毛囊发育和循环生长的信号机制的研究进展

杨梦洁，林蕾，高晶

毛囊发育和循环生长的信号机制的研究进展

杨梦洁，林蕾，高晶

近年来，脱发现象趋于普遍性和年轻化。临床对脱发的分类主要有：瘢痕性和非瘢痕性脱发。目前对各类脱发产生的原因尚不完全清楚，过去几十年来，对秃发的认识和理解主要集中在：瘢痕性脱发是毛囊上部干细胞以及腺体所在部位的炎症反应[1]；非瘢痕性脱发则与激素的代谢和局部免疫反应有关。而最新研究显示[2]，在瘢痕性脱发和非瘢痕性脱发中毛囊干细胞对毛囊的分化和生长都起到重要的支持作用。因为毛囊的形态发育和再生具有高度相似性，所以清楚的理解毛囊发育的信号机制将为创造一个利于毛囊和皮肤再生的局部微小环境。

1 毛囊的结构和发育、循环生长周期

毛囊做为一个微小的组织器官，是由神经外胚层－中胚层相互作用产生[3]。毛囊胚胎发育可分为5期。在第1、2期，外胚层细胞在中胚层产生的毛囊生成初始信号诱导下，增厚形成毛囊第一结构-基板；第3期，基板对位于其下方的间充质细胞产生信号反馈，促使其增生、凝集形成真皮凝聚体；第4期，间充质细胞信号诱导基板增生、内陷和包裹真皮凝聚体，凝聚体演变成-真皮乳头；最后，毛囊上皮分化成各类毛囊细胞结构，完整的毛囊、毛囊腺体和肌肉结构生成。在成熟个体中，毛囊的生长呈现周期性循环，包括生长期、退化期和静止期[4]。生长期，在毛囊基底部的上皮细胞，即毛囊基质的增生、分化和迁移形成内根鞘（IRS）和毛杆（HS）。静止期，因为不断增加的毛囊上皮细胞的凋亡，真皮乳头功能抑制和解剖位置下移。最后在退化期，毛杆生长停止并脱落。在毛囊循环生长中，下2/3的毛囊的形态经历动态循环变化，而上1/3的结构保持不变。在毛囊近立毛肌附着处，外根鞘隆突区含有永久存在的毛囊干细胞，这一部位称毛囊隆突。另一个结构，毛囊真皮乳头是由一群具有神经干细胞潜能的真皮细胞。毛囊干细胞的自我更新、分化和静止特性是毛囊增生和循环生长的重要基础。而毛囊真皮乳头和上皮干细胞的相互信号作用，对毛囊的发育和再生都起到重要调控作用。

2 调节毛发生长的信号通路

毛囊胚胎期的形成与胚后周期性生长都需要毛囊干细胞和毛囊真皮乳头干细胞间相互作用和信号的循环交换[5]。通过基因敲除等技术已证实Wnt/-catenin、骨形成蛋白（BMP）、sonic hedgehog（Shh)以及NF-B等信号分子在毛发生长中扮演着重要的角色。本文主要概述Wnt/-catenin、BMP以及Shh信号通路的调控机制。

2.1 Wnt/-catenin信号通路Wnt是最早被证实与毛囊诱导形成密切相关的因子。Wnt通过结合Frizzle受体，抑制骨架蛋白复合体对细胞浆内分子-catenin的降解，稳定的-catenin进入核内结合TGF/Lef转录因子促进其下游靶基因的表达[6-7]。Wnt/-catenin信号是毛囊基板形成所必需的启动因子，目前尚不清楚知道哪种W nt信号特异性的配体作用于起始毛囊发育。但是，通过对胚胎上皮干细胞的研究发现：W nt/-catenin在调节上皮干细胞的活化过程中可能与整合素交互作用，这为其细胞间的信号传导机理提供重要线索。整合素是存在于细胞膜上的细胞外基质主要受体之一，能够与游黏着斑激酶（FAK）相作用，形成细胞粘附复合物，对细胞的迁移和增生予以调控。Ridgway等[8]研究发现，当特异性的删除皮肤中的FAK基因能够阻碍毛囊外根鞘隆突区上皮干细胞的分化，而FAK对于-catenin的核定位和活化以及-catenin靶基因c-myc的转录活化是这一过程中所必要的。由于缺少FAK的结合，整合素的构型发生改变，继而影响到其由胞内向胞外的信号传导。

