楊夢潔，林蕾，高晶

毛囊發(fā)育和循環(huán)生長的信號機制的研究進展

楊夢潔，林蕾，高晶

近年來，脫發(fā)現(xiàn)象趨于普遍性和年輕化。臨床對脫發(fā)的分類主要有：瘢痕性和非瘢痕性脫發(fā)。目前對各類脫發(fā)產(chǎn)生的原因尚不完全清楚，過去幾十年來，對禿發(fā)的認識和理解主要集中在：瘢痕性脫發(fā)是毛囊上部干細胞以及腺體所在部位的炎癥反應[1]；非瘢痕性脫發(fā)則與激素的代謝和局部免疫反應有關。而最新研究顯示[2]，在瘢痕性脫發(fā)和非瘢痕性脫發(fā)中毛囊干細胞對毛囊的分化和生長都起到重要的支持作用。因為毛囊的形態(tài)發(fā)育和再生具有高度相似性，所以清楚的理解毛囊發(fā)育的信號機制將為創(chuàng)造一個利于毛囊和皮膚再生的局部微小環(huán)境。

1 毛囊的結構和發(fā)育、循環(huán)生長周期

毛囊做為一個微小的組織器官，是由神經(jīng)外胚層－中胚層相互作用產(chǎn)生[3]。毛囊胚胎發(fā)育可分為5期。在第1、2期，外胚層細胞在中胚層產(chǎn)生的毛囊生成初始信號誘導下，增厚形成毛囊第一結構-基板；第3期，基板對位于其下方的間充質(zhì)細胞產(chǎn)生信號反饋，促使其增生、凝集形成真皮凝聚體；第4期，間充質(zhì)細胞信號誘導基板增生、內(nèi)陷和包裹真皮凝聚體，凝聚體演變成-真皮乳頭；最后，毛囊上皮分化成各類毛囊細胞結構，完整的毛囊、毛囊腺體和肌肉結構生成。在成熟個體中，毛囊的生長呈現(xiàn)周期性循環(huán)，包括生長期、退化期和靜止期[4]。生長期，在毛囊基底部的上皮細胞，即毛囊基質(zhì)的增生、分化和遷移形成內(nèi)根鞘（IRS）和毛桿（HS）。靜止期，因為不斷增加的毛囊上皮細胞的凋亡，真皮乳頭功能抑制和解剖位置下移。最后在退化期，毛桿生長停止并脫落。在毛囊循環(huán)生長中，下2/3的毛囊的形態(tài)經(jīng)歷動態(tài)循環(huán)變化，而上1/3的結構保持不變。在毛囊近立毛肌附著處，外根鞘隆突區(qū)含有永久存在的毛囊干細胞，這一部位稱毛囊隆突。另一個結構，毛囊真皮乳頭是由一群具有神經(jīng)干細胞潛能的真皮細胞。毛囊干細胞的自我更新、分化和靜止特性是毛囊增生和循環(huán)生長的重要基礎。而毛囊真皮乳頭和上皮干細胞的相互信號作用，對毛囊的發(fā)育和再生都起到重要調(diào)控作用。

2 調(diào)節(jié)毛發(fā)生長的信號通路

毛囊胚胎期的形成與胚后周期性生長都需要毛囊干細胞和毛囊真皮乳頭干細胞間相互作用和信號的循環(huán)交換[5]。通過基因敲除等技術已證實Wnt/-catenin、骨形成蛋白（BMP）、sonic hedgehog（Shh)以及NF-B等信號分子在毛發(fā)生長中扮演著重要的角色。本文主要概述Wnt/-catenin、BMP以及Shh信號通路的調(diào)控機制。

2.1 Wnt/-catenin信號通路Wnt是最早被證實與毛囊誘導形成密切相關的因子。Wnt通過結合Frizzle受體，抑制骨架蛋白復合體對細胞漿內(nèi)分子-catenin的降解，穩(wěn)定的-catenin進入核內(nèi)結合TGF/Lef轉錄因子促進其下游靶基因的表達[6-7]。Wnt/-catenin信號是毛囊基板形成所必需的啟動因子，目前尚不清楚知道哪種W nt信號特異性的配體作用于起始毛囊發(fā)育。但是，通過對胚胎上皮干細胞的研究發(fā)現(xiàn)：W nt/-catenin在調(diào)節(jié)上皮干細胞的活化過程中可能與整合素交互作用，這為其細胞間的信號傳導機理提供重要線索。整合素是存在于細胞膜上的細胞外基質(zhì)主要受體之一，能夠與游黏著斑激酶（FAK）相作用，形成細胞粘附復合物，對細胞的遷移和增生予以調(diào)控。Ridgway等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當特異性的刪除皮膚中的FAK基因能夠阻礙毛囊外根鞘隆突區(qū)上皮干細胞的分化，而FAK對于-catenin的核定位和活化以及-catenin靶基因c-myc的轉錄活化是這一過程中所必要的。由于缺少FAK的結合，整合素的構型發(fā)生改變，繼而影響到其由胞內(nèi)向胞外的信號傳導。

