絨山羊毛囊生長規(guī)律及調(diào)控機制的研究進展

張嘉會，于政權*，鄧學梅

（1.中國農(nóng)業(yè)大學生物學院，農(nóng)業(yè)生物技術國家重點實驗室，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，畜禽育種國家工程實驗室，北京 100193）

哺乳動物的毛發(fā)由表皮分化產(chǎn)生，在晝夜或季節(jié)更替時可維持動物體溫恒定，在日常活動中也可發(fā)揮感知及防護的功能。毛囊（Hair Follicle）是產(chǎn)生毛發(fā)的組織單元，對經(jīng)濟型哺乳動物毛囊生長發(fā)育進行的持續(xù)研究推動了動物纖維生產(chǎn)領域的發(fā)展。其中，羊絨作為一種比羊毛更加纖細柔軟且具有高保溫效果的動物纖維，是重要的世界性經(jīng)濟產(chǎn)物之一。羊絨的主要產(chǎn)地在中國，目前，中國絨山羊種類主要包括內(nèi)蒙古絨山羊、遼寧絨山羊、陜北絨山羊、河西絨山羊和柴達木絨山羊[1]，羊絨總產(chǎn)量高且品質(zhì)優(yōu)良[2]。

絨山羊皮膚中的毛囊分為初級毛囊（Primary Hair Follicle）和次級毛囊（Secondary Hair Follicle），其生長具有周期性循環(huán)的特點，不斷重復經(jīng)歷快速增殖的生長期（Anagen）、細胞凋亡控制的退化期（Catagen）和穩(wěn)定靜息狀態(tài)的靜止期（Telogen）[3]。初級毛囊產(chǎn)生長而粗的有髓質(zhì)羊毛纖維，主要起到保護作用；次級毛囊產(chǎn)生短而細的無髓質(zhì)羊絨纖維，具有高強度保溫能力[4]。絨山羊的次級毛囊經(jīng)歷一個完整的生長周期大約需要1年，已有大量研究顯示，其生長周期除了受到環(huán)境或營養(yǎng)等因素的影響外，主要由季節(jié)性光照導致血清中褪黑素水平波動進行調(diào)控[5]。但目前，在基因水平上解析絨山羊次級毛囊周期性生長的調(diào)控機制，還需進一步探究。

本文介紹了絨山羊毛囊的結構特點和生長規(guī)律，總結了褪黑素對羊絨產(chǎn)量的影響，并綜述了近年來在對調(diào)控絨山羊毛囊生長發(fā)育的基因篩選、部分lncRNA 的調(diào)控作用機制以及對絨山羊進行基因編輯以改善羊絨產(chǎn)量與品質(zhì)的研究，為進一步促進我國羊絨產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定參考。

1 絨山羊毛囊的結構特點

不同種類哺乳動物的被毛形態(tài)差異很大，但其毛囊結構較為一致[6]。如圖1 所示，毛囊由多種細胞層以同心圓狀排列組成，最外層為結締組織鞘，其可將毛囊與真皮分隔開。結締組織鞘向內(nèi)依次為外根鞘（Outer Root Sheath，ORS）、內(nèi)根鞘（Inner Root Sheath，IRS）、毛干（Hair shaft，SH），其中內(nèi)根鞘包含4 種細胞層，由外至內(nèi)依次為伴生層、Henle 層、Huxley 層以及內(nèi)根鞘角質(zhì)層；毛干包含3 種細胞層，由外至內(nèi)依次為毛干角質(zhì)層、皮質(zhì)層、髓質(zhì)層[7]。毛囊下部結構被稱為毛球（Hair Bulb），為突出的橢圓形增厚結構，包含未分化的基質(zhì)細胞（Matrix Cell）和黑色素細胞（Melanocytes）。毛囊最下方是真皮乳突（Dermal Papilla），由一群緊密排列的間充質(zhì)細胞組成，通過向上傳遞信號來確定毛干的大小、形狀、黑色素生成及沉積，對于毛干的形態(tài)發(fā)生起著重要的引導作用[8]。

