哺乳動(dòng)物毛囊形態(tài)發(fā)生及相關(guān)信號(hào)通路研究進(jìn)展

高 宇，尹 俊

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

高 宇，尹 俊.哺乳動(dòng)物毛囊形態(tài)發(fā)生及相關(guān)信號(hào)通路研究進(jìn)展［J］.畜牧與飼料科學(xué)，2023，44（2）：66-71.

哺乳動(dòng)物毛發(fā)具有許多重要的功能，例如物理保護(hù)、調(diào)節(jié)體溫、產(chǎn)生皮脂、社交以及促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生和傷口愈合［1］。毛發(fā)由毛囊長出，毛囊是包裹在毛發(fā)根部的獨(dú)立囊狀器官。毛囊的發(fā)育包括活躍的生物以及化學(xué)驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)復(fù)雜的生理過程。不同種類動(dòng)物的被毛類型差異較大，毛囊的大小和形態(tài)不同，但研究發(fā)現(xiàn)毛囊的基本結(jié)構(gòu)、功能、形態(tài)發(fā)生以及發(fā)育過程大致相同［2］。筆者總結(jié)了毛囊形態(tài)發(fā)生過程，闡述了毛囊發(fā)育階段的劃分方法，綜述了毛囊形態(tài)發(fā)生各個(gè)階段涉及的主要信號(hào)通路及其作用研究進(jìn)展，以期為解析由某些信號(hào)通路缺陷導(dǎo)致的相關(guān)癌癥的發(fā)生機(jī)理提供參考。

1 毛囊的結(jié)構(gòu)

在毛發(fā)生長過程中，從毛囊的橫切圖來看，一個(gè)毛囊可以有多達(dá)10 個(gè)同心環(huán)狀細(xì)胞系，這10個(gè)細(xì)胞系可以劃分為毛干及其周圍的根鞘區(qū)［3］，根鞘區(qū)又可以分成內(nèi)根鞘、外根鞘、真皮鞘以及毛球中的毛乳頭，其中，毛乳頭是毛干發(fā)育的中心部分，毛囊器官細(xì)胞系及其功能見表1。在縱向方向上，毛囊由淺至深分為三部分：從毛囊口到皮脂腺開口，稱漏斗部；從皮脂腺開口到豎毛肌的附著處稱為峽部；從豎毛肌的附著處到底部，稱毛球。毛發(fā)上端以豎毛肌附著處外根鞘增殖形成的隆突區(qū)（bulge）為標(biāo)志［2］。

表1 毛囊器官細(xì)胞系及其功能

2 毛囊的形成

毛囊結(jié)構(gòu)的發(fā)育在胚胎期完成，發(fā)育過程被分為3 個(gè)經(jīng)典的階段：誘導(dǎo)、器官發(fā)生和細(xì)胞分化［4］。Paus 等［5］把毛囊形態(tài)發(fā)生過程劃分成8 個(gè)階段，最先開始的階段稱為第0 階段。第0 階段沒有毛囊形態(tài)學(xué)形成的跡象，表皮基底層保持均勻的形態(tài)。第1 階段基底細(xì)胞形成可見的基板（placode），真皮成纖維細(xì)胞開始聚集在毛囊基板的下方。第2 階段真皮纖維細(xì)胞濃縮，基板向真皮層延伸形成毛芽 （hair bud）。第3～5 階段表皮細(xì)胞柱狀排列，形成毛柱（hair peg），真皮濃縮物發(fā)展成真正的毛乳頭，并且被內(nèi)根鞘覆蓋，在該階段外根鞘和第1 個(gè)皮脂細(xì)胞生成。第6～8 階段表皮細(xì)胞包圍毛乳頭，內(nèi)根鞘上端形成毛干，毛干進(jìn)入發(fā)管中，毛囊最大限度地延伸，毛發(fā)伸出表皮。在最新的研究中，有學(xué)者把上述8 個(gè)階段進(jìn)一步細(xì)分為10 個(gè)階段，與之前Paus 等的研究不同的是，Saxena 等［6］結(jié)合最近發(fā)現(xiàn)的早期前體細(xì)胞形成了許多新的見解，更新了已確立的毛囊形態(tài)發(fā)生階段劃分指南。原始的劃分指南中，毛囊的形態(tài)發(fā)生是從胚胎期（E）13.5 d 開始的，而最新的劃分指南第0 階段從胚胎期（E）12.5 d 開始，在原始指南第0 階段前新增了毛囊基板前體發(fā)育階段，把原始劃分指南中的第0 階段細(xì)分為2 個(gè)階段。在更新后的指南中，第1 階段在胚胎期13.5～13.75 d，毛囊基板前體（前毛囊基板）細(xì)胞在未來毛囊形態(tài)發(fā)生部位的表皮祖細(xì)胞中被局部誘導(dǎo)，黑色素細(xì)胞開始向上遷移到表皮，真皮細(xì)胞未知信號(hào)作用于均勻的表皮層，誘導(dǎo)毛囊基板的形成；第2 階段發(fā)生在胚胎期（E）14.0 d，前毛囊基板建立，并且伴隨著成纖維細(xì)胞中的真皮濃縮物被誘導(dǎo)，最后形成毛乳頭；第3階段即原始劃分指南中的第1 階段，從胚胎期（E）14.5 d 開始，更新后的4～10 階段分別對應(yīng)原始指南中的2～8 階段。