Wnt/-catenin信號通路對毛囊發(fā)育的調(diào)控不是通過單一的信號途徑。其中Wnt/-catenin與EDA-A1/NF-B信號通路相互協(xié)調(diào)，并調(diào)控BMP信號通路是另一重要類型。ectodysplasin-A片段（EDA）和其受體ectodysplasin-A receptor（EDAR）在毛囊上皮中扮演Wnt/-catenin的下游靶基因[9]。Wnt/-catenin調(diào)節(jié)EDA/EDAR的表達，EDAR激活的EDA-A 1/NF-B信號通路。當胚胎期小鼠缺失EDAR或EDA-A 1/NF-B的表達時，小鼠毛囊基板形成受阻；而EDAR含量增加時，小鼠形成毛囊基板變大。在間充質(zhì)干細胞中，EDA-A1/NF-B信號通路的激活又可對W nt信號起間接抑制作用[10]。這就為Wnt/-catenin信號通路在毛囊上皮－真皮細胞之間復雜作用機制提供一個負反饋模型。在毛囊發(fā)育和生長中，EDAR不僅與W nt/-catenin信號通路密切聯(lián)系，而且抑制BMP信號通路。

2.2 BMP信號通路BMP是屬于轉錄生長調(diào)節(jié)因子-（TGF-）家族[11]，是脊椎動物發(fā)育過程中重要的形態(tài)因子。在機體中，BMP通過與其特異性受體BMPR相結合，能夠和其他生長因子家族（Wnt、Shh、EGF、FGF以及神經(jīng)營養(yǎng)因子等）相互作用，調(diào)控包括皮膚在內(nèi)的多種器官組織中的細胞增殖、分化以及調(diào)亡過程[12]。在毛囊中，BMP信號抑制基板的形成，調(diào)節(jié)毛囊基質(zhì)前體細胞的增殖與分化，影響毛囊的形態(tài)發(fā)生。Noggin做為BMP拮抗體，表達在毛囊間充質(zhì)細胞中。Noggin對BMP的負反饋調(diào)節(jié)作用誘導了胚胎期的毛囊形成和胚后的毛囊生長。在胚胎期的毛囊形成初期，刺激真皮細胞分泌Noggin，解除上皮基板細胞中BMP4b對周圍的上皮細胞中的Wnt信號的抑制作用，促進Wnt/-catenin信號通路下游因子Lef-1的表達，進而維持基板上皮細胞的增生[13]。在胚后的再生循環(huán)性生長中，BMP4的高表達或Noggin失活導致毛囊再生速度明顯下降，并表現(xiàn)出漸進性禿發(fā)。另外，BM P的表達對維持上皮干細胞和真皮乳頭細胞的數(shù)量及調(diào)控毛囊上皮干細胞前體細胞分化中起到重要作用[14]。在毛囊中，BMPRIA是唯一表達的BMP受體，K rzysztof等[15]通過條件性敲除小鼠BMPRIA表達基因，導致毛囊上皮細胞內(nèi)GATA-3水平下調(diào)和Lef-1水平上調(diào)，而高表達的Lef-1不能克服因GATA-3的缺失所引起的上皮細胞分化抑制，最終小鼠IRS不能正常形成。這表明，BMP通過GATA-3對W nt/-catenin起到上游調(diào)控信號作用。與此同時，BM P還表現(xiàn)出依賴于其抑制物Sostdc1

的活性強度對毛囊上皮和真皮前體細胞的分化和遷移的調(diào)控。當Sostdc1水平下降，BMP信號通路激活，毛囊上皮前體細胞的分化缺失；而當Sostdc1水平上升時，這種缺失效應被削弱。Clavel等[16]研究發(fā)現(xiàn)，通過敲除胚胎期真皮乳頭前體細胞中Sox2轉錄因子，真皮細胞中BMP6的表達上升，而Sostdc1的表達下調(diào)，乳頭前體細胞的遷移、凝集的速度下降。因此，抑制BMP信號通路是促進毛囊上皮和真皮前體細胞分化不可或缺的因素。

如前所述，在調(diào)節(jié)毛囊發(fā)育過程中，BMP信號還能夠與EDA/EDAR介導的胞內(nèi)信號相互作用。在細胞中，EDAR通過激活EDA-A1/NF-B信號，誘導BMP的表達。Pumm ila等[17]研究發(fā)現(xiàn)外源性的Noggin能夠修復EDA缺陷皮膚中的毛囊基板形成，暗示了高表達的BMP對EDA信號卻產(chǎn)生抑制效應。因此，EDA/ EDAR介導的信號通路與Wnt、BMP信號通路形成一個復雜的負反饋循環(huán)，EDA/EDARs是其中重要的信號中轉站。進一步的研究表明，EDA/EDAR通過EDA-A 1/NF-介導的信號通路與相當廣泛的毛囊形態(tài)因子作用，其中Shh信號通路就是即W nt和BMP以外的又一成員。