圖1 毛囊細胞層排布示意圖[7]

毛囊上部結構在生長周期內(nèi)維持靜態(tài)，主要包含漏斗管（Infundibulum）、峽管（Isthmus）、皮脂腺（Sebaceous Gland）和隆突區(qū)（Bulge）。漏斗管開口向上延伸至皮膚表面，隆突區(qū)位于皮脂腺下方與遠端外根鞘的交匯處，是毛囊干細胞（Hair Follicle Stem Cells，HFSCs）所在區(qū)域[9]。在退化期，毛囊形態(tài)會發(fā)生顯著變化，其下部結構隨著細胞凋亡而不斷皺縮，毛囊總長度不斷減小，真皮乳突逐漸裸露在毛球之外。凋亡持續(xù)發(fā)生直至隆突區(qū)附近時停止，基質(zhì)細胞和內(nèi)根鞘完全消失，外根鞘形成新的次級毛胚芽（Secondary Hair Germ，SHG）和隆突區(qū)結構[10]，而舊隆突區(qū)中仍會儲存一部分干細胞，參與毛囊的損傷修復。此時退化期結束，毛囊會以這個形態(tài)度過靜止期，進入新的生長期，開始毛囊的再生過程（圖2）。

圖2 毛囊不同生長時期的結構對比[11]

2 絨山羊毛囊的生長及其調(diào)控因素

夏至后日照時間縮短，此時次級毛囊進入生長期，時間為8—11 月；冬至后日照時間不斷延長，次級毛囊進入退化期，羊絨逐漸停止生長，時間為12 月至次年2 月；3—7 月時次級毛囊處于靜止期，此階段羊絨發(fā)生脫落[12-13]。季節(jié)性光照變化導致絨山羊體內(nèi)褪黑素的分泌發(fā)生波動，可通過調(diào)節(jié)絨山羊血清中褪黑素濃度變化，從而調(diào)控羊絨周期性生長。

2.1 褪黑素可調(diào)控絨山羊毛囊周期性生長 褪黑素（n-乙酰-5-甲氧基色胺）是一種高度保守的吲哚，主要由松果體產(chǎn)生，在調(diào)節(jié)哺乳動物生理周期、青春期發(fā)育、季節(jié)性適應等生理功能中發(fā)揮重要作用[14]。褪黑素受體1 型（MT1）和褪黑素受體2 型（MT2）為細胞膜受體，類視色素相關的孤核激素受體（RZR/ROR）為核受體，這兩類受體均屬于具有高親和力的G 蛋白偶聯(lián)受體。褪黑素主要通過上述受體發(fā)揮其生物學功能[15]。已有研究顯示，對成年絨山羊使用外源褪黑素可以刺激羊絨在非生長期生長，但會導致其提前脫落，因此限制了褪黑素在羊絨生產(chǎn)中的實際應用[16-17]。而在春夏兩季以皮下埋植的方式使用褪黑素則可銜接次級毛囊的自然生長期，在不影響絨山羊繁殖性能的情況下增加產(chǎn)絨量，同時可提升絨毛纖維細度[18]。褪黑素對毛囊生長周期的調(diào)控作用具有物種差異性、性別差異性以及劑量依賴性[19]。對褪黑素處理過的絨山羊進行長期研究顯示，褪黑素可提升羊絨纖維的重量、長度和密度，同時縮減了纖維直徑，但只在該生長周期起作用，而對下個周期沒有持續(xù)影響[20]。研究還發(fā)現(xiàn)，褪黑素可提前激活次級毛囊進入生長期，并增加絨山羊皮膚中活躍次級毛囊的數(shù)量，從而提升羊絨產(chǎn)量[20]。

