Eda和Edar在哺乳动物毛囊形成和生长发育中的作用研究进展

高淑媛，于秀菊，程笳琪，刘 宁，赫晓燕

(山西农业大学动物科技学院，山西太谷 030801)



Eda和Edar在哺乳动物毛囊形成和生长发育中的作用研究进展

高淑媛，于秀菊，程笳琪，刘 宁，赫晓燕*

(山西农业大学动物科技学院，山西太谷 030801)

毛囊是皮肤的附属器官，发生在胚胎期早期，是由表皮的角质细胞和间充质间的上皮相互作用产生的，真皮成纤维细胞聚集形成毛囊乳头。毛囊形态发生分为3个阶段，即诱导、器官形成和细胞分化。毛发周期包括毛发生长初期(生长阶段)、毛发生长中期(退化阶段)和静止期(静止阶段)。外胚层发育不全基因(Eda)及其受体Edar表达于毛囊的不同发育时期，在野生型小鼠胚胎只表达在外胚层，而在发育中小鼠则定位在外胚层和毛囊中，毛囊的准确定位和间隔是通过外异蛋白受体Edar-BMP信号和转录的相互作用来调控的。Eda和Edar对于毛囊的正常发育有很大的作用，且在毛囊发育周期的不同阶段其作用也不同。

毛囊；Eda基因；Edar基因受体；基板

皮肤位于机体外环境和内环境的界面上，是机体重要的屏障保护器官。毛囊是皮肤重要而复杂的附属结构，从内向外依次由毛干、内根鞘和外根鞘组成。毛囊是哺乳动物的一个微型器官，是哺乳动物唯一呈周期性生长的器官，具有自我更新的特点。在哺乳动物的整个生命过程中，毛囊是一个再生组织，不断经历生长期、衰退期和休止期3个时期。毛囊的形态发生包括一系列精细的调控过程，包括表皮角质化过程中毛囊特异性分化的表皮细胞和形成毛乳头的间叶细胞的相互作用。目前，发现了多个参与调控毛囊形态发生和生长周期的信号通路，主要有Wnt信号通路、FGF信号通路、Eda-A1/Edar/Edaradd 信号通路、BMP/TGFβ信号通路、HGF信号通路、Notch信号通路、Shh信号通路等。其中Wnt信号通路、Shh信号通路及Eda-A1/edar/Edaradd信号通路是毛囊形态发生所必需的。上皮的Wnt/β-连环蛋白和EDA/EDAR/NF-κB信号通路在毛囊的启动和初级基板的维持中起作用。

1 毛囊的发生发育

毛囊被认为是由神经外胚层和中胚层相互作用而形成的一个小器官，是皮肤衍生物，毛囊形态的发生起始于胚胎期的早期[1]。毛囊的正常发育和周期性的调节需要Wnt、Hedgehog、Notch和骨形成蛋白(BMP)信号通路的相互作用[2]。上皮和间充质组织之间的交互作用构成一个中心机制，决定器官的定位、大小和形状。毛囊形态发生由胚胎真皮的信号启动，它可以指导被覆上皮启动基板形成。基板发送信号返回到底层的间质，形成真皮浓缩物，信号反过来回到上皮角质细胞调节毛囊的形态发生。出生后，毛囊表现一种周期性的活动模式，即生长期、退化期和静止期。小鼠毛发发育的产生是由3个不同的波依次引起，毛基质的第1个波在胚胎期13.5d出现，第2波和第3个波分别在胚胎期16d和18d开始出现[1]。也有报道，第1个波大约在胚胎期14.5d，且形成初级guard毛囊，第2个波在胚胎期16.5d，形成awl/auchene，第3个波在胚胎期18.5d，出现zigzag毛囊[3]。小鼠正常皮毛的毛囊形态发生产生4种毛发类型:①Guard(tylotrich)，毛发粗且直，约占小鼠皮毛毛发的5%～10%；②Awl，毛发粗且直，但比Guard明显短；③Auchene，除了它们有一个单一的收缩外，其他与Awl相似；④Zig-zag，占小鼠皮毛正常毛发的70%，并且有2个收缩。

2 Eda和Edar的生物学特性

Eda基因(ectodysplasin-A,Eda)于1996年由Kere等克隆成功，Eda基因被定位于染色体Xq12-13.1，由8个外显子组成，编码的蛋白Ectodysplasin-A(Eda)属于TNF家族的配体。在细胞外，人和鼠Eda的受体结合区在氨基酸水平是一样的。Eda的TNF同源域在大多数哺乳动物中是守恒的[4]。Eda是一个有391个氨基酸残基的膜蛋白，有1个短的胞内域、1个跨膜转运区域、1个无典型结构的茎区域、1个负责Eda蛋白酶解加工的弗林蛋白酶识别序列、1个和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖相互作用的短的带正电荷序列、1个类胶原结构域和1个作为结合位点的150个氨基酸残基长的C末端TNF同源结构域(THD)[5]。