2.3 Shh信號通路Shh主要在毛囊上皮細胞中表達，是參與毛囊胚胎形態(tài)發(fā)生以及后期的分化過程的重要信號分子[18]。Shh和跨膜蛋白PTCH結合，釋放細胞表面受體SMO活性，激活轉錄因子Gli。Mill等[19]研究發(fā)現(xiàn)，Gli2基因缺陷型小鼠與Shh基因缺陷型小鼠有類似的毛囊發(fā)育表型，例如毛囊基板上皮細胞增殖速度下降，毛囊基板內(nèi)陷和進一步分化生長受阻，毛囊數(shù)目減少，最終形成禿發(fā)。近期，通過對EDA/EDAR的研究，對以上形態(tài)表現(xiàn)相關的分子生物學機理的理解給予一定的闡述。在基板上皮中，Wnt/-catenin激活EDA/EDAR/ NF-B信號通路，調(diào)控與毛囊基板上皮細胞中Shh相關的細胞周期蛋白cyclinD1、cyclinD2活性，促進上皮細胞增殖，維持上皮細胞的動態(tài)平衡。如前所述，信號傳導通路通過細胞與細胞間的相互作用影響毛囊發(fā)育和生長。由于上皮細胞的信號改變，影響到毛囊真皮細胞的信號因子的表達，進而造毛囊真皮乳頭的形態(tài)功能的改變。真皮乳頭中Noggin因子的表達是毛囊乳頭發(fā)育成熟，并具有誘導毛囊生成能力的重要標準。近年來，Gao等[20]研究發(fā)現(xiàn)，誘導細胞外基質(zhì)所形成的基底膜中重要組成成分lam inin-511突變，使得真皮乳頭細胞不能表達形態(tài)發(fā)生因子Noggin。Gao等[20]通過對這一表型的分子信號學分析，首次對細胞間相互作用的機理有了突破性理解。具體機制如下：由毛囊基底層上皮細胞分泌的laminin-511與其在間充質(zhì)細胞膜上的受體integrin亞基結合，促進初級絨毛的形成，進而激活Shh蛋白下游信號分子的活性；上皮細胞分泌的血小板衍生生長因子（PDGF）與間充質(zhì)細胞膜上PDGF受體PDGFR結合，在兩條通路的共同作用下，刺激間充質(zhì)細胞分泌Noggin因子，去除BMP對毛囊生成的抑制效應。對以上機理進行概述，即在調(diào)控毛囊器官形成中，Nogginlam inin-511-Shh通過信號循環(huán)反饋通路誘導毛囊上皮細胞-基底膜-真皮細胞相互作用，從而誘導基板細胞增生和真皮乳頭形成。

3 展望

胚胎毛囊發(fā)育和成年毛囊再生是高度相關的進程，兩者都依賴于干細胞群通過高度協(xié)調(diào)的和逐步的程序進行分化產(chǎn)生完整的毛囊結構。在這里，筆者概括總結了目前已理解的信號傳導通路對毛囊發(fā)育和再生調(diào)控的機制。但是，相對參與組織發(fā)育和平衡的龐大的信號網(wǎng)絡來說，這只是一個開始。通過基因突變等遺傳工程手段，所獲取的疾病動物模型，為研究毛囊疾病的機理和開發(fā)有效的治療手段，提供有力的手段。但是，在大多數(shù)人類疾病中，微小的多個基因改變可導致嚴重的病理表型，甚至致命。這些突變的微小性和復雜性，很難利用現(xiàn)有的基因敲除等手段建立研究模型并徹底揭示其致病機制。近年來，誘導式多能性干細胞（iPS）的出現(xiàn)和其能分化成各類毛囊角化細胞的能力，結合高產(chǎn)量的測序手段，使得我們在不久的將來不僅可識別那些與疾病有關的基因變化，也能通過移植人iPS至免疫缺陷小鼠體內(nèi)，模擬這些疾病中皮膚和毛囊的疾病模型，從而為治療人類毛囊疾病打開新的篇章。

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10.3969/j.issn.1671-0800.2014.06.082

R318

C

1671-0800(2014)06-0781-04

國家自然科學基金（81101206），寧波市自然科學基金（2013A610253）

315211 寧波，寧波大學醫(yī)學院（楊夢潔、高晶）；寧波大學醫(yī)學院附屬醫(yī)院（林蕾）

高晶，Email：cjinggao@gmail.com