毛囊周期發育相關信號通路的研究進展

武曉英,任有蛇,張春香,曹貴東,岳文斌

(1.太原師范學院生物系,山西太原030031;2.山西農業大學動物科技學院,山西太谷030801;3.山西新福瑞沃生物技術工程有限責任公司,山西太原030012)

毛囊的形態發生,是通過表皮角質形成細胞(KC),與特化的真皮成纖維細胞間誘導信號的級聯放大,引起表皮角質形成細胞進行定型的毛發特異性分化過程[1]。毛囊的發育分3個階段：生長期、退行期和休止期。在生長期,毛母質細胞迅速增殖,分化形成毛囊內根鞘和毛干;退行期,毛囊下段發生凋亡,毛乳頭上移,當毛乳頭到達隆突區下方,毛發進入休止期。毛囊的形成及周期性發育是一個分子調控的過程,靠信號通路這一復雜的網絡結構來控制,而不同的信號通路就是通過對促進毛囊發育因子和抑制毛囊發育因子的嚴格平衡,并將最終信息傳遞給毛囊及毛囊周圍組織,實現對毛囊發育、毛囊活動的啟動和休止以及毛囊有絲分裂速率的調節。目前,毛發研究的關鍵在于找到協調這些不同發育階段相互轉換的分子信號。

1 毛囊形態發生及生長期的相關信號通路

1.1 W nt信號通路 Wnt信號途徑是一種參與控制胚胎發育、進化上保守的信號傳導途徑,在許多動物機體中均有很重要的作用。其中經典的Wnt/βcatenin信號參與了皮膚的生物學過程,具有調控上皮的形態發生、調節毛囊的發育及相關細胞分化的作用[2]。

目前,在生物體內發現的100多種W nt基因,廣泛參與了毛囊形態發生和周期性變化的各個環節,對于所有類型毛囊發育的起始階段和毛囊形態發生都非常重要,尤其在毛囊發生的起始階段起到重要的作用[3]。有人用流式細胞儀分選出特異表達綠色熒光蛋白的轉基因小鼠的真皮乳頭細胞,將這種純的真皮乳頭細胞在富含Wnt的環境中培養,真皮乳頭細胞能維持其誘導毛囊生成的特性,提示Wnt信號對真皮乳頭細胞有維持作用,并在毛囊間質和上皮之間建立信號傳播,調節毛囊生長和毛干結構。

β-catenin是Wnt通路上的一個最重要信號分子,主要在上皮細胞和間質細胞表達。高表達βcatenin能誘導毛囊干細胞分化形成毛囊,而基因突變或β-catenin表達降低則阻斷毛囊發育。β-catenin能促進毛囊干細胞從靜止期進入增殖期,進而啟動毛發周期。在胚胎發生過程中,如果β-catenin發生突變,毛囊上皮細胞芽的形成就被阻斷,如果在毛囊形成以后去除該基因,毛發在第1個周期之后便完全脫落,不能再生。進一步研究還證實,βcatenin決定著皮膚干細胞的最終分化方向,缺乏βcatenin時,毛囊干細胞不能分化為毛囊上皮細胞,而僅分化為表皮干細胞,形成表皮各層[4]。

1.2 Hedgehog信號通路 Hedgehog蛋白由Shh、Ihh和Dhh基因編碼,Shh是控制毛囊生長和毛囊休止期向生長期轉換的因素之一[5],也是胚胎期皮膚毛囊形態發生必需的上皮信號,表現在Shh突變小鼠的胚胎期,皮膚不能出現毛囊發育中正常的上皮內陷,即缺失將在胚胎出芽期阻斷毛囊形態發生。M ill等(2005),通過用腺病毒載體將Shh給出生19日齡C57BL/6的小鼠皮下注射,注射處皮膚Shh表達增加,休止期毛囊加速進人生長期,毛囊形態及黑素生成增加。在試驗處理后2周,小鼠注射處皮膚與非注射處皮膚相比,前者的新生毛發的速度加快。

