ＴＧＦ－β對毛囊生長發育影響的研究進展

曾　東　余文林　胡志奇

[摘要]轉化生長因子-β（TGF-β）屬于TGF-β超家族，在毛囊發育過程中，TGF-β1、TGF-β2及其受體在毛囊中的表達具有部位和毛發生長周期的特異性，且有多種信號途徑參與TGF-β對毛囊生長發育的調控，TGF-β轉基因或基因敲除鼠的研究也證實TGF-β相關信號是毛囊發育所必需的。表明TGF-β在毛囊發生發育和周期性循環中起到十分重要的作用。本文就TGF-β在毛囊發育和生長周期中的作用進行綜述。

[關鍵詞]TGF-β；毛囊；生長周期

[中圖分類號]Q813.1 [文獻標識碼]A[文章編號]1008-6455（2009）02-0255-04

The effect of transforming growth factor β on the growth and development of hair follicle

ZENG Dong1，YU Wen-lin1，HU Zhi-qi2

(1.Department of Plastic Surgery, Guangzhong General Hospital of Guangzhou Military Region，Guangzhou 510010, Guangdong, China; 2. Department of plastic surgery, Nanfang Hospital, Nanfang Medical university, Guangzhou 510515, Guangdong, China)

Abstract： Transforming growth factor beta (TGF-β）belongs to the TGF-β superfamily. During the development process of hair follicle, TGF-β1, TGF-β2 and their receptors were locationally and cyclically specifically expressed in hair follicles, and multiple signalling pathways were proved to be involved in regulating the growth and development of hair follicle. Studies of transgene or gene knockout of TGF-β also confirmed that TGF-β related signalling was necessary for hair follicle development. It is indicated that TGF-β may play an important role in hair development and cycle. Here, we review the effectiveness of TGF-β in hair development and cycle.

Key words: transforming growth factor; hair follicle; growth cycle

毛發的生長周期主要分為3個時期，即生長期、退行期和靜止期。毛發的發育和周期性生長受很多因素和因子的控制，如Wnt、轉化生長因子-β（TGF-β）、腫瘤壞死因子（TNF）、成纖維細胞生長因子（FGF）及Sonic hedgehog（shh）等，是一個復雜而有序的循環過程。其中，TGF-β是目前研究較多且對毛囊發育比較重要因子之一，對調控毛囊的形態學發生和周期性循環起著非常重要的作用，本文就近年來國內外關于TGF-β影響毛囊生長發育的有關研究現狀作一綜述。

1TGF-β超家族

轉化生長因子-β（TGF-β）超家族由大量結構相關的多肽生長因子組成，包括TGF-β、激活素(activin)/抑制素(inhibin)家族、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和米勒抑制物(mullerian- inhibiting substance)家族等幾大類[1-2]。其中，TGF-β可由多種細胞分泌，具有多重生物學作用，廣泛存在于動物正常組織細胞和轉化細胞中，調節細胞的增殖和分化、細胞死亡或凋亡、細胞外基質形成、生長發育、機體免疫、損傷修復和腫瘤形成等多種生理及病理過程。

2TGF-β及其受體TGF-βR

TGF-β最初發現于1978年。哺乳動物中TGF-β包括TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3 3個亞型，均以無活性的形式合成與分泌。活化前的TGF-β由TGF-β同源二聚體、潛在相關性多肽和潛在TGF-β結合蛋白三部分組成[3]。這種非活化狀態的TGF-β需要經過酸性環境處理或經纖維蛋白溶酶、尿激酶、基質金屬蛋白酶、血小板反應素等蛋白酶的裂解作用才能成為具有生物學活性的TGF-β。活化的TGF-β1由兩個二硫鍵相連的同源二聚體組成，每個單體由l12個氨基酸組成，分子量25 000[4]。一旦TGF-β被活化，就具備與細胞表面受體結合、啟動細胞內信號轉導的能力。

TGF-β1是多功能細胞因子，對大多數細胞的生長具有抑制效應，對少數細胞具有誘導增殖的作用。具體效應主要取決于細胞的類型、來源、分化狀態和實驗條件。研究表明，TGF-β1對上皮細胞具有較明顯的抑制作用；對成纖維細胞或其他間葉組織來源的細胞具有明顯的刺激作用，可增加膠原合成，促進組織修復、傷口愈合和腫瘤生長[5]。

