入生長期，從而啟動下一個毛囊周期[4]。遺傳、營養(yǎng)、環(huán)境等許多因素均可影響毛囊的周期性循環(huán)生長過程，從而影響毛用動物的被毛品質(zhì)和產(chǎn)毛量[5-6]。

2.2 參與毛囊的周期性生長的細胞

毛乳頭細胞(dermal papilla cell)可以通過分泌信號因子影響毛母質(zhì)細胞(matrix cell)增殖分化，在毛囊周期調(diào)控中發(fā)揮重要作用[7]。據(jù)Millar[2]報道，在動物毛囊周期生長過程中，毛乳頭細胞與毛囊干細胞發(fā)生的信號交流，在毛囊周期啟動中初始階段最為密切。當(dāng)毛乳頭細胞遭到損害時，毛囊重建發(fā)生障礙[8]。毛乳頭細胞在毛囊休止期階段位于毛囊干細胞和毛發(fā)祖細胞附近。毛乳頭細胞分泌的成纖維細胞生長因子7(fibroblast growth factor 7，F(xiàn)GF7)和成纖維細胞生長因子10(fibroblast growth factor 10，F(xiàn)GF10)通過促進毛囊干細胞的增殖，促進毛囊重建[9]。

毛囊干細胞(hair follicle stem cell)與毛囊周期性生長密切相關(guān)，毛囊干細胞中的轉(zhuǎn)錄因子3(transcription factor 3，TCF3)和轉(zhuǎn)錄因子4(transcription factor 4，TCF4)的活性決定毛囊干細胞狀態(tài)，從而影響毛囊再生。毛囊干細胞自分泌因子成纖維細胞生長因子18(fibroblast growth factor 18，F(xiàn)GF18)能夠通過自我調(diào)控過程抑制毛囊干細胞增殖。小鼠敲除FGF18基因后，毛囊生長激活，而過表達FGF18則抑制毛囊生長[10]。毛囊干細胞不僅可以自我調(diào)節(jié)，還能調(diào)節(jié)它周圍的黑色素細胞參與被毛顏色的形成[11]。另外，毛囊隆突部附近的肌肉祖細胞可分化成立毛肌，對表皮中的毛囊干細胞具有調(diào)控作用[12]。

皮膚中內(nèi)皮細胞、神經(jīng)末梢細胞和真皮鞘細胞等其他類型細胞也參與毛囊干細胞的激活，影響毛囊干細胞的增殖分化[13]。另外，最新研究表明皮下脂肪細胞參與維持皮膚微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，影響毛囊再生，而毛母質(zhì)細胞分泌的音猬因子(sonic hedgehog, SHH)也可以影響脂肪形成，敲除毛母質(zhì)細胞中SHH基因后，可使動物皮下脂肪細胞形成和毛囊生長受損[14]。脂肪組織分泌的血小板衍生因子(platelet derived growth factor, PDGF)可以作用于毛乳頭細胞(dermal papilla cell, DPC)，在血小板衍生因子A(platelet derived growth factor A, PDGFA)受體缺陷的小鼠中，盡管 PDGFA 在前體脂肪細胞中大量表達，但由于毛乳頭細胞中沒有 PDGF 受體，毛囊再生失敗，說明脂肪組織可以通分泌的一些因子作用于毛乳頭細胞進而影響毛囊再生[15]。研究表明，脂肪組織也可以分泌骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)(bone morphogenetic proteins, BMPs)，并通過作用于毛乳頭細胞進而影響毛囊再生[16]。