3 毛囊形態(tài)發(fā)生和發(fā)育中的信號(hào)傳導(dǎo)

毛囊在生長和發(fā)育過程中受到多種分子的調(diào)控，研究這些分子信號(hào)的作用途徑是一大挑戰(zhàn)，許多信號(hào)通路以及生長因子的作用方式還未得到有效、明確的闡述。目前已知的毛囊發(fā)育相關(guān)信號(hào)通路包括Wnt、Shh、Notch、Bmp 等［7］。Wnt 信號(hào)是毛囊結(jié)構(gòu)形成的必要條件；Shh 信號(hào)參與毛囊基板誘導(dǎo)后的毛囊形態(tài)發(fā)生以及晚期的細(xì)胞分化階段；Notch 信號(hào)主要在表皮中被發(fā)現(xiàn)，通過決定細(xì)胞的位置調(diào)節(jié)分化；Bmp 信號(hào)通路是毛囊發(fā)育的負(fù)調(diào)節(jié)因子。此外，還有多種信號(hào)通路的作用方式及功能有待研究［8］。

3.1 毛囊誘導(dǎo)階段

毛囊誘導(dǎo)包括毛囊基板的形成和真皮成纖維細(xì)胞的濃縮。Wnt 信號(hào)活動(dòng)是毛囊形態(tài)發(fā)生的上游起始事件，Wnt 信號(hào)介導(dǎo)上皮-間充質(zhì)細(xì)胞相互作用，引導(dǎo)上皮細(xì)胞增厚形成毛囊基板，隨后Wnt信號(hào)被激活，在表皮毛囊基板和真皮濃縮物中交替作用，導(dǎo)致下游信號(hào)事件并且控制毛囊的形成。Wnt/β-catenin 信號(hào)調(diào)節(jié)外質(zhì)異常蛋白A （Eda）信號(hào)的表達(dá)之后，毛囊基板直接導(dǎo)致真皮成纖維細(xì)胞的濃縮，在毛囊缺乏Eda 信號(hào)的情況下致使基板形成的邊界不規(guī)則。成纖維細(xì)胞生長因子（Fgf）介導(dǎo)真皮濃縮物的表達(dá)，缺乏Fgf 信號(hào)會(huì)導(dǎo)致毛囊發(fā)育遲緩［9-10］。

3.1.1 Wnt 信號(hào)

Wnt 是一種分泌蛋白，可以刺激細(xì)胞內(nèi)的多種信號(hào)通路，并且可以作為生長因子調(diào)節(jié)多種發(fā)育過程，已在小鼠和人類基因組中鑒定出19 個(gè)Wnt 基因。Wnt 信號(hào)傳導(dǎo)包括非經(jīng)典通路和經(jīng)典通路（Wnt/β-catenin）［11］。Wnt/β-catenin 信號(hào)被發(fā)現(xiàn)與毛囊的發(fā)育有關(guān)，Wnt 配體與受體或者共受體結(jié)合產(chǎn)生相互作用后會(huì)啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)，之后Wnt 信號(hào)即被激活。在毛囊發(fā)育過程中毛囊的誘導(dǎo)模式取決于緩慢擴(kuò)散的Wnt 配體和快速擴(kuò)散的Wnt 抑 制 劑 之 間 的 競 爭［12］，Wnt 信 號(hào) 的 激 活 劑（Wls）和抑制劑（DKK1）限制毛囊干細(xì)胞的數(shù)量。在任何可見的毛囊基板形成之前首先形成Wnt10b 信號(hào)，真皮成纖維細(xì)胞廣泛接收來自表皮衍生的Wnt 信號(hào)，隨后作為回應(yīng)真皮成纖維細(xì)胞產(chǎn)生第1 個(gè)Wnt 信號(hào)，Wnt 信號(hào)會(huì)規(guī)則地誘導(dǎo)毛囊基板的形成［13］。