褪黑素可通過影響催乳素（PRL）分泌來影響絨山羊毛囊的生長[21]，其能夠抑制毛球角質(zhì)形成細胞增殖來促使毛囊提前進入退化期[22]。另外，催乳素受體的表達與毛囊生長周期一致[23]，當光照時間增加時，催乳素濃度上升，誘導羊絨脫落；當光照時間縮短，催乳素濃度相應降低，促進羊絨生長[24-25]。此外，褪黑素也可通過胰島素樣生長因子（IGF）、血小板衍生生長因子（PDGFA）等細胞因子調(diào)控絨山羊毛囊的周期性生長[22]。

2.2 調(diào)控絨山羊毛囊生長發(fā)育的基因篩選 羊絨產(chǎn)量問題一直是限制羊絨市場持續(xù)擴大的重要原因[26]。探究絨山羊不同生長周期內(nèi)差異性表達基因（Different Expression Gene Set,DEGs）的功能和作用機制，對闡明羊絨生長調(diào)控具有重要作用。因此，尋找調(diào)控絨山羊SHF 的基因及通路成為此領域的研究熱點。

通過對絨山羊毛囊進行二代測序、DEGs 篩選及通路分析，絨山羊毛囊周期性生長的分子調(diào)控機制被逐漸揭示。有研究發(fā)現(xiàn)，KAP3-1、KRTAP 8-1和KRTAP 24-1基因與羊絨生長周期正相關，其調(diào)控規(guī)律與羊絨生長周期一致[27]；在內(nèi)蒙古絨山羊次級毛囊中發(fā)現(xiàn)FGF5、FGFR1和RRAS基因可影響內(nèi)蒙古絨山羊毛囊的生長發(fā)育[28]；MAPK、PI3K-Akt、Ras 及Rap1 等信號通路在絨山羊毛囊生長周期過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[29]。此外，K4 蛋白和銅藍蛋白在毛囊的生長周期內(nèi)階段性表達，其中K4 在毛囊生長期初期高水平表達，而在退化期幾乎不表達，可以作為指示羊絨生產(chǎn)起始與結束的標記，從而確定羊絨采收的最佳時間，提高羊絨產(chǎn)量[30]。最近，Jin 等[31]利用SNP 芯片對優(yōu)秀產(chǎn)絨品種內(nèi)蒙古絨山羊、遼寧絨山羊與非產(chǎn)絨品種的黃淮山羊進行基因分型檢測，從眾多候選基因中篩選出WNT10A和CSN3可能參與羊絨生產(chǎn)；Tβ4、ARHGAP6、SHF-DPCs與絨山羊SHF 的生長發(fā)育密切相關，其中Tβ4可以促進羊絨生長發(fā)育，是提高羊絨產(chǎn)量的一個潛在靶點[32]，并篩選出了Tβ4、ARHGAP6、ADAMTS15、CHRD、SPARC、SPOCK1等作為提高羊絨性能的關鍵候選基因。由此可見，絨山羊的毛發(fā)生長周期受到多種基因的調(diào)控，是個復雜的生物學過程。

2.3 非編碼RNA 對絨山羊毛囊生長發(fā)育的調(diào)控作用在對絨山羊毛囊的測序及轉(zhuǎn)錄組分析的研究中顯示，miRNA 不僅在絨山羊胚胎毛囊的形態(tài)建成中起著關鍵作用[33]，也可促進絨山羊次級毛囊生長[34]。miRNA 是一類長度為20～24 nt 的內(nèi)源lncRNA[35]。已有研究顯示，miR-203、miR-31、miR-196a、miR-195 等miRNA 與毛囊的生長發(fā)育相關[36-40]，涉及Wnt、BMP 等多種信號通路的調(diào)控。另外，Zhang 等[41]篩選出chi-miR-150、chimiR-151-5p、chi-miR-196a、chi-miR-196b、chi-miR-30b-5p、chi-miR-9-5p 6 個miRNA 與絨山羊毛囊生長周期調(diào)控密切相關，并發(fā)現(xiàn)Chi-miR-30b-5p 在靜止期高表達，可通過靶向CaMKIIδ 抑制DP 細胞增殖。除miRNA 外，circRNAs 也可能在絨山羊次級毛囊的生長中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，有研究發(fā)現(xiàn)，circRNA-1926 可通過作用于miR-148a/b-3p 來增強CDK19 的表達，從而促進絨山羊SHF 干細胞的分化[42]。

