Wnt/β联蛋白信号通路在毛囊形成和毛发生长中的作用

俞梦洁 夏汝山 杨莉佳

Wnt/β联蛋白信号通路在毛囊形成和毛发生长中的作用

俞梦洁 夏汝山 杨莉佳

毛囊形态的发生过程十分复杂，许多信号通路与信号分子参与了毛囊的周期性生长，其中对Wnt/β联蛋白信号通路的研究较为深入，而其对毛囊发育、形成、周期及再生调控的机制尚未完全阐明。概述Wnt/β联蛋白通路，通过比较不同信号分子和调节因子对毛囊生长的及对毛囊干细胞的调控作用，旨在揭示其对胚胎期毛囊的形成、发育，成熟毛囊的生长周期及毛囊干细胞增殖分化的作用机制，这将有助于建立有效的毛发再生实验，并对毛囊相关疾病的治疗产生潜在性的应用价值。

毛囊；毛发；信号传导；干细胞；Wnt信号通路；β联蛋白

毛囊形态发生是一个复杂的过程，需要上皮来源的角质形成细胞和间质细胞的相互作用，是研究器官形成和组织特异性信号的理想模式系统［1］。毛乳头是位于毛囊基底部的特殊成纤维细胞团，由毛乳头细胞聚集而成。在毛囊的周期性生长中，毛乳头也发生周期性的变化。在生长期，毛囊底部细胞开始发育，使毛囊向下生长并包裹毛乳头，这时毛乳头的细胞数目有所增加，可能是临近的结缔组织鞘细胞向毛乳头细胞转化以支持毛囊毛发的生长［2］。Jahoda等［3］发现，在这一时期人为去除处于生长期毛囊的毛乳头，毛发即停止生长。在退行期，毛囊基底部的上皮细胞发生凋亡，毛乳头细胞的细胞外基质发生明显的退化，但毛乳头的完整性不受影响，可以向上移至与毛囊隆突的毛囊干细胞相接触，这种情况一直持续到休止期［4］。在毛囊的周期性生长中，毛乳头被认为是调节毛囊形成和毛发生长的信号传导中心。现已发现多条与毛乳头诱导毛囊形成和毛发生长有关的信号通路，其中，Wnt通路是研究比较深入的一条信号通路。

作者单位：214002江苏无锡，南京医科大学附属无锡市第二人民医院皮肤科

1 Wnt/β联蛋白信号通路

1．1 Wnt通路是一个保守的信号通路，现已发现十余种分泌型糖蛋白，多通过自分泌或者旁分泌的形式发挥作用。Wnt通路是细胞增殖分化的关键调控环节，在细胞增殖、存活、迁移、极化中发挥作用。β联蛋白是一个多功能、广泛分布的蛋白，主要表达于间质细胞和上皮细胞，在诱导毛囊形态发生、维持毛囊生长发育及毛囊干细胞增生分化中起作用。β联蛋白具备两方面的生物学功能，Wnt信号通路静止时，只参与细胞间的黏合连接；当 Wnt信号通路启动时，起核心信号分子作用。毛囊干细胞内表达高水平的β联蛋白时，干细胞分化成为毛囊结构的细胞，而低水平的β联蛋白使毛囊干细胞分化成为表皮细胞。

1.2 Wnt信号通路：分为经典型和非经典型信号通路。经典型Wnt信号通路即Wnt/β联蛋白信号通路，其激活始于Wnt信号与胞膜上的Frizzled受体和脂蛋白5/6受体相结合，使β联蛋白的降解复合物解离导致胞质内β联蛋白大量聚集，积累进入细胞核，在核内与T细胞因子（TCF）/淋巴增强因子结合发生相互作用，激活下游靶基因的转录产生生物学效应。非经典型Wnt信号通路包括Wnt/polarity细胞急性信号通路和Wnt/Ca2+通路。近年来发现经典型Wnt/β联蛋白信号通路对毛乳头功能的发挥起重要作用。

2 Wnt/β联蛋白信号通路与毛囊形成和毛发生长

2.1 β联蛋白与毛囊形成：毛囊形成过程需要协调真皮毛乳头和基板干细胞之间的信号交换。Tsai等［5］用 Tbx18（Cre）基因敲除小鼠系，监视特异性敲除Wnt-应激反应转录因子β联蛋白在第一波毛囊形成过程中的影响。在缺乏β联蛋白的情况下，经典的Wnt信号在这些细胞中被有效摧毁。Sox2+真皮凝集物最初正常，但毛囊数严重减少，大多数触须缺失。Nrhi等［6］研究显示，即使是在缺失 Eda/Edar信号的情况下，加强上皮β联蛋白的稳定性会导致提前出现和过度对毛囊的诱导，而Eda/Edar信号通路对原始毛发基板的形成至关重要。另外，基板的间隔和大小都是随机的。向下生长的毛囊被抑制，毛干的数量严重受损。Lien等［7］研究β联蛋白-TCF 3/4-TLE旁路时发现，当毛囊干细胞处于休眠状态时，TCF3、TCF4及TLE协调地结合在一起并抑制Wnt靶基因的转录，说明β联蛋白对毛囊干细胞的存活是非必需的。