3.1.2 外質(zhì)異常蛋白A（Eda）信號(hào)

Eda 信號(hào)在毛干彎曲的分子機(jī)制中發(fā)揮作用，約在胚胎期 （E）14.0 d 開始Eda 信號(hào)間隔表達(dá)，到14.5 d 表皮局部增厚形成毛囊基板時(shí)，Eda信號(hào)在表皮中的表達(dá)強(qiáng)烈上調(diào)。當(dāng)Eda 信號(hào)的活性消除時(shí)，Wnt 信號(hào)依舊起作用，但當(dāng)表皮中的Wnt 信號(hào)被消除Eda 信號(hào)的活性也會(huì)消失，表明Eda 信號(hào)位于Wnt 信號(hào)的下游。當(dāng)Eda 與受體Edar 結(jié)合時(shí)，其他下游信號(hào)會(huì)被激活［14-15］。

3.1.3 成纖維細(xì)胞生長因子（Fgf）信號(hào)

Fgf 信號(hào)對毛囊的發(fā)育至關(guān)重要。例如，F(xiàn)gf18是調(diào)節(jié)毛發(fā)生長周期的關(guān)鍵信號(hào)，F(xiàn)gf18 的缺失會(huì)導(dǎo)致毛囊休止期縮短［16-17］。Fgf10 是胡須形成所必需的，F(xiàn)gf7 過度表達(dá)會(huì)顯著抑制毛囊的發(fā)育［18］。Fgf20 信號(hào)與真皮濃縮物形成有關(guān)［19-20］，F(xiàn)gf8 信號(hào)過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致毛囊發(fā)育遲緩。Fgf 信號(hào)的精確調(diào)節(jié)對毛囊的發(fā)育很重要，在毛囊誘導(dǎo)階段主要涉及的信號(hào)是Fgf20 和Fgf8。胚胎期（E）13.5 d 左右毛囊基板中可以檢測到Fgf20 信號(hào)局部表達(dá)，但真正發(fā)揮作用的時(shí)期是胚胎期（E）14.5 d。體外試驗(yàn) 證 明，F(xiàn)gf20 信 號(hào) 通 過Eda/Edar 和Wnt/βcatenin 信號(hào)傳導(dǎo)和誘導(dǎo)并在其下游發(fā)揮作用［21］。

聚集性真皮濃縮物并不是通過細(xì)胞增殖實(shí)現(xiàn)而是通過Fgf20 信號(hào)的依賴性細(xì)胞遷移和濃縮形成。Fgf8 信號(hào)是在更新劃分指南后毛囊發(fā)育的第4 階段發(fā)生，F(xiàn)gf8 信號(hào)的過度激活改變了毛囊發(fā)育關(guān)鍵基因的表達(dá)，最終導(dǎo)致毛囊發(fā)育被阻滯并且表皮細(xì)胞的增殖被抑制，因此，F(xiàn)gf8 信號(hào)的過度激活會(huì)使毛囊發(fā)育失?。?2］。

3.1.4 骨形態(tài)發(fā)生蛋白（Bmp）信號(hào)

Bmp 信號(hào)在控制毛囊發(fā)育中的關(guān)鍵作用已在遺傳學(xué)研究中得到證實(shí)，Bmp 信號(hào)傳導(dǎo)主要以抑制方式起作用，在毛囊誘導(dǎo)階段Bmp2 信號(hào)和Bmp4 信號(hào)起主要作用。在毛囊基板中可以發(fā)現(xiàn)Bmp2 信號(hào)，Bmp4 信號(hào)在間充質(zhì)細(xì)胞中的真皮濃縮物中被發(fā)現(xiàn)。Noggin 是Bmp 家族的拮抗劑，可以通過消除Bmp 家族或者抑制其活性激活刺激，當(dāng)Noggin 信號(hào)過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致過量的毛囊基板形成，但在缺乏Noggin 拮抗劑的條件下，毛囊誘導(dǎo)和毛囊形態(tài)發(fā)生的早期階段顯著延遲。雖然目前尚未探明Bmp2 信號(hào)以及Bmp4 信號(hào)在毛囊發(fā)育過程中的作用途徑，但可以肯定的是Noggin 會(huì)中和Bmp 家族成員的抑制活性，是毛囊形態(tài)發(fā)生過程中“第一真皮信號(hào)”信號(hào)級(jí)聯(lián)中的一個(gè)重要誘導(dǎo)機(jī)制［23-27］。