Eda基因在转录过程中可经选择性剪切产生多种Eda蛋白亚型，目前已明确2个序列最长的亚型Eda-A1和Eda-A2为Eda最重要的功能因子。外异蛋白家族配体包括2个三聚物Ⅱ型膜蛋白(Eda-A1和Eda-A2)，二者都包含1个短的胞内域、跨膜结构域和细胞外部分，这个细胞外部分有胶原区域和C末端区域的TNF配体。Edar 是Ⅰ型跨膜蛋白，长度为448个氨基酸 ,由159个氨基酸组成的细胞外区域连接1个单一跨膜区域和1个由237个氨基酸组成的C2末端细胞内结构组成，细胞外区域富集1个完全的和2个不完全的半胱氨酸。 Edar的配体结合区域与TNF的Troy 受体具有高度同源性。

Edar和其他2个结构相似的受体Xedar和Troy是肿瘤坏死因子受体超家族的成员，主要通过核因子NF-κB转录因子发信号[6]。Edar的配体为Eda-A1，是Eda基因的产物，与Xedar配体Eda-A2的不同之处在于在肿瘤坏死因子中心仅仅有2个额外的氨基酸存在。虽然有这些较小的结构差异，但是Eda-A1和Eda-A2与相应的受体Edar和Xedar有很高的特异性[7]。Eda1-Edar在皮肤衍生结构的发育中起主导作用。

外胚层发育不全包括多于180种不同的遗传综合征，影响至少2个外胚层结构，例如头发、牙齿、指甲和外分泌腺[8]。对于一些外胚层附属物包括毛囊的正常发育都需要Eda和它的受体Edar[9]。无汗外胚层发育不良综合征的X连锁和常染色体形式的特征是一些外胚层器官的发育缺陷，包括毛发和外分泌腺。Eda基因的突变一般导致X-连锁隐性遗传的先天性外胚叶发育不全，作为一种遗传性疾病，Eda发生在性连锁隐性，常染色体显性遗传和隐性形式。常染色体主导和常染色体隐性形式偶尔出现，是因为至少由3种基因，即WNT10、Edar、Edaradd的突变引起[10]。Eda 基因的突变在人和小鼠上表现为毛发稀疏、汗腺缺陷等。Eda 信号通路在表皮和真皮附属器的生成、修复过程中的异常表达会导致皮肤附属器的缺陷[11]。Edar的缺失会导致人和小鼠的外胚层发育不良综合征[12]。编码Edar信号通路蛋白的基因缺陷也引起人类少汗外胚层发育不全，在小鼠也是相似的情况，主要的症状为汗腺、毛发、牙齿发育不全三联症[13]。在分子信号网中Edar信号的一个关键作用是调节外胚层附属物的发育。遗传和试验研究表明Edar信号参与控制决定胚胎上皮细胞命运和毛囊细胞分化的调节。

3 Eda和Edar对毛囊形成和生长的作用

毛囊周期涉及到很多信号通路，例如Wnt、Shh、TGF-β、EDA/EDAR和BMP。在这些信号网络中，Wnt、Shh和NF-κB/EDAR对于毛囊发育和维持是必不可少的，Wnt 信号通路、Eda-A1/edar/Edaradd 信号通路是毛囊发育的重要信号通路[14]。Eda/Edar出现在毛囊和皮肤附属物发育的早期阶段[15]。Eda和Edar表达之前定位在发育中小鼠皮肤的外胚层和毛囊中。Laurikkala J等通过组织切片的原位分子杂交对Tabby和Lef1突变的野生型小鼠胚胎Eda和Edar的表达和调控进行分析，发现Eda和Edar的表达局限于外胚层，并且以一种模式发生，暗示了在外胚层间隔和毛发基板的形成和功能间的交互作用中外异蛋白/Edar信号的角色；他们认为活化素作为间充质信号刺激Edar的表达，WNT作为信号诱导Eda的表达，在皮肤和毛囊发育中信号通路有明显等级。他们提出Eda和Edar与外胚层发病模式密切相关，外异蛋白/edar信号也调节毛囊的形态发生[16]。Edar信号通路的成员在毛囊发育中的关键性作用是从小鼠相应基因的自发突变使得Guird和Zig-zag缺失这一现象中得到的。肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)受体Edar的表达量在毛囊区域比非毛囊区域要高[17]。研究发现野生型小鼠背部皮肤的整体增长是从胚胎期11d到出生。Eda和Edar的转录贯穿胚胎期11d～13d的薄的外胚层上。在胚胎期14d，Edar的表达加强，当外胚层基板在胚胎期14.5d形成时，Edar在这些早期信号中心高度上调，而Eda不在这些位点表达。胚胎期15d，随着上皮局部增厚，基板形成，在这些基底上皮细胞Edar的表达极大的上调，同时，它在其余外胚层的表达下调。这些第一原基增厚产生Guird毛囊。在这个阶段基板缺乏Eda转录，但是Eda在其余上皮仍表达。在胚胎期17d，Edar的表达在Guard的成熟阶段的3～4阶段毛囊膨大部强烈表达，Eda在这些组织部分表现出与Edar共同表达。Edar也在Awl的起始上皮基板表达[16]。

