姚 凡，白少成，靳榮帥，張 琛，陳 陽，吳信生

（揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225000）

毛發(fā)是哺乳動物的重要特征之一，是哺乳動物毛囊生長的副產(chǎn)物，具有保暖、防潮、偽裝等功能。毛囊是哺乳動物體內(nèi)唯一一種在整個生命周期內(nèi)進行周期性變化的器官，歷經(jīng)生長期、退行期、休止期3個時期的變化，毛發(fā)與毛囊的周期性變化密切相關(guān)。毛囊的周期性變化貫穿哺乳動物的一生，這個周而復(fù)始的過程需要經(jīng)歷不同基因精密的調(diào)控和不同機制的相互協(xié)調(diào)才能保證。毛發(fā)的生長發(fā)育還需要不同細胞之間的相互作用來控制，包括誘導(dǎo)、上皮-間質(zhì)相互作用、細胞增殖、分化、遷移和凋亡。同源異型盒（）基因是動物體內(nèi)調(diào)控生物形態(tài)的基因，近年來，對于同源盒C13（）基因的研究日益深入，其被證明對于毛囊的周期性發(fā)育和毛發(fā)的生長至關(guān)重要。本文主要圍繞基因的機構(gòu)及功能及其對毛囊生長發(fā)育的作用進行最新的總結(jié)，為在哺乳動物毛囊發(fā)育調(diào)控中的研究提供借鑒。

1 Hoxc13基因的結(jié)構(gòu)與功能

基因?qū)儆谕串愋秃谢蛑械囊环N，是哺乳動物生長發(fā)育重要的轉(zhuǎn)錄因子。所有基因家族都具有2個外顯子和1個內(nèi)含子，內(nèi)含子區(qū)有3個保守片段，其中的1個保守片段幾乎在所有動物中都存在。Wu等分析不同物種基因的CDS序列，發(fā)現(xiàn)在哺乳動物基因N端都存在富含甘氨酸的結(jié)構(gòu)域，推測可能與動物被毛進化有關(guān)。

在皮膚毛囊的形態(tài)發(fā)生、周期性生長和毛發(fā)性狀形成過程中扮演重要角色?；蛉笔?、突變等會引起純毛發(fā)和指甲外胚葉發(fā)育不良。對克隆絨山羊基因研究發(fā)現(xiàn)，非哺乳動物向哺乳動物進化過程中基因出現(xiàn)了1次基因插入，這表明基因在哺乳動物被毛的起源過程中發(fā)生了適應(yīng)性進化。吳玉江等通過混池DNA直接測序法檢測西藏絨山羊基因并對其SNP進行分型，發(fā)現(xiàn)基因第2外顯子具有2個SNPs位點，分析表明2個SNPs位點與羊毛平均纖維直徑相關(guān)。使用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建基因敲除兔，發(fā)現(xiàn)基因敲除兔毛發(fā)和指甲發(fā)育異常，背部和頭部毛發(fā)完全缺失，前后肢和尾部生長有少量的毛發(fā)，臉、四肢、背部出現(xiàn)了痤瘡樣病變。另外，基因敲除兔的皮膚中出現(xiàn)毛囊數(shù)量減少、皮脂腺增多增大以及毛囊口堵塞。對毛囊的發(fā)育、毛發(fā)的產(chǎn)生和形態(tài)具有重要作用，缺失可導(dǎo)致哺乳動物皮膚病變、毛發(fā)缺失等。