3.2 初始生長

在毛囊誘導(dǎo)后毛囊基板細(xì)胞開始增殖并在2個(gè)中心信號(hào)通路（Shh 和Pdgfa）指導(dǎo)下產(chǎn)生形態(tài)上可以識(shí)別的向下生長。表皮和真皮之間持續(xù)的信號(hào)互作被認(rèn)為是毛發(fā)形成的關(guān)鍵。Shh 和Pdgfa 信號(hào)不參與毛囊基板或真皮濃縮物的生成，在其生成后的生長階段起作用［28］。研究發(fā)現(xiàn)，Shh 受體在表皮毛囊基板和真皮濃縮物中都表達(dá)，但只有在真皮濃縮物中的Shh 對毛乳頭發(fā)育和后續(xù)事件至關(guān)重要。已有研究提出真皮濃縮物中的幾個(gè)Shh下游靶點(diǎn)，如TGF-β、Wnt5a 和Pdgfa 等。

3.2.1 聲波刺猬（Shh）信號(hào)

Shh 信號(hào)的分子機(jī)制十分復(fù)雜。1999 年，Chiang 等［29］闡釋了Shh 信號(hào)在毛囊發(fā)育中的作用，目前相關(guān)研究正在不斷完善。Shh 在上皮層和真皮濃縮物中誘導(dǎo)Shh 信號(hào)的傳導(dǎo)，Shh 與毛囊基板和真皮濃縮物的誘導(dǎo)無關(guān)，而是上皮增殖和毛囊基板向下生長所必需的，缺乏Shh 信號(hào)的小鼠的毛囊可以被誘導(dǎo)但毛發(fā)的延長會(huì)被阻斷。實(shí)際上Shh 的持續(xù)表達(dá)依賴于真皮中Noggin 介導(dǎo)的Bmp 信號(hào)，在毛囊形態(tài)發(fā)生過程中，Shh 信號(hào)被激活會(huì)作為阻止細(xì)胞遷移的保留信號(hào)，直接作用于真皮濃縮物以維持真皮濃縮物的成熟和特性，并且會(huì)讓發(fā)育中的真皮濃縮物和毛囊基板保持緊密的聯(lián)系［30-32］。

3.2.2 血小板衍生生長因子（Pdgfa）信號(hào)

Pdgfa 信 號(hào) 在 胚 胎 期 （E）14.5 d 被 誘 導(dǎo)［33］，Pdgfa 信號(hào)配體在表皮中表達(dá)，受體Pdgfra 在真皮濃縮物中表達(dá)。1999 年，Karlsson 等［28］證 實(shí)了Pdgfa 信號(hào)通路在毛囊形態(tài)發(fā)生中起作用，小鼠表皮中的Pdgfa 信號(hào)缺失會(huì)導(dǎo)致真皮變薄、毛乳頭變小、毛發(fā)稀松。但在Rezza 等［34］的最新報(bào)道中，對Pdgfa 信號(hào)的作用及功能提出了質(zhì)疑：Pdgfa 信號(hào)對于毛囊的形態(tài)發(fā)生是可有可無的，Pdgfa 信號(hào)的消融對毛囊的誘導(dǎo)和發(fā)育并未產(chǎn)生干擾，先前試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的該信號(hào)對毛囊產(chǎn)生的影響可能是由于該信號(hào)消融產(chǎn)生的“副作用”。