Wnt/-catenin信号通路对毛囊发育的调控不是通过单一的信号途径。其中Wnt/-catenin与EDA-A1/NF-B信号通路相互协调，并调控BMP信号通路是另一重要类型。ectodysplasin-A片段（EDA）和其受体ectodysplasin-A receptor（EDAR）在毛囊上皮中扮演Wnt/-catenin的下游靶基因[9]。Wnt/-catenin调节EDA/EDAR的表达，EDAR激活的EDA-A 1/NF-B信号通路。当胚胎期小鼠缺失EDAR或EDA-A 1/NF-B的表达时，小鼠毛囊基板形成受阻；而EDAR含量增加时，小鼠形成毛囊基板变大。在间充质干细胞中，EDA-A1/NF-B信号通路的激活又可对W nt信号起间接抑制作用[10]。这就为Wnt/-catenin信号通路在毛囊上皮－真皮细胞之间复杂作用机制提供一个负反馈模型。在毛囊发育和生长中，EDAR不仅与W nt/-catenin信号通路密切联系，而且抑制BMP信号通路。

2.2 BMP信号通路BMP是属于转录生长调节因子-（TGF-）家族[11]，是脊椎动物发育过程中重要的形态因子。在机体中，BMP通过与其特异性受体BMPR相结合，能够和其他生长因子家族（Wnt、Shh、EGF、FGF以及神经营养因子等）相互作用，调控包括皮肤在内的多种器官组织中的细胞增殖、分化以及调亡过程[12]。在毛囊中，BMP信号抑制基板的形成，调节毛囊基质前体细胞的增殖与分化，影响毛囊的形态发生。Noggin做为BMP拮抗体，表达在毛囊间充质细胞中。Noggin对BMP的负反馈调节作用诱导了胚胎期的毛囊形成和胚后的毛囊生长。在胚胎期的毛囊形成初期，刺激真皮细胞分泌Noggin，解除上皮基板细胞中BMP4b对周围的上皮细胞中的Wnt信号的抑制作用，促进Wnt/-catenin信号通路下游因子Lef-1的表达，进而维持基板上皮细胞的增生[13]。在胚后的再生循环性生长中，BMP4的高表达或Noggin失活导致毛囊再生速度明显下降，并表现出渐进性秃发。另外，BM P的表达对维持上皮干细胞和真皮乳头细胞的数量及调控毛囊上皮干细胞前体细胞分化中起到重要作用[14]。在毛囊中，BMPRIA是唯一表达的BMP受体，K rzysztof等[15]通过条件性敲除小鼠BMPRIA表达基因，导致毛囊上皮细胞内GATA-3水平下调和Lef-1水平上调，而高表达的Lef-1不能克服因GATA-3的缺失所引起的上皮细胞分化抑制，最终小鼠IRS不能正常形成。这表明，BMP通过GATA-3对W nt/-catenin起到上游调控信号作用。与此同时，BM P还表现出依赖于其抑制物Sostdc1

的活性强度对毛囊上皮和真皮前体细胞的分化和迁移的调控。当Sostdc1水平下降，BMP信号通路激活，毛囊上皮前体细胞的分化缺失；而当Sostdc1水平上升时，这种缺失效应被削弱。Clavel等[16]研究发现，通过敲除胚胎期真皮乳头前体细胞中Sox2转录因子，真皮细胞中BMP6的表达上升，而Sostdc1的表达下调，乳头前体细胞的迁移、凝集的速度下降。因此，抑制BMP信号通路是促进毛囊上皮和真皮前体细胞分化不可或缺的因素。

如前所述，在调节毛囊发育过程中，BMP信号还能够与EDA/EDAR介导的胞内信号相互作用。在细胞中，EDAR通过激活EDA-A1/NF-B信号，诱导BMP的表达。Pumm ila等[17]研究发现外源性的Noggin能够修复EDA缺陷皮肤中的毛囊基板形成，暗示了高表达的BMP对EDA信号却产生抑制效应。因此，EDA/ EDAR介导的信号通路与Wnt、BMP信号通路形成一个复杂的负反馈循环，EDA/EDARs是其中重要的信号中转站。进一步的研究表明，EDA/EDAR通过EDA-A 1/NF-介导的信号通路与相当广泛的毛囊形态因子作用，其中Shh信号通路就是即W nt和BMP以外的又一成员。

