哺乳动物毛囊形态发生研究进展

海尔汗，张燕军

（内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

1 毛囊形态发生

皮肤是哺乳动物体表面积最大的器官，皮肤像是一个“防护罩”，保护机体不受外界环境影响，例如紫外线辐射、极端温度和病原微生物等其他潜在危害。皮肤附属物（毛囊和乳腺）的出现是哺乳动物进化过程中很重要的环节[1]。毛囊是产生毛干的小器官，其的发生是由上皮细胞与相邻的真皮成纤维细胞相互作用决定的[2,3]。

胚胎时期毛囊的发生发育是一个十分复杂的过程，这期间上皮细胞和真皮成纤维细胞以及相关衍生细胞通过信号传导来诱导毛囊的形成，可分为0～10共11个阶段[4]。在0阶段，部分真皮成纤维细胞开始出现真皮聚集（Dermal Condensate,DC）的趋势，而上皮细胞无任何变化[4]。到了第1阶段，上皮细胞在WNT信号家族、EDA和EDA等诱导下分化成基板（Placode,PC）前体细胞。第2阶段的PC前体向真皮成纤维细胞释放FGF20等信号分子，规范其完成定向聚集的细胞命运决定[4]，形成DC的真皮成纤维细胞失去了细胞分裂能力，DC的形态发生与真皮成纤维细胞退出细胞周期有关[4]。第3阶段中的PC与其他表皮区域相比看起来更厚、更大，而且已经形成基底膜。此时DC的单元格数量也有所增加，这其中邻近DC的真皮成纤维细胞的命运决定转变是唯一因素[4]。到了第4阶段，PC开始出现发芽结构，DC也相比第3阶段更加紧密，并且碱性磷酸酶在DC的表达量增高，表明DC已经初步分化出了的真皮乳头（Dermal Papilla,DP）[4]。PC在第5阶段下陷的更加明显，DC处在下陷的发夹边缘并开始被基质细胞吞噬[4]。阶段6中的发夹在形态学上已经形成类似毛囊的结构，下端的基质细胞吞噬了50%以上的DC并与其紧密结合变成球状，DC在此阶段的形状也越来越像成熟的DP[4]。第7阶段中内根鞘开始在发育的毛囊中生长，毛干也开始发育。毛囊干细胞前体也开始出现于外根鞘上端的凸起位置，皮脂腺细胞位于皮脂腺前体出现的位置，而DC几乎被基质细胞完全吞噬[4]。不断增长的毛囊在第8阶段已经下陷至真皮边界，并且出现了形态可见的毛干，内根鞘也开始表达毛发透明质酸。皮脂腺细胞形成成熟的皮脂腺，位于毛囊一侧凸起部位，DC被基质细胞完全吞噬，并且在形态上相较于第7阶段更薄[4]。到了毛囊发育的第9阶段，DP占据的范围缩小，毛干顶部离开内根鞘[4]。最后到了第10阶段，毛囊发育已达到最大长度，延伸到了皮下组织，毛干也穿出表皮。

2 毛囊发生发育过程中相关信号分子

2.1 毛囊启动过程中关键信号分子

多年以来，研究人员已经广泛地证明了WNT/βcatenin信号通路在毛囊发生发育过程中的重要性[5]。敲除转录因子Lef1（β-catenin的结合配偶体）的突变小鼠会缺失毛囊和乳腺等皮肤附属器官，当无毛小鼠的表皮过度表达Lef1后会形成毛囊的异常聚集，而表皮稳定表达β-catenin的小鼠会出现新的毛囊。WNT信号家族在毛囊启动过程中主要定位于PC前体[5]，这表明WNT信号家族在PC形成过程中的重要性，特别是当表皮缺失β-catenin会阻滞毛囊的发生[6]。同样，WNT信号通路抑制剂DKK1和DKK2在表皮的过渡表达均会抑制PC的形成[7]。除了诱导PC启动，在PC成熟后到PC下陷的过渡阶段中，表皮中局部活跃的WNT信号通路诱导上皮细胞的定向聚集是必须的。早期PC形态发生期间的活体成像和跟踪细胞分裂证明WNT信号通路和EDA是通过定向迁移和细胞骨架重排介导PC形成，而不是细胞增殖[5]。在毛囊形成的早期阶段，特别是DC开始定向聚集时也发现了活跃的WNT信号[6]。

当TNF家族配体EDA与其受体EDAR结合时会激活下游NF-κB信号通路并诱导PC的启动[8]。在模拟人类毛发生长的小鼠模型中，抑制EDA和EDAR的表达不能形成皮肤附属器官，例如毛囊和牙齿[8]。在毛囊启动期间，EDA在整个表皮均匀表达，而EDAR只在基板启动的区域表达[8]。EDA信号是WNT信号通路的下游，WNT信号通路的抑制会降低EDAR和NF-κB信号通路的活化，而WNT信号通路的活跃程度不会随着EDA表达的变化而变化[9]。尽管EDAR是PC早期形成的标记分子之一，但是EDA和EDAR对PC的启动可能不是必须的，EDA缺失PC也会启动，但是不会进一步发育。表明EDA和EDAR发挥的功能可能是诱导PC的成熟，这也表明毛囊在发育过程中不同阶段的分子信号控制也有所不同[9]。