3 毛囊周期性生長調(diào)控的信號通路

3.1 Wnt信號通路

Wnt(wingless/integrated)家族是一類分泌型脂質(zhì)修飾糖蛋白，對動物毛囊發(fā)育起著重要調(diào)控作用[17]。由Wnt蛋白、β-連環(huán)蛋白(β-catenin)、卷曲蛋白4(frizzled-4，F(xiàn)zd4)和結(jié)腸腺瘤性息肉基因 (adenomatous polyposis coli, APC) 復(fù)合物等組成的經(jīng)典Wnt信號通路，參與皮膚生物學(xué)過程，調(diào)控上皮形態(tài)發(fā)生，對調(diào)控毛囊生長周期具有重要作用[18]。Wnt蛋白配體通過與7次跨膜蛋白(frizzled, FZD)、脂蛋白受體相關(guān)蛋白5或6 (lipoprotein receptor related protein 5 or 6, LRP 5/6)等受體結(jié)合來激活Wnt信號通路[19]。Wnt與FZD/LRP受體復(fù)合物可以誘導(dǎo) β-catenin 磷酸化，從而使β-catenin和T細胞因子(T-cell factor, TCF)/淋巴增強因子(lymphoid enhancer factor, LEF)/β-catenin介導(dǎo)的基因表達，調(diào)節(jié)毛囊細胞的增殖和分化[20]。吳振宇[21]利用免疫組化發(fā)現(xiàn)Wnt10b特異性的表達在于獺兔生長期的毛母質(zhì)細胞，同時在內(nèi)外根鞘也有表達，且在退化期主要表達于內(nèi)外根鞘。孫露露等[22]報道Wnt10b基因在皖系長毛兔毛生長周期中起到一定的調(diào)節(jié)作用，能夠通過誘發(fā)毛囊的再生而促進毛的生長發(fā)育。同樣程曉印等[23]在美利奴羊上的研究也證實，Wnt10b參與了毛囊的發(fā)育調(diào)控，并推測其調(diào)控作用途徑為經(jīng)典Wnt通路。大腸腺瘤性息肉病(Adenomatous polyposis coli, APC)分子與β-catenin相互作用，在控制β-catenin蛋白穩(wěn)定性方面起著關(guān)鍵作用。哺乳動物被毛的角蛋白合成受到 Wnt 信號的調(diào)控，也可通過抑制β-catenin 活性降低 Wnt 信號活性，進而抑制被毛生長[24]。TCF3/LEF 能夠抑制皮膚干細胞向表皮細胞終末分化，促使干細胞向毛囊干細胞分化，進而分化成其他毛囊細胞[25]。Dickkopf 相關(guān)蛋白1 (DKK1) 是 Wnt 信號通路的重要拮抗物，在胚胎發(fā)育階段持續(xù)過表達DKK1，動物則不能生成毛囊，在出生后過表達 DKK1則抑制毛囊的生長。DKK1可以通過抑制β-catenin活性實現(xiàn)對Wnt信號通路的抑制，導(dǎo)致毛囊退行[26]。此外，腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)等許多細胞因子亦具有促使毛囊退行的作用[27]。

3.2 BMP信號通路

骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)(bone morphogenetic protein, BMP)信號通路在控制動物皮膚毛囊生長發(fā)育過程中起到重要調(diào)控作用，是參與毛囊發(fā)育生物學(xué)過程重要信號通路之一。BMP信號有利于毛乳頭活性的維持，BMP2和BMP4 參與毛囊基質(zhì)的形成，BMP 2和BMP 4在生長期的表達水平低于休止期，參與動物毛囊的生長期向退行期轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)，具有抑制毛囊從休止期向生長期轉(zhuǎn)變的作用[28]。BMP2過表達后毛囊干細胞至毛乳頭區(qū)間細胞增殖分化停止[29]。蘇蕊等[30]研究報道BMP2可抑制絨山羊皮膚毛囊發(fā)育，主要在內(nèi)蒙古絨山羊皮膚毛囊的毛干周圍發(fā)揮作用，與維持絨山羊皮膚次級毛囊處于休止期有關(guān)。李冰等[31]選取4日齡的仔兔，此時獺兔處于被毛發(fā)育旺盛的階段，被毛密度低的獺兔組的BMP2表達量顯著高于被毛密度高的獺兔組，說明BMP2基因通過抑制毛囊的發(fā)育，影響了獺兔的被毛生長。BMP4敲除后，毛囊不能正常發(fā)育，形成受阻[32]。BMP I型受體與綿羊等毛用動物產(chǎn)毛量密切相關(guān)[33]。BMP 抑制劑 Noggin過表達會導(dǎo)致毛母質(zhì)過度增殖從而抑制其分化形成毛干[34]。 BMP 拮抗物抑制上皮干細胞和毛乳頭細胞之間 BMP 信號，隨后激活Wnt 信號通路，從而激活毛囊再生過程。大量研究表明 Wnt 和 BMP 信號在控制毛囊干細胞靜止和激活中起著重要作用，過表達 β-catenin 激活 Wnt 信號通路，使毛囊干細胞增殖[18]，也可通過抑制 TCF4 或 β-catenin，或是過表達DKK1 來阻止細胞增殖[35-37]。轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β, TGFβ)通過抑制角質(zhì)形成細胞的增殖在毛囊發(fā)育中發(fā)揮作用。Wu 等[38]研究了TGFβ家族基因在0～8周齡獺兔皮膚組織表達，TGFβ-1基因表達呈先升高后降低變化，在2、4周齡時表達量顯著高于 6、8 周齡并在 2 周齡時表達達到最高；而TGFβ-2、TGFβ-3的基因表達水平均呈現(xiàn)先降低后升高的變化，TGFβ-1基因表達量在2周齡時達到最高，TGFβ-2、TGFβ-3基因表達水平在2周齡時達到最小。在毛囊生長期向退行期轉(zhuǎn)換過程中TGFβ-1表達于內(nèi)根鞘，可以使毛囊由生長期過渡到退行期，具有抑制細胞增殖作用。TGFβ也可以調(diào)控毛囊干細胞的靜止或是激活狀態(tài)，通過注射 TGFβ-2重組蛋白可使毛囊提前進入生長期[39]；毛乳頭細胞可分泌 TGFβ-2，毛囊干細胞中敲除的 TGFβ 受體后，不能接受 TGFβ-2 信號，從而激活毛囊干細胞使其從休止期轉(zhuǎn)變到生長期[40]。