2 Hoxc13基因在哺乳動物中的表達規(guī)律

目前對于的研究主要集中于鼠、羊、兔和人上，對于其他毛用哺乳動物還缺少相關(guān)的研究。與毛囊的周期性循環(huán)具有密切關(guān)系，在毛囊周期不同時期的表達量可能控制著毛囊生長期、退行期和休止期的轉(zhuǎn)變。生長期次級毛囊的平均直徑最小，次級毛囊的密度和活性百分比隨著生長階段的變化而逐漸增加。Wang 等研究發(fā)現(xiàn)，在皮膚中次級毛囊的表皮、毛囊真皮鞘細胞、外根鞘細胞、內(nèi)根鞘細胞、發(fā)干中均有表達，Hoxc13蛋白在外根鞘細胞中高表達。He等發(fā)現(xiàn)在前生長期、退行期和休止期中表達較弱，而隨著生長前期和生長期次級毛囊的增加，表達顯著增加。馮帥帥檢測發(fā)現(xiàn)基因在絨山羊羊絨生長期的表達水平顯著高于羊絨休止期。杜建文等發(fā)現(xiàn)基因在蘇博美利奴羊不同組織中均有表達，且在皮膚組織中表達量最高。細毛羊中基因在肩部和腹部都有表達，其中在腹部表達量最高，且基因影響羊毛的長度。Han等利用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建基因敲除鼠、兔、豬，發(fā)現(xiàn)動物全身呈現(xiàn)缺毛、少毛現(xiàn)象，同時毛囊都表現(xiàn)出毛囊數(shù)目減少、排列紊亂、毛囊口堵塞等異常表型。Hoxc13蛋白在次級毛囊中的表達表明其可能在角質(zhì)形成細胞的生長和再生中起關(guān)鍵作用，同時Hoxc13蛋白對于維持外根鞘細胞的功能也有重要作用。以上結(jié)果反映了基因可以調(diào)控毛囊和毛囊相關(guān)細胞的生長和分化，同時對毛囊的形態(tài)也具有一定調(diào)控作用，其在毛囊發(fā)育周期中通過對毛囊的一系列調(diào)控進而來控制毛發(fā)的發(fā)生與生長，對毛發(fā)哺乳動物產(chǎn)毛和人類脫發(fā)研究具有重要意義。

3 Hoxc13基因在毛囊發(fā)育中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

3.1基因在毛囊發(fā)育中的下游作用途徑 絨山羊的季節(jié)性毛囊活動和纖維生長是一個周期性過程，通過對12月來絨山羊側(cè)皮19個毛囊發(fā)育相關(guān)基因（HFDRGs）的研究，發(fā)現(xiàn)/基因與卵泡活性相關(guān)；使用褪黑素治療絨山羊時發(fā)現(xiàn)角質(zhì)形成細胞中的表達量急劇增加；此外，將p-ECFP基因轉(zhuǎn)染絨山羊皮膚成纖維細胞，結(jié)果表明，基因的過表達抑制了對毛囊發(fā)育有負作用的HFDRGs（和）的表達，促進了對毛囊發(fā)育有正作用的HFDRGs（和）的表達，絨山羊的毛囊活性受到表達的影響。在毛囊生長期早期，注射ShRNA（Sh）抑制可促進生長期進入，表現(xiàn)為毛發(fā)長度和毛球大小明顯減少，生長期毛囊百分比增加，毛發(fā)周期評分和TUNEL+細胞增多。相反，在生長后期局部注射重組多肽（rh）可延長生長期；此外，在休止期注射rh可顯著促進毛發(fā)生長并誘導(dǎo)生長進程。在分子水平上，磷酸化（p-）在Sh處理的毛囊中表達上調(diào)，在rh處理的毛囊中表達下調(diào)，表明可能通過抑制信號傳導(dǎo)而阻斷生長抑素轉(zhuǎn)換?；虬邢虻霓D(zhuǎn)基因小鼠出生后皮膚中表達顯著下調(diào)，此外，在該小鼠有缺陷的毛囊髓質(zhì)中未檢測到表達，通過基因芯片分析表明是在髓質(zhì)分化過程中的下游調(diào)節(jié)靶點。基因靶向（tm1Mrc）小鼠和基因靶向（nu）小鼠脫發(fā)是由于毛干分化中相似的缺陷造成的，并且2個突變體都患有嚴重的指甲營養(yǎng)不良。對tm1Mrc小鼠皮膚的DNA微陣列分析發(fā)現(xiàn)，與等許多毛發(fā)角蛋白基因一起顯著下調(diào)。共轉(zhuǎn)染和染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP）實驗得到的結(jié)果表明，下調(diào)反映了失去直接轉(zhuǎn)錄控制；的依賴性激活是調(diào)控級聯(lián)調(diào)控末端分化標志物表達的一部分。綜上可知，過表達能夠調(diào)節(jié)毛囊相關(guān)基因的表達，上調(diào)具有正向調(diào)控作用的基因來延長毛囊的生長期，從而促進動物毛囊的生長；敲除則抑制對毛囊發(fā)育具有正向調(diào)控作用的基因的表達，從而表現(xiàn)出毛囊缺陷、脫發(fā)等現(xiàn)象。