在PC启动前后，“第一上皮信号”会诱导和规范部分真皮成纤维细胞完成DC的细胞命运决定。到目前为止，FGF20是唯一一个确定在DC启动过程中直接从上皮细胞获取的信号分子，当FGF20得到抑制后，已经形成DC的成熟体会消失[4]，并且FGF20诱导真皮成纤维形成DC不是通过细胞增殖，而是通过细胞迁移来实现的[4]。除了会抑制DC的形成，FGF20的突变还会导致PC的形变和非正常扩张[4]。虽然FGF20是WNT信号通路和EDA的下游靶点，但是当敲除FGF20的PC中EDAR表达水平也严重降低[4]。简单来说，FGF20是PC前体向真皮成纤维细胞发出的第一个已知上皮信号，负责促进真皮成纤维细胞向DC的转化，这期间发挥的细胞机制是细胞迁移。

与WNT信号通路、FGF信号通路和EDA促进毛囊形态发生作用机制不同，BMP信号通路是以抑制方式来维持毛囊正常形态发生，包括微调和抑制WNT信号通路的活跃范围，这可以让毛囊保持一定的间隔来正常发育。在毛囊形态发生过程中，BMP2和BMP4分别富集于PC和DC，并抑制BMPR1A在毛囊发生邻近表皮中的表达，从而阻断该区域毛囊的发生[4]。

2.2 毛囊向下生长过程中关键信号分子

在毛囊启动后，PC和DC依次分别获得了 “第一真皮信号”和“第一上皮信号”。随后DC产生“第二真皮信号”，诱导PC祖细胞增殖，使其向下生长。表皮和真皮之间连续且复杂的信号传导是毛囊形成的关键。但是到目前为止，还没有确定“第二上皮信号”，上皮细胞的SHH信号通路、PDGFA信号通路和MAPK信号通路在随后毛囊向下生长过程中也能作用于DC[4,10]。SHH信号通路也被证明是调控Sox9完成毛囊干细胞命运决定规范的关键[4]，并且维持毛囊发育中PC的正常细胞运动。

SHH信号通路在PC形成的各个阶段均有表达，而其受体PTCH在表皮和真皮中都有表达[4]。尽管PC和DC均正常诱导，但是敲除SHH信号通路的小鼠会阻滞PC发育成发芽结构。皮肤特异性SHH信号通路的抑制剂SMO可抑制皮肤中SHH信号通路的活性，对DC中Noggin的表达和DC的维持具有重要意义。相反，敲除Noggin的皮肤中，PC未能激活SHH信号通，表明DC中的SHH信号和PC中Noggin介导的BMP信号通路在毛囊的发生发育过程中建立了正反馈环。SHH信号通路对毛囊干细胞在隆凸区域的扩增十分重要，其可以激活PC向下生长过程中局部WNT信号通路，触发毛囊原始体上半部分基底细胞中Sox9的表达，从而建立毛囊干细胞细胞系。SHH信号通路还对PC下陷形成发芽结构过程中维持细胞的运动能力[4]。

在毛囊形态发生过程中，PDGFA在表皮中广泛表达，而其受体PDGFRA在真皮中表达[10]。敲除PDGFA的研究结果显示，尽管毛囊可以正常诱导，但是由于毛囊发育迟缓，导致小鼠毛发稀疏，表明毛囊向下生长需要PDGFA信号[4]。然而有研究报道特异性敲除皮肤PDGFA后不会影响毛囊诱导和发育，仅在造成严重系统性表型的PDGFA突变体中发现了被抑制生长的毛囊表型。考虑到PDGFA对于基体发育方面的重要性，毛囊发育迟缓可能源于敲除系统性PDGFA信号导致。

除了SHH信号外，MAPK信号通路也被认为是毛囊向下生长的关键。配体TGF-β2由真皮成纤维细胞分泌，并作用于上皮细胞中的受体TGF-βR2[4]。TGF-β2的缺失尽管会使表皮像PC一样局部增厚，但是不会使其向下生长，表明MAPK信号通路对毛囊的启动可能存在抑制作用，而对毛囊向下生长起促进作用。

TGF-βR2和FGFR2敲除结果显示，小鼠形成成熟的毛囊较少，并且毛囊生长迟缓，而将这些受体蛋白在上皮细胞中持续表达后，会导致上皮细胞向表皮分化，不会形成PC[4]。最近的一项研究将MAPK信号通路置于EDA信号传导下游的NF-κB/Lhx2/MAPK信号传导轴中[4]，NF-κB活性受到抑制和NF-κB靶点Lhx2被敲除的小鼠都不能激活MAPK信号通路，表明EDA信号传导不仅对毛囊形成过程中对PC的启动和维持起着重要作用，并且通过激活MAPK信号通路，对毛囊的向下生长也是必不可少的。

3 小结

毛囊的形态发生是一个复杂的模型系统，随着上皮细胞形成的PC下陷以及真皮成纤维细胞形成DC，毛囊开始逐步发育，可以看到上皮-真皮之间的相互诱导是这个复杂模型系统的基本框架。真皮和表皮的作用是毋庸置疑的，它们不仅是皮肤的基本单位，也因为它们之间的相互作用形成了毛囊，不可否认的是研究毛囊的发生发育还是要从上皮细胞和真皮成纤维细胞开始。