哺乳動物毛囊形態發生研究進展

海爾汗，張燕軍

（內蒙古農業大學動物科學學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

1 毛囊形態發生

皮膚是哺乳動物體表面積最大的器官，皮膚像是一個“防護罩”，保護機體不受外界環境影響，例如紫外線輻射、極端溫度和病原微生物等其他潛在危害。皮膚附屬物（毛囊和乳腺）的出現是哺乳動物進化過程中很重要的環節[1]。毛囊是產生毛干的小器官，其的發生是由上皮細胞與相鄰的真皮成纖維細胞相互作用決定的[2,3]。

胚胎時期毛囊的發生發育是一個十分復雜的過程，這期間上皮細胞和真皮成纖維細胞以及相關衍生細胞通過信號傳導來誘導毛囊的形成，可分為0～10共11個階段[4]。在0階段，部分真皮成纖維細胞開始出現真皮聚集（Dermal Condensate,DC）的趨勢，而上皮細胞無任何變化[4]。到了第1階段，上皮細胞在WNT信號家族、EDA和EDA等誘導下分化成基板（Placode,PC）前體細胞。第2階段的PC前體向真皮成纖維細胞釋放FGF20等信號分子，規范其完成定向聚集的細胞命運決定[4]，形成DC的真皮成纖維細胞失去了細胞分裂能力，DC的形態發生與真皮成纖維細胞退出細胞周期有關[4]。第3階段中的PC與其他表皮區域相比看起來更厚、更大，而且已經形成基底膜。此時DC的單元格數量也有所增加，這其中鄰近DC的真皮成纖維細胞的命運決定轉變是唯一因素[4]。到了第4階段，PC開始出現發芽結構，DC也相比第3階段更加緊密，并且堿性磷酸酶在DC的表達量增高，表明DC已經初步分化出了的真皮乳頭（Dermal Papilla,DP）[4]。PC在第5階段下陷的更加明顯，DC處在下陷的發夾邊緣并開始被基質細胞吞噬[4]。階段6中的發夾在形態學上已經形成類似毛囊的結構，下端的基質細胞吞噬了50%以上的DC并與其緊密結合變成球狀，DC在此階段的形狀也越來越像成熟的DP[4]。第7階段中內根鞘開始在發育的毛囊中生長，毛干也開始發育。毛囊干細胞前體也開始出現于外根鞘上端的凸起位置，皮脂腺細胞位于皮脂腺前體出現的位置，而DC幾乎被基質細胞完全吞噬[4]。不斷增長的毛囊在第8階段已經下陷至真皮邊界，并且出現了形態可見的毛干，內根鞘也開始表達毛發透明質酸。皮脂腺細胞形成成熟的皮脂腺，位于毛囊一側凸起部位，DC被基質細胞完全吞噬，并且在形態上相較于第7階段更薄[4]。到了毛囊發育的第9階段，DP占據的范圍縮小，毛干頂部離開內根鞘[4]。最后到了第10階段，毛囊發育已達到最大長度，延伸到了皮下組織，毛干也穿出表皮。

2 毛囊發生發育過程中相關信號分子

2.1 毛囊啟動過程中關鍵信號分子

多年以來，研究人員已經廣泛地證明了WNT/βcatenin信號通路在毛囊發生發育過程中的重要性[5]。敲除轉錄因子Lef1（β-catenin的結合配偶體）的突變小鼠會缺失毛囊和乳腺等皮膚附屬器官，當無毛小鼠的表皮過度表達Lef1后會形成毛囊的異常聚集，而表皮穩定表達β-catenin的小鼠會出現新的毛囊。WNT信號家族在毛囊啟動過程中主要定位于PC前體[5]，這表明WNT信號家族在PC形成過程中的重要性，特別是當表皮缺失β-catenin會阻滯毛囊的發生[6]。同樣，WNT信號通路抑制劑DKK1和DKK2在表皮的過渡表達均會抑制PC的形成[7]。除了誘導PC啟動，在PC成熟后到PC下陷的過渡階段中，表皮中局部活躍的WNT信號通路誘導上皮細胞的定向聚集是必須的。早期PC形態發生期間的活體成像和跟蹤細胞分裂證明WNT信號通路和EDA是通過定向遷移和細胞骨架重排介導PC形成，而不是細胞增殖[5]。在毛囊形成的早期階段，特別是DC開始定向聚集時也發現了活躍的WNT信號[6]。

當TNF家族配體EDA與其受體EDAR結合時會激活下游NF-κB信號通路并誘導PC的啟動[8]。在模擬人類毛發生長的小鼠模型中，抑制EDA和EDAR的表達不能形成皮膚附屬器官，例如毛囊和牙齒[8]。在毛囊啟動期間，EDA在整個表皮均勻表達，而EDAR只在基板啟動的區域表達[8]。EDA信號是WNT信號通路的下游，WNT信號通路的抑制會降低EDAR和NF-κB信號通路的活化，而WNT信號通路的活躍程度不會隨著EDA表達的變化而變化[9]。盡管EDAR是PC早期形成的標記分子之一，但是EDA和EDAR對PC的啟動可能不是必須的，EDA缺失PC也會啟動，但是不會進一步發育。表明EDA和EDAR發揮的功能可能是誘導PC的成熟，這也表明毛囊在發育過程中不同階段的分子信號控制也有所不同[9]。