2.3 Shh信号通路Shh主要在毛囊上皮细胞中表达，是参与毛囊胚胎形态发生以及后期的分化过程的重要信号分子[18]。Shh和跨膜蛋白PTCH结合，释放细胞表面受体SMO活性，激活转录因子Gli。Mill等[19]研究发现，Gli2基因缺陷型小鼠与Shh基因缺陷型小鼠有类似的毛囊发育表型，例如毛囊基板上皮细胞增殖速度下降，毛囊基板内陷和进一步分化生长受阻，毛囊数目减少，最终形成秃发。近期，通过对EDA/EDAR的研究，对以上形态表现相关的分子生物学机理的理解给予一定的阐述。在基板上皮中，Wnt/-catenin激活EDA/EDAR/ NF-B信号通路，调控与毛囊基板上皮细胞中Shh相关的细胞周期蛋白cyclinD1、cyclinD2活性，促进上皮细胞增殖，维持上皮细胞的动态平衡。如前所述，信号传导通路通过细胞与细胞间的相互作用影响毛囊发育和生长。由于上皮细胞的信号改变，影响到毛囊真皮细胞的信号因子的表达，进而造毛囊真皮乳头的形态功能的改变。真皮乳头中Noggin因子的表达是毛囊乳头发育成熟，并具有诱导毛囊生成能力的重要标准。近年来，Gao等[20]研究发现，诱导细胞外基质所形成的基底膜中重要组成成分lam inin-511突变，使得真皮乳头细胞不能表达形态发生因子Noggin。Gao等[20]通过对这一表型的分子信号学分析，首次对细胞间相互作用的机理有了突破性理解。具体机制如下：由毛囊基底层上皮细胞分泌的laminin-511与其在间充质细胞膜上的受体integrin亚基结合，促进初级绒毛的形成，进而激活Shh蛋白下游信号分子的活性；上皮细胞分泌的血小板衍生生长因子（PDGF）与间充质细胞膜上PDGF受体PDGFR结合，在两条通路的共同作用下，刺激间充质细胞分泌Noggin因子，去除BMP对毛囊生成的抑制效应。对以上机理进行概述，即在调控毛囊器官形成中，Nogginlam inin-511-Shh通过信号循环反馈通路诱导毛囊上皮细胞-基底膜-真皮细胞相互作用，从而诱导基板细胞增生和真皮乳头形成。

3 展望

胚胎毛囊发育和成年毛囊再生是高度相关的进程，两者都依赖于干细胞群通过高度协调的和逐步的程序进行分化产生完整的毛囊结构。在这里，笔者概括总结了目前已理解的信号传导通路对毛囊发育和再生调控的机制。但是，相对参与组织发育和平衡的庞大的信号网络来说，这只是一个开始。通过基因突变等遗传工程手段，所获取的疾病动物模型，为研究毛囊疾病的机理和开发有效的治疗手段，提供有力的手段。但是，在大多数人类疾病中，微小的多个基因改变可导致严重的病理表型，甚至致命。这些突变的微小性和复杂性，很难利用现有的基因敲除等手段建立研究模型并彻底揭示其致病机制。近年来，诱导式多能性干细胞（iPS）的出现和其能分化成各类毛囊角化细胞的能力，结合高产量的测序手段，使得我们在不久的将来不仅可识别那些与疾病有关的基因变化，也能通过移植人iPS至免疫缺陷小鼠体内，模拟这些疾病中皮肤和毛囊的疾病模型，从而为治疗人类毛囊疾病打开新的篇章。

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10.3969/j.issn.1671-0800.2014.06.082

R318

C

1671-0800(2014)06-0781-04

国家自然科学基金（81101206），宁波市自然科学基金（2013A610253）

315211 宁波，宁波大学医学院（杨梦洁、高晶）；宁波大学医学院附属医院（林蕾）

高晶，Email：cjinggao@gmail.com