角蛋白是動物毛發(fā)的重要組成蛋白，角蛋白（KRTs）和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白（KAPs）基因與羊毛囊的整個生長發(fā)育過程有重要聯(lián)系?；蛲ㄟ^控制和基因的表達從而成為羊毛囊生長發(fā)育的過程中的關(guān)鍵調(diào)控基因，對毛囊發(fā)育產(chǎn)生重要影響。研究表明，絨山羊中和基因在生長期的相對表達量極顯著低于休止期；并且，基因在休止期高產(chǎn)絨山羊的表達量顯著高于低產(chǎn)羊，基因可能作為轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)節(jié)基因的表達，從而控制羊絨的生長發(fā)育。綿羊 KAP11.1基因 5′端上游在-251～-148 bp處存在3個與毛囊發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子（、和）結(jié)合位點，利用點突變和RNA干擾技術(shù)在體外細胞抑制的表達證實這些結(jié)合位點對具有調(diào)控作用。蘇波利用凝膠電泳遷移試驗（EMSA）驗證3個轉(zhuǎn)錄因子序列和核蛋白形成了蛋白結(jié)合物，這些基因存在相互作用，共同調(diào)控的表達來實現(xiàn)對毛囊發(fā)育的影響。另有研究表明，角蛋白基因在羊絨周期中的表達與的表達模式相似，除和外，其余角蛋白在羊絨生長期的表達高于休止期。Wang等研究發(fā)現(xiàn)在毛乳頭細胞中過表達上調(diào)了和的啟動子活性，下調(diào)了和的啟動子活性，表明對于不同角蛋白的啟動子活性具有不同作用。角蛋白與角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白基因是基因的下游靶基因，可能直接或與其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合成復(fù)合物，來調(diào)控角蛋白和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白基因的啟動子區(qū)域，從而調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達，來控制毛囊變化，進而對毛發(fā)性狀產(chǎn)生影響。

3.2基因在毛囊發(fā)育中的上游調(diào)控因子基因作為轉(zhuǎn)錄因子不僅可以調(diào)控相關(guān)基因的表達，同時還受其他因素的調(diào)控。有研究以小鼠枝芽為模型，分析Hoxc基因在外胚層的功能，得出Hoxc基因的表達在外胚層具有漸進性時間激活，在外胚層發(fā)育后期表達達到最大。Fernandez-Guerrero等通過構(gòu)建突變鼠得到毛發(fā)缺失小鼠，同時還發(fā)現(xiàn)了位于基因上游的2個哺乳動物特異性增強子簇，這2個增強子在動物毛發(fā)和指甲發(fā)育過程中共同作用來提高基因的轉(zhuǎn)錄水平。另有研究發(fā)現(xiàn)在退行期和休止期表達上調(diào)，過表達可以直接抑制、和的表達，從而導(dǎo)致脫發(fā)。對啟動子區(qū)域研究表明，啟動子區(qū)域有和的結(jié)合位點，/報告基因分析過表達的小鼠，表明表達水平受到負自我反饋調(diào)節(jié)控制，同時可以通過結(jié)合的啟動子來調(diào)節(jié)表達。Wang等將啟動子載體與外源褪黑素加入毛乳頭細胞中，熒光素酶活性增強，表明褪黑素可通過影響啟動子活性來調(diào)節(jié)。另外，有研究發(fā)現(xiàn)基因啟動子區(qū)CpG位點在休止期甲基化程度更高，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶相關(guān)基因和在羊絨休止期的表達水平比羊絨生長期更高。因此，DNMTs可能通過調(diào)節(jié)基因的甲基化水平對羊絨的周期性生長進行調(diào)控。

4 結(jié) 語

作為毛囊生長發(fā)育過程中一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，可通過控制角蛋白和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白等來調(diào)控毛囊及毛囊相關(guān)細胞的生長發(fā)育、分化、遷移、增殖和凋亡等，從而控制哺乳動物的毛發(fā)性狀；同時，基因還受上游基因、相關(guān)蛋白、化學(xué)制劑等影響，共同控制哺乳動物毛發(fā)的形成與生長。目前對于基因已有部分研究，但對于具體的作用機制還未完全了解，需要通過試驗進一步確定基因下游靶位點以及上游調(diào)控分子，構(gòu)建毛囊生長發(fā)育的完整網(wǎng)絡(luò)，為未來深入研究基因奠定基礎(chǔ)。同時，利用Chip-seq等技術(shù)來確定Hoxc13蛋白與下游基因之間的相互作用，有利于進一步了解在毛囊生長發(fā)育周期和毛發(fā)形成過程中的作用機制，為哺乳動物毛發(fā)的生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)，同時也能為人類脫發(fā)治療提供新的理論依據(jù)和方法。