一些基板的形成完全依赖于Eda-Edar相互作用和NF-κB，例如在胚胎期14.5d Guard发育的基板，然而其他的基板缺乏Eda也可以形成，但是产生形态异常的毛发，例如出生后下层毛发的基板[18]，在皮肤上，定期间隔基板形式的模式是基板内稳定Edar活性的结果，它诱发基板周围产生强烈的抑制信号。抑制信号是由Edar表达的骨形成蛋白介导的抑制来调解的[19]。基板自身通过产生分泌骨形态形成蛋白抑制剂逃脱骨形成蛋白的抑制作用，可能是在短范围内作用[20]。基板形成以后，Eda继续在外胚层结构的发育和维持中起作用。对Eda缺乏的小鼠毛发异常形态的观察进一步表明Eda在基板形成后阶段调节毛发的形态发生。Eda在控制皮脂腺的大小和毛发周期中,从生长期到退化期过渡的发育期后的作用已经被提出[21]。有论文提出纤维母细胞生长因子fgf20是由上皮Eda和Edar诱导表达的，并且表达在毛发基板[22]。

Fessing M Y等通过免疫蛋白印记分析，小鼠Edar蛋白表达出现在静止期的皮肤，在生长期末期达到最大值，之后在退化期中后期下降；通过免疫荧光，小鼠Edar蛋白在上皮和静止期毛囊的次级毛干中发现。Edar的表达在内根鞘和毛囊生长中期的毛基质中检测到，并且在毛囊生长期后期的内外根鞘显著增加；Edar信号的药物抑制引起退化期的加速；Edar信号可能通过控制XIAP在毛囊角化细胞表达调控退化期的发育，至少是部分。XIAP是细胞凋亡蛋白家族抑制物(IAP)的一个成员，也被称作NF-kB信号的靶点。通过半定量PT-PCR检测到毛囊静止期Eda mRNA不表达，而在生长期表达较强，在毛囊生长期后期及退化期早期达到最大值，之后随着退化期发育，表达量开始下降。姜维等[23]在研究山羊Eda基因的克隆、序列分析和表达时发现，山羊Eda mRNA在毛囊的静止期、生长期和退化期都有表达，在静止期的表达量较低，生长期较高，退化期表达量达到最大值。这个研究结果表明山羊Eda mRNA在毛囊生长不同时期组织中的表达差异和小鼠稍有不同。目前WNT、TNF、FGF、TGF-β2这些参与羊毛毛囊发育调控的信号通路大多数处于初步研究阶段，还不够深入，有待进一步研究[24]。弯曲是羊毛的一个特征，羊毛弯曲与毛囊中细胞的不对称分裂、毛纤维中正副皮质的双边排列、不同角蛋白的不对称组成及角质化过程等相关，而且Eda/Edar对纤维弯曲的形成有重要的影响[25]。有趣的是，鲸类的表皮衍生物,包括毛囊、皮脂腺、汗腺等都是缺失的，这是进化选择的结果，有论文报道Eda、Edar和Edaradd这3个关键基因在鲸类中经历了选择作用,可能导致鲸类的毛发、毛囊、汗腺和皮脂腺等表皮衍生物的缺失，从而有助于鲸类对水生环境的适应[26]。

目前Eda和Edar在小鼠的毛囊形成和生长发育阶段的定位和作用的研究已经有了很多报道，但是毛囊的周期性变化是多基因参与并紧密联系和相互制约的复杂的生理生化过程[27]，而且毛囊生长周期的调控也很复杂，所以Eda和Edar对于毛囊生长的作用机制还处在研究和探索阶段，并且其他动物在此方面的研究尚无多少内容，需要进行进一步研究。

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Progress on Roles of Eda and Edar in Mammalian Hair Follicle Formation and Development

GAO Shu-yuan,YU Xiu-ju,CHENG Jia-qi,LIU Ning,HE Xiao-yan

(CollegeofAnimalScienceandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu,Shanxi,030801,China)

The hair follicle (HF),produced in the early embryo stage,is a skin appendage that develops as a result of interactions between epidermal,keratinocytes and mesenchymal epithelium,and a cluster of dermal fibroblasts forms the follicular papilla.The stages of morphogenesis are broadly classified into: induction,organogenesis and cytodifferentiation.The hair cycle includes anagen (growth phase),catagen (regression phase) and telogen (resting phase).Ectoderm hypoplasia gene (Ectodysplasin-A,Eda) and its receptor Edar express in different development period of hair follicles.In wild-type mouse,Eda and Edar expressions are confined to the ectoderm while they are localized in the ectoderm and hair follicles for developing mouse skin.Proper positioning and spacing of HF are mediated via the ectodysplasin receptor Edar-BMP signaling and transcriptional interactions.Eda and Edar have a great effect for the normal development of the hair follicles,and have different roles in different stages of hair follicle growth cycle.

hair follicle; Eda; Edar; placode

2015-07-14

国家自然科学基金项目(31172283)；山西农业大学2009年引进人才科研启动项目(XB2009020)

高淑媛(1993-)，女，山西宁武人，硕士研究生，主要从事研究动物毛发生长的分子机制研究。*通讯作者

S852.16

A

1007-5038(2016)01-0081-04