2.2 Wnt与毛囊形成：Shimizu 等［8］发现，体外培养的毛乳头细胞失去诱导毛囊形成和毛发生长的功能，但与能分泌Wnt3a的细胞共培养时，又恢复了该能力。他们将带有Wnt3a基因的重组病毒感染毛乳头细胞，发现其诱导毛囊形成和毛发生长的能力明显提高，进一步证实Wnt3a是直接作用于毛乳头细胞而发挥功能的。他们又将带有β联蛋白基因的重组病毒感染毛乳头细胞，发现其诱导毛囊形成和毛发生长的能力也得到明显的提高，并且发现β联蛋白/TCF在核内聚集。

2.3 Wnt/β 联蛋白与毛乳头细胞：Yang 等［9］通过SiRNA干涉体外培养的低传代毛乳头细胞中β联蛋白的表达，发现β联蛋白和versican的表达同时下降。而干涉versican基因的表达，β联蛋白的表达不受影响，但毛乳头诱导毛囊形成和毛发生长的功能明显减弱。在培养基中加入Wnt3a，毛乳头细胞的β联蛋白和versican的表达同时增加，且通过染色质免疫沉淀法发现，β联蛋白/TCF结合于versican基因的上游增强子区域，证实了在毛乳头细胞中，Wnt/β联蛋白信号通路可调节versican基因的表达来调控毛乳头诱导毛囊形成和毛发生长功能。

3 Wnt/β联蛋白信号通路的调节因子

3.1 TCF4：Xiong 等［10］对 Wnt/β 联蛋白信号通路的调节因子TCF4进行了研究，他们通过SiRNA干扰毛乳头细胞TCF的合成，使β联蛋白无法与相应的DNA结合，发现毛乳头细胞分泌的促进毛发生长的细胞因子干细胞因子（SCF）、胰岛素样生长因子（IGF）有所下降。通过导入含TCF4基因的质粒，增强β联蛋白/TCF4复合体与相应DNA的结合，他们发现，毛乳头细胞分泌的促进毛发生长的细胞因子HGF、SCF有所增加，说明TCF4在细胞内过表达时能提高毛乳头细胞的增殖和分泌能力，从而改变其生物学功能。由此推测，TCF4的缺失可能导致斑秃和下游功能基因表达的改变，继而影响毛乳头细胞因子的合成及分泌，最终促使毛囊从生长期进入休止期。Lien等发现高水平的TCF3/4有助于毛囊干细胞维持多能性，TCF3/4及TLE水平降低或Wnt/β联蛋白水平升高时，毛发开始再生［7］。

3.2 TCF1：Aulicino 等［11］对 TCF1 进行了研究，他们发现，当小鼠胚胎成纤维细胞经历重排时，衰老基因被抑制，而间质倾向于向上皮转换，与TCF1活性的抑制相关。Wnt/β联蛋白信号通路在重排启动时沉默，在晚期被激活，其持续性的激活或抑制不利于重排，而暂时性的扰动对有效的重排而言至关重要，“Wnt-off”状态可以视为早期重排的标志物。

3.3 Lef1：Zhang 等［12］对 Wnt通路中控制细胞生长和分化的Lef1进行了研究。他们发现在共培养体系中，多能隆突干细胞向毛发诱导分化时，Lef1显著上调并在核内积聚，随后激活靶蛋白c-myc和jagged1。与此同时，β联蛋白和notch1的表达增加，说明Wnt和Notch信号通路被激活。Lef1的过表达促进隆突干细胞朝无发方向分化，β联蛋白向核内迁移。Shin等［13］发现，用人参皂苷F2、非那雄胺处理小鼠后，进入退行期的毛囊中Wnt信号通路相关因子β联蛋白及Lef1表达增强，组织病理显示，毛囊数量增多、表皮增厚及生长期毛囊数量增多，说明两者能促进毛乳头细胞的增殖。

4 Wnt信号分子的作用

Ouji等［14］通过比较不同 Wnt信号分子（Wnt3a、Wnt5a、Wnt10b、Wnt11）对体外培养的毛乳头细胞的作用。发现经典型Wnt/β联蛋白途径的Wnt3a和Wnt10b对毛乳头诱导毛囊形成和毛发生长的功能有明显的促进作用，同时能够显著增加毛乳头细胞碱性磷酸酶、versican的表达。