TGF-β受體（transforming growth factor-β receptor，TGF-βR）分為TGF-βRI、TGF-βRⅡ和TGF-βRⅢ 3型。TGF-β主要通過膜表面的TGF-βR1及TGF-βR2發揮生物學作用。TGF-βRI和TGF-βRⅡ屬于跨膜糖蛋白，并列于細胞膜上，均由胞外區、跨膜區和胞內區組成。其中胞內區具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，胞外區富含半胱氨酸殘基。TGF-βRI又稱為激活素受體樣激酶（activin receptor-like kinase，ALKs），通常在病理因素的誘導下表達。其激酶區富含絲氨酸/蘇氨酸殘基的區域稱GS區，以配體依賴的形式發生磷酸化。哺乳動物TGF-βRI有7種亞型，不同亞型介導不同的信號轉導，導致不同的生物學效應，其中ALK-5及ALK-1在TGF-β1信號轉導中起重要作用[6]。TGF-βRⅡ在絕大多數正常組織中表達，可不依賴配體而發生磷酸化。TGF-βRⅢ為β聚糖及相關的endoglin，是一個錨著蛋白多糖，無信號轉導結構，為非信號轉導受體。TGF-βRⅢ雖不直接參與信號轉導，但間接調節TGF-β的作用，使TGF-β高親和力結合于Ⅱ型受體[7]。

3TGF-β信號轉導

TGF-β必須與靶細胞表面高親和力的受體結合后才能發揮生物學效應。圖1簡要概括了TGF-β受體的信號轉導途徑[8]。TGF-β在TGF-βR3和Endoglin參與下結合并激活TGF-βR2后，募集TGF-βR1使其與TGF-βR2形成四聚體，進一步激活TGF-βR1。四聚體受體被激活后，繼續活化Smad蛋白信號轉導途徑或Ras-絲裂原激活蛋白激酶（Ras-Mitogen-Activated Protein Kinase，Ras-MAPK）途徑等通路。

3.1Smad依賴性途徑

3.1.1 Smad蛋白是在脊椎動物、昆蟲和線蟲體內發現的轉錄因子家族。Smad的命名源于最早發現的兩種蛋白：果蠅的Mad蛋白以及線蟲的Smad蛋白。所有Smads分子由氨基端和羧基端高度保守的MH1和MH2結構域和中間富含脯氨酸的間隔區L（Linker）等三部分組成。氨基端的MH1域可與DNA的CAGAC序列結合，羧基端的MH2域可與轉錄輔助激活蛋白或輔阻遏物相互作用，是Smad的功能區。羧基端還含有保守的磷酸化位點SSXS基序，可與TGF-βR直接作用。中間的L間隔區有多個磷酸化位點，可被ERK磷酸化失活，是Smad的負調控區。Smads至少有8個成員，即Smad1～8。Smad2、Smad4、Smad7基因位于18q21染色體上，而Smad3、Smad6基因位于15q21～22染色體上。

3.1.2 根據分子結構和功能，Smads可分為三類：①受體調節型Smads（R-Smads）：包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5和Smad8。R-Smads與信號通路的特異性有關，Smad1、5、8主要由骨形成蛋白激活，Smad2、3則由TGF-β、激活素激活。Smad3被認為是最重要的TGF-β信號轉導分子[9]；②通用調節型Smad（Co-Smad），即Smad4，是和R-Smads結合的轉導分子；③抑制型Smads（I-Smads）：包括Smad6和Smad7。I-Smads作為信號轉導的負反饋調節，可牢固結合TGF-R1，抑制R-Smads被TGF-βR1磷酸化[10]和隨后的R-Smads/Smad4異源復合物核內轉移。Smad7的研究較多，Smad7過表達可以抑制TGF-β的作用[11]。Smad介導的TGF-β信號轉導過程包括：①受體復合物形成：TGF-β與細胞膜表面的TGF-βRⅡ結合，TGF-βRⅡ自身磷酸化，進一步磷酸化激活TGF-βRI，形成TGF-β/TGF-βR I/TGF-βRⅡ受體復合物；②轉錄復合物形成：受體復合物形成后，TGF-βR I特異性地識別Smad2/Smad3，其絲氨酸和蘇氨酸蛋白激酶磷酸化Smad2/Smad3蛋白，使Smad2/Smad3與TGF-βRⅠ分離，與Smad4形成Smad2/Smad3/Smad4轉錄復合物，轉入核內；③目的基因的轉錄：在核內，轉錄復合物直接與含有Smad結合元件的靶DNA結合，引起靶基因轉錄，或者與其他DNA結合蛋白（如激活蛋白1）相互作用，間接結合DNA，調節目的基因的轉錄[2]。