3.3 Notch信號通路

Notch信號通路作為高度保守的細胞信號系統(tǒng)，調(diào)控多能干細胞分化成毛囊干細胞的生物學(xué)過程，并在毛囊干細胞特異性分化各種毛囊細胞的過程中發(fā)揮重要作用。哺乳動物通常有Notch1、Notch2、Notch3、Notch4共4種Notch受體被Jag1、Jag2、Deltalike 1(Dll1)、Deltalike 3(Dll3)和Deltalike 4(Dll4)共5種典型的Delta-Serrate-Lag(DSL)型配體激活[41]。Notch家族成員在毛囊的形態(tài)發(fā)生中起著重要調(diào)控的作用，Notch 信號通路與 BMP信號通路密切相關(guān)。Notch受體與配體結(jié)合后，激活鄰近毛囊干細胞，使毛囊由休止期進入生長期。當(dāng)毛囊中存在Notch時，它不僅通過抑制TGF-β 使毛囊細胞進入生長期，而且有助于毛囊結(jié)構(gòu)的維持；當(dāng)毛囊中的Notch缺失時，內(nèi)根鞘細胞將不能增殖分化，毛母質(zhì)的上皮細胞會異常表達，毛囊細胞結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生改變[42]。Notch信號通路與BMP信號通路相互作用，BMP信號通路通過調(diào)控β-catenin磷酸化來抑制Wnt信號通路。過表達Lef1或β-catenin的轉(zhuǎn)基因小鼠改變毛囊生長，并誘導(dǎo)SHH蛋白在毛囊中表達。Notch 信號參與毛干形成，Notch 能夠維持毛母質(zhì)細胞正常分化形成毛干，Notch信號缺失導(dǎo)致毛發(fā)形成受損。Notch信號在家禽羽芽的各階段均有表達，其中BMP4協(xié)同Notch1促進羽毛軸的形成，Notch信號通過側(cè)向抑制機制來調(diào)控羽毛周期性圖案的產(chǎn)生[43]。

由SHH蛋白構(gòu)成的SHH信號通路可以通過控制毛囊休止向生長期轉(zhuǎn)化影響上皮細胞和真皮細胞增殖，是胚胎期皮膚毛囊形態(tài)發(fā)生的必須信號通路之一。SHH信號通路不僅與Wnt信號通路具有相似的作用，而且它還能通過影響上皮細胞和真皮的增殖，從而調(diào)控上皮生長和毛乳頭的形成，是毛囊表皮基底細胞形成所必不可少的信號通路[44]。TNF超家族信號因子及其信號通路在皮膚毛囊發(fā)育中也發(fā)揮重要調(diào)控作用[45]。另外，信號通路的激活時間、信號強弱和持續(xù)時間等的精確調(diào)控對于毛囊形態(tài)發(fā)生和毛發(fā)周期的維持至關(guān)重要。毛囊發(fā)育過程中β-catenin、Notch1、BMP、SHH等蛋白翻譯后的修飾，參與調(diào)控Wnt、BMP、Notch、SHH等信號通路，協(xié)調(diào)各個通路的活性，保證毛囊發(fā)育和毛發(fā)周期正常進行[46]。除了上述信號通路之外，最新研究發(fā)現(xiàn)生物鐘所調(diào)控基因(clockgene)的表達與毛發(fā)周期生長密切相關(guān)，這類基因的表達隨毛囊周期生長呈周期性變化[47]。小鼠敲除clock和bmal1等生物鐘基因后毛囊生長期滯后，毛囊次級毛芽(secondary hair germ)細胞的增殖減慢[48]。因此，生物鐘基因在毛囊形態(tài)發(fā)生和毛囊周期生長調(diào)控中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

4 展望

絨山羊、綿羊、長毛兔等毛用動物和獺兔、水貂、狐貍、貉等皮用動物被毛具有重要的經(jīng)濟價值，而經(jīng)濟價值的高低與毛囊發(fā)育密切相關(guān)。在哺乳動物毛囊周期生長過程中，毛囊干細胞、毛乳頭細胞和脂肪細胞均可分泌信號因子調(diào)控毛囊發(fā)育，從而影響被毛生長。另外，Wnt、BMP、Notch、SHH等多種信號通路參與毛囊生物學(xué)發(fā)育過程的調(diào)節(jié)，且信號通路中基因的復(fù)雜性和功能的多角色性需要進一步深入研究，以便更好地了解毛囊發(fā)育調(diào)控機制。