4.1 Wnt5a：Wnt5a是一个非经典的Wnt家族成员，最新研究证实，通过Wnt5a可调节Wnt/β联蛋白信号，而该信号在体内毛囊毛乳头中高度表达。Kwack等［15］研究了Wnt5a是否能够影响毛乳头细胞中经典的Wnt/β联蛋白信号。用Wnt5a处理导致Wnt3a介导后提高的β联蛋白信号衰减，培养的毛乳头细胞中转染Wnt5a siRNA可以增强β联蛋白信号。因此，Wnt5作为自分泌因子，可以降低人毛乳头细胞的经典Wnt信号通路。另外，有研究表明，Wnt5a有双重信号活动，即在体内能诱导或抑制β联蛋白/TCF信号，依赖于表达的时间、位点以及细胞表达的受体。Wnt5a的过表达会导致静止期延长并抑制生长期，使毛囊处于休眠状态［16］。

4.2 Wnt3a：Shin 等［17］通过基因芯片技术发现了用含Wnt3a培养基培养的毛乳头细胞的EP2的表达显著增加。进一步研究发现，Wnt3a能够通过Wnt/β联蛋白信号通路显著增加毛乳头细胞EP2的表达，增加毛乳头细胞对PGE2的敏感性，而EP2和前列腺素E2的结合能够通过激活胞质内的腺苷酸环化酶进一步发挥调控靶基因表达的功能，他们也证实了用含前列腺素E2的培养基培养Wnt3a预处理过的毛乳头细胞，毛乳头细胞诱导毛囊形成和毛发生长的能力明显提高。与此同时，他们观察到Wnt3a处理毛乳头细胞后在提高Wnt促进因子LEF1、FZD7表达的同时，某些Wnt的抑制因子AXIN2、DDK-1的表达也升高了。此外，成纤维细胞生长因子（FGF）信号通路中的FGF7、FGF10和骨形态发生蛋白（BMP）信号通路中的 BMP4、BMPM1、BAMB2的表达都有影响。

4.3 Wnt7b：Kandyba 等［18］抑制体内的 BMP 通路后发现，Wnt7b在毛囊干细胞生长期内表达上调，其对毛囊向下生长的进程是至关重要的，而对毛囊形态发生时基板形成的启动不起作用。作者进一步研究表明，Wnt7b在毛囊生长的晚期发挥作用，对维持正常生长期的长度及退行期启动的合适时间点是不可或缺的，同时能激活和促进毛囊干细胞从正常的休止期转换到生长期。

5 Wnt信号通路与其他

Ambler等［19］研究发现，Wnt/β 联蛋白信号通路能够增强Notch信号通路的配体Jagged1的表达，从而导致毛乳头细胞Notch通路的靶基因Hey1和Hey2的表达。研究发现，毛乳头细胞能够诱导干细胞向角质形成细胞方向分化，而Wnt/β联蛋白信号途径能够增强毛乳头细胞的这种诱导分化能力［14］。Enshell-Seijffers等［20］通过基因表达分析发现，真皮乳头中β联蛋白调节，包括FGF和IGF等信号通路，从而介导真皮乳头的诱导效应。

6 结语

Wnt/β联蛋白信号通路在毛囊形成和毛发生长中的关键作用已得到认可，体外毛囊重建的特性对于治疗脱发性疾病的意义也受到越来越多的关注。现已有多种治疗方式是通过调节作用于毛乳头细胞的某些信号通路发挥作用，但是毛囊形成和毛发生长是复杂的信号分子相互调控的过程，同一信号通路不同分子之间、不同信号通路与信号通路之间如何进行协同或拮抗作用及各种信号通路对毛囊干细胞的作用机制是下一步需要研究的重点。

［1］Woo WM,Atwood SX,Zhen HH,et al.Rapid genetic analysis of epithelial-mesenchymal signaling during hair regeneration ［J］.J Vis Exp,2013,（72）:e4344.

［2］Chi WY,Enshell-Seijffers D,Morgan BA.De novo production of dermal papilla cells during the anagen phase of the hair cycle［J］.J Invest Dermatol,2010,130（11）:2664-2666.

［3］Jahoda CA,Oliver RF.Histological studies of the effects of wounding vibrissa follicles in the hooded rat ［J］.J Embryol Exp Morphol,1984,83:95-108.

［4］Messenger AG.The control of hair growth:an overview［J］.J Invest Dermatol,1993,101（1 Suppl）:S4-S9.

［5］Tsai SY,Sennett R,Rezza A,et al.Wnt/β-catenin signaling in dermal condensates is required for hair follicle formation［J］.Dev Biol,2014,385（2）:179-188.