3.3 毛囊成熟

毛囊成熟的特點(diǎn)是所有細(xì)胞室的分化，毛囊成熟和分化很大程度上取決于毛乳頭中的信號(hào)，與毛囊形態(tài)發(fā)生早期有關(guān)的信號(hào)通路如Wnt、Bmp信號(hào)在毛囊發(fā)育成熟階段仍然發(fā)揮著作用。表皮中的Bmp 信號(hào)對基質(zhì)細(xì)胞分化很重要，基質(zhì)細(xì)胞中的Wnt 信號(hào)對毛干的分化有一定作用。Bmp 受體的消融和Bmp 抑制劑的過度表達(dá)都會(huì)阻止毛囊的成熟，但Bmp 信號(hào)在發(fā)育后期如何被激活尚 不清楚［15］。此外，毛囊的成熟還與Notch 信號(hào)有關(guān)，Notch 信號(hào)可以通過決定細(xì)胞的位置而調(diào)節(jié)分化。

Notch 信號(hào)通路存在于毛囊基板，在毛囊內(nèi)表達(dá)，Notch 信號(hào)參與毛囊形態(tài)發(fā)生并且是毛囊分化的最終受體場所，其配體大多是跨膜蛋白，其中，配體Jagged1 參與調(diào)節(jié)毛囊的分化，配體Delta1在位于毛囊基板下方的間充質(zhì)成纖維細(xì)胞中表達(dá)。Notch 信號(hào)共有3 種類型：Notch1 信號(hào)、Notch2信號(hào)和Notch3 信號(hào)。這些信號(hào)以3 種方式（側(cè)向抑制、邊界形成以及譜系的決定）參與毛囊發(fā)育，Notch 信號(hào)可以通過改變角質(zhì)形成細(xì)胞黏附特異性而調(diào)節(jié)分化，促進(jìn)邊界的形成。毛囊內(nèi)Notch 信號(hào)的激活不足以誘導(dǎo)毛囊形成但會(huì)促進(jìn)毛囊譜系的分化，毛囊形態(tài)發(fā)生中起作用的主要是Notch1信號(hào)，Notch1 信號(hào)參與表皮分化的早期階段，在皮脂腺的基底細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了的Notch1 信號(hào)活性上調(diào)。當(dāng)Notch1 信號(hào)缺失時(shí)，毛囊在胚胎期可以正常形成，但形態(tài)會(huì)受到干擾，并且毛囊干細(xì)胞數(shù)量顯著減少［35-37］。

4 小結(jié)

Paus 等［5］在1997 年 提 出 的 毛 囊 形 態(tài) 發(fā) 生 劃分指南被廣泛使用了20 多年，已經(jīng)成為研究毛囊發(fā)育的重要?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)，用于對毛囊形態(tài)發(fā)生進(jìn)行劃分和比較。鑒于最近在上皮和間充質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn) 了 特 定 的 早 期 前 體 細(xì) 胞，Saxena 等［6］提 出 對 經(jīng)典劃分指南的更新，將形態(tài)發(fā)生開始提前于胚胎期（E）12.5 d，并由原來的8 個(gè)階段細(xì)化為10 個(gè)階段，每個(gè)階段在形態(tài)發(fā)生過程中都有特定的特征可以識(shí)別。

從毛囊在胚胎發(fā)育時(shí)期開始，毛囊形態(tài)發(fā)生中的順序事件受到真皮和表皮之間嚴(yán)格的信號(hào)傳遞調(diào)控。上皮-間充質(zhì)細(xì)胞之間的相互作用是決定毛囊位置、大小和形狀的中心機(jī)制，多種信號(hào)途徑會(huì)指導(dǎo)外胚層啟動(dòng)以及毛囊基板的形成，基板將信息發(fā)送到間充質(zhì)細(xì)胞層之后會(huì)形成真皮濃縮物進(jìn)而向調(diào)節(jié)毛囊發(fā)育的上皮角質(zhì)形成細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，最終形成毛囊。涉及的主要調(diào)節(jié)信號(hào)包括Wnt、Eda、Fgf、Bmp、Shh、Notch 等信號(hào)，毛囊的誘導(dǎo)依賴于“第一真皮信號(hào)”，雖然其中信號(hào)的相互作用細(xì)節(jié)還未被詳細(xì)了解，但可以確定的是Wnt、Eda、Fgf、Bmp 信號(hào)是其組成的一部分，誘導(dǎo)之后的向下生長以及毛囊成熟依賴于Shh、Notch 等信號(hào)，到目前為止未完全發(fā)現(xiàn)“第二真皮信號(hào)”的組成，因此，毛囊形成的過程中還有許多未知信號(hào)需要探究。