3.2非Smad依賴性途徑：研究發現，TGF-β活化激酶通路是另外一條研究較多的途徑。該途徑與TGF-β-Smad途徑存在著協同作用[12]。MAPK是細胞內的一類絲氨酸(Ser)/蘇氨酸（Thr）蛋白激酶，主要有3條信號轉導途徑：細胞外信號調控（extracellular signal-regulated kinase,ERK）通路、c-jun氨基末端激酶（JNK）和p38-MAPK激酶。MAPK信號轉導通路采用高度保守的三級激酶級聯傳遞信號：胞外刺激通過某些環節使MAPK激酶的激酶（MAP Kinase kinase kinase, MKKK）激活，轉而激活MAPK激酶（MAPKinase kinase，MKK）；然后通過對蘇氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）雙位點磷酸化激活MAPK。另外，TGF-βR也能夠活化PI3-激酶和蛋白磷酸酶2A。相對于Smads信號轉導通路，非Smad介導TGF-β的信號轉導機制還不甚清楚，還有待進一步研究[13]。

4TGF-β家族信號在毛囊生長中的重要作用

4.1TGF- β1通過抑制細胞增殖和促進細胞凋亡控制毛囊向退行期轉變：在成熟毛囊中，TGF-β1 mRNA表達于內毛根鞘，TGF-β2 mRNA表達于末端上皮，而TGF-β3表達于外毛根鞘鄰近區[14-15,8]。Foitzik等[15]比較了TGF-β1基因敲除小鼠和野生型小鼠毛囊生長周期的差異，結果TGF-β1敲除小鼠生長期向退行期的轉變明顯延遲，毛球中可見許多增殖活性細胞（Ki-67核抗原陽性），未見凋亡細胞（TUNEL陽性），而野生型小鼠毛球中只有少量的增殖細胞但有大量的凋亡細胞。另外，給小鼠背部皮膚局部注射TGF-β1，毛囊提前進入退行期。因此，TGF-β1通過抑制細胞增殖和促進細胞凋亡而誘導小鼠毛囊由生長期向退行期轉變。

Inui等[16]將雄激素受體的真核表達質粒轉染體外培養的毛乳頭細胞，再將之與角質形成細胞共培養，發現雄激素能夠上調共培養的毛乳頭細胞合成與分泌TGF-β1，后者顯著抑制了角質形成細胞的增殖，TGF-β1的中和抗體能夠對抗雄激素對共培養的角質形成細胞的生長抑制作用。所以，TGF-β1可能參與了雄激素性脫發的發生，即雄激素通過誘導毛乳頭細胞表達TGF-β1而抑制毛囊角質形成細胞的增殖。

最近的研究發現毛囊細胞表達TGF-β1還與表皮的修復有關[17]，這些研究表明TGF-β的信號傳導不僅控制著毛囊生長退行期起始，而且還參與很多其他生理活動，是一個極其復雜的過程。

4.2TGF-β2通過誘導細胞凋亡促進毛囊向退行期轉變：Soma等[18-19]發現退行期TGF-β2、TGF-βRⅡ和TUNEL陽性共同在上皮柱中表達[19]，TGF-β2可以抑制體外培養的人頭皮毛囊毛干的延長，誘導毛囊發生退行期樣的形態學改變，用TGF-β的中和抗體可以對抗TGF-β2抑制毛囊生長的作用。胎球蛋白具有 TGF-β受體樣配體結合域，可以作為一種TGF-β拮抗劑，當在含有TGF-β的培養系統中加入胎球蛋白時，毛發的生長也顯著加快[19]。

為了進一步闡明TGF-β2誘導毛囊退行性變的分子機制，Tsuji等[20]在體外培養的人毛囊中加入TGF-β2，培養2天后檢測活化的caspase-3和caspase-9的表達，結果活化的caspase-3和caspase-9表達在外毛根鞘的外層細胞和毛球下段具有分裂增殖能力的毛母質細胞中，而對照組毛囊僅很少的細胞呈陽性染色，并且在TGF-β2作用的毛囊中TUNLE陽性細胞和活化的caspase-3陽性細胞互相重疊。Hibino等[8]分析了在TGF-β2作用下毛囊角質形成細胞基因表達的差異，結果在所測定的8000多種基因中，有400多種基因的表達發生了改變，其中caspase-3和caspase-9表達增加，而caspase-8表達減少。由于caspase-9介導內源性途徑的細胞凋亡，而caspase-8介導外源性途徑的細胞凋亡，TGF-β2可能通過內源性的細胞凋亡途徑引起毛囊角質形成細胞的凋亡。因此推斷TGF-β2可能通過活化caspase網絡而誘導毛囊上皮細胞發生凋亡而誘導毛囊由生長期向退行期轉變，從而抑制毛發的生長。在左旋肉堿酒石酸鹽促進人類毛囊生長的實驗中[21]，研究者通過免疫組化檢測到了皮膚乳頭的TGF-β2以及外毛根鞘的TGF-β2受體的下調，凋亡活性的檢測也表明caspase 3 和7的活性下降，進一步間接表明TGF-β2通過凋亡來抑制毛囊的生長。