1.3 Notch信號通路 Notch基因在細胞分化、發育中起著關鍵作用。Notch信號通路由Notch受體、Notch配體和CSL-DNA結合蛋白3部分組成。當Notch受體與配體結合后,活化的因子可直接轉移至核內,不需要第二信使就可和轉錄調節子結合而激活Notch信號,促使臨近細胞由干細胞狀態向發育分化狀態轉變,從而促進毛囊由休止期進入生長期。

Notch信號途徑可以影響到表皮附屬器的形成。多種毛囊細胞的生長發育都涉及到Notch信號。脊椎動物中發現 4個Notch同源體,包括Notchl-4,其中Notchl作用最為重要[6]。研究發現活化的Notch-1表達于轉基因動物的毛皮質,這種轉基因動物的毛發表現為光亮的彎曲波浪狀發,說明Notch信號途徑參與了毛囊細胞的定向分化或毛乳頭對上皮細胞的訓導過程。

2 毛囊發育退行期的相關信號通路

2.1 轉化生長因子(TGF-β)信號通路 TGF-β1,2,3是TGF-β信號通路的3個同功型家族成員,通過TGF-β-Smad的信號通路調節細胞生長、凋亡和分化。TGF-β1在生長期到退行期轉換過程中表達于內根鞘[7]。小鼠用TGF-β1處理可抑制移植胚胎皮膚及器官培養中毛囊生長,誘導毛囊進入退行期,因此,TGF-β1具有促進毛囊進入退行期的作用。TGF-β3與 TGF-β1 相同 ,TGF-β3蛋白在早期毛囊發育的表皮中及隨后在收進鞘中的毛囊上皮表達,但TGF-β3基因對毛囊發育及生長周期無任何影響,而且研究證實,缺乏 TGF-β1,只是延遲而不是完全阻斷毛囊進入退行期,所以除了 TGF-β家族成員,尚有其他因子參與了毛囊退行期發育。

2.2 表皮生長因子家族(EGF)信號通路 EGFEGFR信號通路系統參與了毛囊的發育和生長期向退行期的轉變。用12.5 d或13.5 d的小鼠胚胎皮膚組織建立器官培養,EGF可特異性完全抑制毛囊的形成,且這一作用是可逆的,并特異性作用于毛囊發育的早期,去除 EGFR基因可導致毛囊形成減少[8]。在EGFR缺乏或無功能,小鼠毛發生長期延長,并且外源性EGF可終止羊毛囊的生長期和推遲小鼠毛囊生長期的開始。

3 毛囊發育休止期的相關信號通路

3.1 成纖維細胞生長因子(FGF)信號通路 FGFFGFR信號通路是通過激活酪氨酸激酶級聯放大的作用,向細胞內傳遞信號。成纖維細胞生長因子5(FGF5)是一個較強的生長抑制因子,分布于毛囊的外毛根鞘,其受體分布于毛乳頭細胞、母質細胞和隆突部的干細胞。研究發現在生長期結束之前,毛囊外根鞘細胞可產生FGF5并以旁分泌方式終止細胞分裂引起生長期停止[9]。皮下注射FGF5可抑制生長期毛發生長并促進生長期向退行期轉化,最終調節毛囊進入休止期,但FGF5并非是惟一誘導毛囊進入休止期的因子。

3.2 骨形態發生蛋白(BM P)的信號通路 BMP也是TGF-β超家族成員之一,參與皮膚附屬器形態發生和出生后毛囊的生長。BM P在胎兒出生后毛囊休止期向生長期轉化過程中發揮了重要的作用,它是毛囊生長期啟動的抑制劑[10]。休止期毛囊啟動生長要求 BMP信號被Noggin的修飾,試驗證明,出生后從靜止期毛囊激活到生長,與表皮上皮細胞和間葉細胞Noggin的上調有關,Noggin可以在體內誘導出生后靜止期皮膚激活毛的生長。Botchkarev等,分析了脫毛術人工性誘導C57BL/6鼠毛囊同步周期后皮膚中BMP BMP-IA受體和Noggin表達狀況,他們發現在休止期BM P、BM P-IA受體表達水平很高,而Noggin轉錄幾乎沒有。