2.4FGF5對羊絨纖維長度的影響 FGF 是成纖維細胞生長因子，F(xiàn)GF5在哺乳動物毛囊生長中具有重要功能，是人類毛發(fā)生長的關鍵調(diào)節(jié)因子，可誘導毛囊退化[43]。在多種哺乳動物的研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF5能夠抑制毛囊細胞的增殖和分化，參與調(diào)控毛發(fā)的長度性狀[44-47]。絨山羊次級毛囊的毛干長度與羊絨的產(chǎn)量密切相關，其次級毛囊生長期持續(xù)時間越長，毛干長度越長，因此羊絨產(chǎn)量也越高。FGF5 受體（FGFR1）在絨山羊皮膚初級毛囊和次級毛囊的真皮乳突細胞中均有表達[48]，F(xiàn)GF5突變后，毛囊細胞持續(xù)增殖分化導致毛囊延緩進入靜止期，從而可顯著增加羊絨纖維長度。絨山羊FGF5的5'-UTR 中1 個新SNP 的等位基因頻率與短毛山羊存在很大差異，該位點突變引入了1 個起始密碼子，導致FGF5 蛋白提早編碼，這可能是導致絨山羊長毛表型的自然突變[49]。

隨著CRISPR/Cas9 技術的誕生，許多研究對多個品種羊進行了基因編輯，希望從根源上實現(xiàn)對產(chǎn)絨山羊品種的改良。Wang 等[50]驗證了CRISPR/Cas9 系統(tǒng)在大型動物模型中的適用性和有效性，實現(xiàn)對山羊FGF5和MSTN2種功能基因的同步編輯[51]，并制造出長毛且SHF 數(shù)量增多的FGF5基因修飾山羊；Li 等[52]成功制造了FGF5s異位表達的轉(zhuǎn)基因綿羊共20 只，在存活的12 只轉(zhuǎn)基因綿羊中均觀察到FGF5s的異位表達，且毛長明顯長于非轉(zhuǎn)基因?qū)φ?。Zhang 等[53]鑒定了羊?qū)貴GF5（oFGF5）基因序列，利用CRISPR/Cas 系統(tǒng)成功構建了FGF5 敲除綿羊，進一步揭示了FGF5調(diào)控毛囊發(fā)育的進化生物學及結構生物學特性。這些研究為產(chǎn)絨品種羊的優(yōu)化改良提供了思路，為羊絨產(chǎn)業(yè)的持續(xù)擴大奠定了基礎。

3 結 語

羊絨是一種保溫效果優(yōu)秀的動物纖維，由絨山羊的次級毛囊產(chǎn)生，通過延長次級毛囊的生長期、縮短靜止期，可以提升產(chǎn)絨量。大量研究表明，使用褪黑素可提升羊絨纖維的質(zhì)量指標，并增加絨山羊皮膚中活躍次級毛囊的數(shù)量，從而提升羊絨產(chǎn)量。但褪黑素的效果維持時間短，且在使用中存在諸多不確定因素，導致無法從根源上穩(wěn)定改善產(chǎn)絨。因此，近年來，許多研究致力于揭示提高羊絨產(chǎn)量潛在基因靶點，篩選出了FGF5、Tβ4、KAP3-1等關鍵調(diào)控基因，并發(fā)現(xiàn)眾多LncRNA參與絨山羊次級毛囊的調(diào)控過程。目前已有研究人員對多種絨山羊及綿羊進行基因編輯，這些研究的積累為產(chǎn)絨及產(chǎn)毛羊品種的不斷優(yōu)化奠定了基礎，為進一步擴大羊絨生產(chǎn)規(guī)模提供了借鑒，具有重要科學意義。