此外，最近也發現很多其他因子通過影響TGF-β2的表達來調控毛囊的生長。在神經調理素控制人類毛發生長的實驗中[22]，研究者發現，腦來源的神經調理因子(BDNF)及其高親和力受體TrkB的表達是毛囊生長周期依賴性的，BDNF可以顯著抑制毛囊生長，定量PCR表明這種抑制作用可能是通過促進TGF-β2的表達來實現的。該小組還發現p75神經調理素受體介導的信號轉導也是通過控制TGF-β2 的表達來調控毛囊退行期的起始[23]。

同樣，Foitzik等[24]和Ito等[25]分別發現全反式維A酸和γ-干擾素(IFN-γ)與BDNF的作用相似，至少TGF-β2也在某種程度上介導了由全反式維A酸和IFN-γ引起的人頭皮毛囊向退行期的轉變。據此，TGF-β2作為BDNF、全反式維A酸和IFN-γ的下游分子，對毛囊的生長和周期性循環起負性調節作用。

4.3Smad信號調節毛囊的生長周期：由于Smads是TGF-β超家族信號轉導的主要中介，雖然Smad并不局限于傳導TGF-β超家族的信號，但研究Smads的功能仍有助于部分了解TGF-β家族在毛囊生發中的作用。在所有Smad中，只有角質細胞中Smad4的丟失或Smad7的過表達才會出現表皮的異常發育以及毛囊的異常生長和發育。Smad4主要通過介導BMP信號從而影響毛囊的分化，而Smad7通過阻斷TGF-β/Activin/BMP途徑和通過抑制WNT/鈣緊張素（β-catenin）信號而明顯影響毛囊的分化和發育[26]。雖然Smad4對于Smad信號轉導是必需的，但是也有報道抑制Smad4仍能檢測到R-Smad的轉錄活性，在沒有Smad4的情況下，Smad2和3仍能入核與靶基因結合，其機制可能是通過核內蛋白TIF1-γ的作用[27]，這也說明TNF-β的信號轉導另有通路，也預示著毛囊生長發育調控信號轉導的復雜性。

對于Smad作用的研究主要是通過基因敲除小鼠或轉基因小鼠來探討的，Smad4基因敲除小鼠阻斷了毛囊的分化和周期性更替，表現為漸進性的毛發脫落。此外，突變小鼠皮膚的基底層角質形成細胞的增殖和表皮增殖加速，也影響了周期素依賴的激酶抑制劑p21的表達，并且其皮膚還出現了鱗狀細胞癌[28]。國內科學家也觀察到了類似的現象。由于Smad4突變的毛囊不能及時進行程序性的生長中期樣改變而表現出漸進性脫發，對Smad4 和TGF-β調節的表皮細胞特異性磷酸酶（PTEN）基因的同時敲除的小鼠則表現出毛發的加速脫落以及皮膚腫瘤的形成，表明Smad4 和PTEN的協同調節表皮的增殖和分化作用，甚至與某些皮膚腫瘤有重要的關系[29]。這些都間接表明了TGF-β信號對毛囊生長的重要調節作用以及對細胞周期和細胞分化都有重要影響。

總之，已證實TGF-B對毛囊有直接的作用，是毛囊生長發育過程中不可缺少的信號，并在調控毛囊生長周期中起著重要作用。TGF-β可能通過促進毛囊細胞凋亡和抑制毛囊細胞增殖調節毛囊的形態學發生發育和生后毛囊的周期性循環，參與雄激素性脫發的發生和發展，介導其他因素和因子對毛囊生長發育的影響。鑒于TGF-β超家族成員的復雜性以及對其信號傳導的兩條通路的研究尚未完全明確。因此，對于TGF-β如何調節毛囊生長發育的確切機制仍不清楚，是未來研究的重點問題。

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[收稿日期]2008-11-20[修回日期]2009-1-8

編輯/張惠娟