在PC啟動前后，“第一上皮信號”會誘導和規范部分真皮成纖維細胞完成DC的細胞命運決定。到目前為止，FGF20是唯一一個確定在DC啟動過程中直接從上皮細胞獲取的信號分子，當FGF20得到抑制后，已經形成DC的成熟體會消失[4]，并且FGF20誘導真皮成纖維形成DC不是通過細胞增殖，而是通過細胞遷移來實現的[4]。除了會抑制DC的形成，FGF20的突變還會導致PC的形變和非正常擴張[4]。雖然FGF20是WNT信號通路和EDA的下游靶點，但是當敲除FGF20的PC中EDAR表達水平也嚴重降低[4]。簡單來說，FGF20是PC前體向真皮成纖維細胞發出的第一個已知上皮信號，負責促進真皮成纖維細胞向DC的轉化，這期間發揮的細胞機制是細胞遷移。

與WNT信號通路、FGF信號通路和EDA促進毛囊形態發生作用機制不同，BMP信號通路是以抑制方式來維持毛囊正常形態發生，包括微調和抑制WNT信號通路的活躍范圍，這可以讓毛囊保持一定的間隔來正常發育。在毛囊形態發生過程中，BMP2和BMP4分別富集于PC和DC，并抑制BMPR1A在毛囊發生鄰近表皮中的表達，從而阻斷該區域毛囊的發生[4]。

2.2 毛囊向下生長過程中關鍵信號分子

在毛囊啟動后，PC和DC依次分別獲得了 “第一真皮信號”和“第一上皮信號”。隨后DC產生“第二真皮信號”，誘導PC祖細胞增殖，使其向下生長。表皮和真皮之間連續且復雜的信號傳導是毛囊形成的關鍵。但是到目前為止，還沒有確定“第二上皮信號”，上皮細胞的SHH信號通路、PDGFA信號通路和MAPK信號通路在隨后毛囊向下生長過程中也能作用于DC[4,10]。SHH信號通路也被證明是調控Sox9完成毛囊干細胞命運決定規范的關鍵[4]，并且維持毛囊發育中PC的正常細胞運動。

SHH信號通路在PC形成的各個階段均有表達，而其受體PTCH在表皮和真皮中都有表達[4]。盡管PC和DC均正常誘導，但是敲除SHH信號通路的小鼠會阻滯PC發育成發芽結構。皮膚特異性SHH信號通路的抑制劑SMO可抑制皮膚中SHH信號通路的活性，對DC中Noggin的表達和DC的維持具有重要意義。相反，敲除Noggin的皮膚中，PC未能激活SHH信號通，表明DC中的SHH信號和PC中Noggin介導的BMP信號通路在毛囊的發生發育過程中建立了正反饋環。SHH信號通路對毛囊干細胞在隆凸區域的擴增十分重要，其可以激活PC向下生長過程中局部WNT信號通路，觸發毛囊原始體上半部分基底細胞中Sox9的表達，從而建立毛囊干細胞細胞系。SHH信號通路還對PC下陷形成發芽結構過程中維持細胞的運動能力[4]。

在毛囊形態發生過程中，PDGFA在表皮中廣泛表達，而其受體PDGFRA在真皮中表達[10]。敲除PDGFA的研究結果顯示，盡管毛囊可以正常誘導，但是由于毛囊發育遲緩，導致小鼠毛發稀疏，表明毛囊向下生長需要PDGFA信號[4]。然而有研究報道特異性敲除皮膚PDGFA后不會影響毛囊誘導和發育，僅在造成嚴重系統性表型的PDGFA突變體中發現了被抑制生長的毛囊表型。考慮到PDGFA對于基體發育方面的重要性，毛囊發育遲緩可能源于敲除系統性PDGFA信號導致。

除了SHH信號外，MAPK信號通路也被認為是毛囊向下生長的關鍵。配體TGF-β2由真皮成纖維細胞分泌，并作用于上皮細胞中的受體TGF-βR2[4]。TGF-β2的缺失盡管會使表皮像PC一樣局部增厚，但是不會使其向下生長，表明MAPK信號通路對毛囊的啟動可能存在抑制作用，而對毛囊向下生長起促進作用。

TGF-βR2和FGFR2敲除結果顯示，小鼠形成成熟的毛囊較少，并且毛囊生長遲緩，而將這些受體蛋白在上皮細胞中持續表達后，會導致上皮細胞向表皮分化，不會形成PC[4]。最近的一項研究將MAPK信號通路置于EDA信號傳導下游的NF-κB/Lhx2/MAPK信號傳導軸中[4]，NF-κB活性受到抑制和NF-κB靶點Lhx2被敲除的小鼠都不能激活MAPK信號通路，表明EDA信號傳導不僅對毛囊形成過程中對PC的啟動和維持起著重要作用，并且通過激活MAPK信號通路，對毛囊的向下生長也是必不可少的。

3 小結

毛囊的形態發生是一個復雜的模型系統，隨著上皮細胞形成的PC下陷以及真皮成纖維細胞形成DC，毛囊開始逐步發育，可以看到上皮-真皮之間的相互誘導是這個復雜模型系統的基本框架。真皮和表皮的作用是毋庸置疑的，它們不僅是皮膚的基本單位，也因為它們之間的相互作用形成了毛囊，不可否認的是研究毛囊的發生發育還是要從上皮細胞和真皮成纖維細胞開始。