［7］Lien WH,Polak L,Lin M,et al.In vivotranscriptional governance of hair follicle stem cells by canonical Wnt regulators［J］.Nat Cell Biol,2014,16（2）:179-190.

［8］Shimizu H,Morgan BA.Wnt signaling through the beta-catenin pathway is sufficient to maintain,but not restore,anagen-phase characteristics of dermal papilla cells ［J］.J Invest Dermatol,2004,122（2）:239-245.

［9］Yang Y,Li Y,Wang Y,et al.Versican gene:regulation by the β-catenin signaling pathway plays a significant role in dermal papilla cell aggregative growth［J］.J Dermatol Sci,2012,68（3）:157-163.

［10］Xiong Y,Liu Y,Song Z,et al.Identification of Wnt/β-catenin signaling pathway in dermal papilla cells of human scalp hair follicles:TCF4 regulates the proliferation and secretory activity of dermal papilla cell［J］.J Dermatol,2014,41（1）:84-91.

［11］Aulicino F,Theka I,Ombrato L,et al.Temporal perturbation of the Wnt signaling pathway in the control of cell reprogramming is modulated by TCF1［J］.Stem Cell Reports,2014,2（5）:707-720.

［12］Zhang Y,Yu J,Shi C,et al.Lef1 contributes to the differentiation of bulge stem cells by nuclear translocation and cross-talk with the Notch signaling pathway ［J］.Int J Med Sci,2013,10（6）:738-746.

［13］Shin HS,Park SY,Hwang ES,et al.The inductive effect of ginsenoside F2 on hair growth by altering the WNT signal pathway in telogen mouse skin［J］.Eur J Pharmacol,2014,730:82-89.

［14］Ouji Y,Nakamura-Uchiyama F,Yoshikawa M.Canonical Wnts,specifically Wnt-10b,show ability to maintain dermal papilla cells ［J］.Biochem Biophys Res Commun,2013,438 （3）:493-499.

［15］Kwack MH,Kim MK,Kim JC,et al.Wnt5a attenuates Wnt/βcatenin signalling in human dermal papilla cells ［J］.Exp Dermatol,2013,22（3）:229-231.

［16］van Amerongen R,Fuerer C,Mizutani M,et al.Wnt5a can both activate and repress Wnt/β-catenin signaling during mouse embryonic development［J］.Dev Biol,2012,369（1）:101-114.

［17］Shin H,Kwack MH,Shin SH,etal.Identification of transcriptional targets of Wnt/beta-catenin signaling in dermal papilla cells of human scalp hair follicles:EP2 is a novel transcriptional target of Wnt3a［J］.J Dermatol Sci,2010,58（2）:91-96.

［18］Kandyba E,Kobielak K.Wnt7b is an important intrinsic regulator of hair follicle stem cell homeostasis and hair follicle cycling［J］.Stem Cells,2014,32（4）:886-901.

［19］Ambler CA,Watt FM.Expression of Notch pathway genes in mammalian epidermis and modulation by beta-catenin ［J］.Dev Dyn,2007,236（6）:1595-601.

［20］Enshell-Seijffers D,Lindon C,Kashiwagi M,et al.beta-catenin activity in the dermal papilla regulates morphogenesis and regeneration of hair［J］.Dev Cell,2010,18（4）:633-642.

Roles of the Wnt/β-catenin signaling pathway in hair follicle formation and hair growth

Yu Mengjie，Xia Rushan，Yang Lijia.
Department of Dermatology,Wuxi No.2 People′s Hospital Affiliated to Nanjing Medical University,Wuxi 214002,Jiangsu,China

The morphogenesis of hair follicles is complicated.Many signaling pathways and molecules participate in hair follicle cycling and growth,of which,the Wnt/β-catenin signaling pathway is the most deeply studied,however,how it regulates hair follicle development,formation,cycling and regeneration has not been fully elucidated.The authors compare the regulatory effects of different signaling molecules and regulating factors on hair follicle growth and hair follicle stem cells,with a focus on the Wnt/β-catenin signaling pathway,aiming to reveal the action mechanisms of the pathway in the development of embryonic hair follicles,growth cycle of mature hair follicles,and proliferation and differentiation of hair follicle stem cells,to facilitate the establishment of an efficient assay for hair reconstitution,and eventually to benefit the treatment of hair follicle-related diseases.

Hair follicle;Hair;Signal transduction;Stem cells;Wnt signaling pathway;beta Catenin

Yang Lijia，Email:wxeyylj@126.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4173.2015.06.017

杨莉佳，Email:wxeyylj@126.com

本文主要缩写：TCF：T细胞因子，SCF：干细胞因子，IGF：胰岛素样生长因子，FGF：成纤维细胞生长因子，BMP：骨形态发生蛋白

2015-01-07）