4 毛囊周期發育的其他相關因子

肝細胞生長因子(HGF/SF)作為一個旁分泌因子可促進小鼠毛發生長、延緩生長期向休止期的轉換和輕度誘導生長期。新生小鼠皮膚局部注射HGF/SF可使生長期毛囊生長期延長,并可輕度誘導休止期毛囊向生長期轉換,使注射部位毛囊變長變粗。

胰島素樣生長因子1(IGF-1)廣泛分布在毛囊、毛乳頭及真皮纖維細胞內,對毛囊的上皮和真皮成分均有剌激作用。體外試驗表明,外源性IGF-1可以顯著促進體外培養的毛囊生長,影響毛囊的形態發育。

血小板源性生長因子-A(PDGF-A)表達于正在發育的表皮和毛囊上皮,可通過刺激真皮間質細胞增殖促進毛乳頭和結締組織鞘形成。

白介素-1(IL-1)是重要的脫發誘導因子,參與了毛囊發育周期退行期的控制。在體外培養毛囊器官模型,引起生長期毛囊營養不良,出現毛乳頭凝縮變形、毛囊母質明顯空泡形成、毛球角化異常、毛囊黑素細胞解體和毛乳頭內出現黑素顆粒。

盡管近十年來,在描繪控制毛囊發育和周期的分子機制方面已取得了巨大的進展,發現了大量的信號通路和生長因子調節毛囊的正常發育和毛發生長周期,但是沒有一種因素在這些過程中發揮絕對控制作用,似乎在毛囊生長發育的調控過程中,涉及到很多的生長刺激因子和抑制因子之間復雜的聯系,因此,要想真正揭示毛囊發育和生長的分子信號調控途徑,并用來解決醫學領域的毛發疾病(斑禿、脫發和多毛癥等)、改良毛用動物的生產性能,還需要大量科研工作者的不懈努力。

[1] 趙勝軍.絨山羊毛囊發育及其活動調節機制的研究進展[J].黑龍江畜牧獸醫,2004,30(2)：65-66.

[2] Andl T,Reddy S T,Gaddapara T,et al.WN T singals are required for the initiation of hair follicle developmen t[J].Dev Cell,2002,2(5)：643-653.

[3] 李國強,紀影暢,李宇.毛囊形態發生的分子機制[J].國外醫學：皮膚性病學分冊,2004,30(1)：38-40.

[4] Hueiken J,Vogel R,Erdmann B,et a l.Beta-catenin controls hair follic lem orphogenesis and stem cell differentiation in the skin[J].Cell,2001,105：533-545.

[5] Wang LC,Liu Z Y,Gambardella L,eta l.Regu lar artic les：conditionaldisruption of hedgehog signaling pathw ay defines it s critical role in hair developm ent and regeneration[J].J Invest Derm atol,2000,114(5)：901-908.

[6] Kolly C,Su ter M M,Mu ller E J.Proliferation cell cycle exit and onset of terminal differentiation in cultu red keratinoey tes：Pre-Programmed Pathways in Con trol of C-Myc and Notchl Prevail over extracellu lar caleium signals[J].Invest Derm atol,2005,124(5)：1014-1025.

[7] W ollina U,Lange D,Funa K,eta l.Expression of transforming g row th factor beta isoform s and their receptors du ring hair g row th phases inmice[J].H istol H istopathol,1996,11(2)：431-436.

[8] M urillas R,Larcher F,Conti C J,eta l.Expression of a domi nant negative mu tant of epidermal grow th factor receptor in the epiderm is of transgenicm ice elicits striking alterations in hair follicle developm ent and skin stru cture[J].EMBO J,1995,14(21)：5216-5223.

[9] Suzuki S,Ota Y,Ozaw a K,et al.Dual-mode regulation of hair grow th cycle by tw o Fgf-5 gene p roducts[J].J Invest Dermatol,2000,114(3)：456-463.

[10]蘇蕊,李金泉.骨形態發生蛋白2(BMP2)基因在內蒙古絨山羊不同時期皮膚毛囊中的表達[J].中國農業科學,2008,41(2)：559-563.