毛囊发育与周期性生长的调控信号通路研究进展

刘公言,白莉雅,李福昌,孙海涛,杨丽萍,姜文学,高淑霞*

(1. 山东省农业科学院畜牧兽医研究所/山东省畜禽疫病防治与繁育重点实验室，山东 济南 250100;2. 山东农业大学动物科技学院，山东 泰安 271018)

毛囊是哺乳动物生长被毛的皮肤附属器官，也是哺乳动物出生后具有周期性再生功能的器官之一，它的性状和组织结构决定着毛用动物被毛的品质和产量。毛囊依靠周期性的循环生长来实现被毛的更新，其周期性变化决定着哺乳动物被毛的生长与脱落，而毛囊的周期性生长发育则受多种因素的影响，并在一系列信号分子的调节下完成。当毛囊的周期性再生功能发生障碍时，动物就会出现脱毛等毛囊疾病。本文从哺乳动物毛囊的结构、周期性生长特征以及Wnt、BMP、Notch等参与毛囊周期性生长调控的信号通路等方面进行了详细阐述，为深入了解哺乳动物毛囊的周期性生长调控机制，以及为今后指导绒山羊、绵羊、长毛兔等毛用动物和獭兔、水貂、狐狸、貉等皮用动物选育和提高生产性能提供理论参考。

1 毛囊结构及生理功能

1.1 毛囊结构

皮肤是哺乳动物机体最外面的结构，也是动物机体最大的器官，主要由表皮(epidermis)和真皮(dermis)构成，并含有汗腺(sweat gland)、皮脂腺(sebaceous glands)和竖毛肌(erector pili muscle)等附属器官[1]。表皮位于皮肤最外层，平均厚度为0.2 mm，根据哺乳动物表皮细胞的不同发展阶段和形态特点，由外向内可分为角质层(stratum cornem)、颗粒层(stratum granulosum)、棘细胞层(stratum spinosum)、基底层(basal layer)和基底膜(basement membrane)等[1]，真皮主要由毛乳头细胞(dermal papilla cell)组成，毛乳头细胞能够诱导毛囊形态的发生。毛囊(hair follicle)是由胚胎期神经外胚层与间充质相互作用发育形成的，能够合成分泌多种特异角质蛋白，并且具有独特的生理结构和周期性生长特性的复杂皮肤附属器官[2]。毛囊贯穿于哺乳动物皮肤的表皮和真皮，其中毛囊干细胞位于皮肤的表皮，而毛乳头细胞位于皮肤真皮，表皮部位的毛囊干细胞与真皮部位的毛乳头细胞之间信号交流是启动毛囊再生的关键[1]。毛囊从外到内依次分为外根鞘(outer root sheath)、内根鞘(inner root sheath)和毛干(hair shaft)，其中内根鞘又分为henley’s层(henley’s layer)、huxley’s层(huxley’s layer)和内根鞘角质层(cuticle)；毛干又由毛干髓质层(medulla)、毛干皮质层(cortex)和毛干角质层(cuticle)组成[1]。

1.2 毛囊生理功能

在哺乳动物中，被毛是毛囊生长发育的皮肤衍生物，毛囊最主要生理功能是生长和固定被毛。毛囊形态发生产生的被毛可以抵御环境变化，如季节性的温度变化，毛囊分泌的皮脂起到保护动物被毛作用[3]。毛囊中的黑色素细胞可以决定被毛颜色，被毛附着在皮肤的最外层，不仅具有防御和保护功能，而且具有增加信息交流的作用。被毛在汗液引流和皮脂排泄中发挥重要功能，并且能够产生具有抵御蚊虫瘙痒、防风隔热和提供触感等多种功能。另外，饲养绒山羊、绵羊、长毛兔等毛用动物所获得的被毛为人们日常生活提供所需要纺织材料。

2 毛囊的周期性生长

2.1 毛囊的周期性生长特征

哺乳动物出生后，根据毛囊形态上的变化特征将毛囊周期分为生长期(anagen)、退行期(catagen)和休止期(telogen)，每一个阶段都受到严格的调控，其特征是基因表达、细胞增殖和分化的明显变化[1-2]。毛囊在生长期直而立，毛乳头(dermal pailla)呈现紧密的球形且和毛干之间有一串增厚的角质细胞团，生长期时间长短决定毛用动物被毛长度。退行期也被叫做毛囊生长期到休止期之间的动态转变期，此期间受到多种信号通路分子的调控，退行期包裹毛乳头的毛球部萎缩、毛发逐步停止生长。休止期阶段，毛囊活动基本停止，毛干成熟，最终将从毛囊中脱落。这期间毛球部完全消失，毛乳头浸埋在皮肤真皮部分。休止期毛囊干细胞会对信号因子的做出反应，迅速被激活，使毛囊进入生长期，从而启动下一个毛囊周期[4]。遗传、营养、环境等许多因素均可影响毛囊的周期性循环生长过程，从而影响毛用动物的被毛品质和产毛量[5-6]。

2.2 参与毛囊的周期性生长的细胞

毛乳头细胞(dermal papilla cell)可以通过分泌信号因子影响毛母质细胞(matrix cell)增殖分化，在毛囊周期调控中发挥重要作用[7]。据Millar[2]报道，在动物毛囊周期生长过程中，毛乳头细胞与毛囊干细胞发生的信号交流，在毛囊周期启动中初始阶段最为密切。当毛乳头细胞遭到损害时，毛囊重建发生障碍[8]。毛乳头细胞在毛囊休止期阶段位于毛囊干细胞和毛发祖细胞附近。毛乳头细胞分泌的成纤维细胞生长因子7(fibroblast growth factor 7，FGF7)和成纤维细胞生长因子10(fibroblast growth factor 10，FGF10)通过促进毛囊干细胞的增殖，促进毛囊重建[9]。

毛囊干细胞(hair follicle stem cell)与毛囊周期性生长密切相关，毛囊干细胞中的转录因子3(transcription factor 3，TCF3)和转录因子4(transcription factor 4，TCF4)的活性决定毛囊干细胞状态，从而影响毛囊再生。毛囊干细胞自分泌因子成纤维细胞生长因子18(fibroblast growth factor 18，FGF18)能够通过自我调控过程抑制毛囊干细胞增殖。小鼠敲除FGF18基因后，毛囊生长激活，而过表达FGF18则抑制毛囊生长[10]。毛囊干细胞不仅可以自我调节，还能调节它周围的黑色素细胞参与被毛颜色的形成[11]。另外，毛囊隆突部附近的肌肉祖细胞可分化成立毛肌，对表皮中的毛囊干细胞具有调控作用[12]。

皮肤中内皮细胞、神经末梢细胞和真皮鞘细胞等其他类型细胞也参与毛囊干细胞的激活，影响毛囊干细胞的增殖分化[13]。另外，最新研究表明皮下脂肪细胞参与维持皮肤微环境的稳态，影响毛囊再生，而毛母质细胞分泌的音猬因子(sonic hedgehog, SHH)也可以影响脂肪形成，敲除毛母质细胞中SHH基因后，可使动物皮下脂肪细胞形成和毛囊生长受损[14]。脂肪组织分泌的血小板衍生因子(platelet derived growth factor, PDGF)可以作用于毛乳头细胞(dermal papilla cell, DPC)，在血小板衍生因子A(platelet derived growth factor A, PDGFA)受体缺陷的小鼠中，尽管 PDGFA 在前体脂肪细胞中大量表达，但由于毛乳头细胞中没有 PDGF 受体，毛囊再生失败，说明脂肪组织可以通分泌的一些因子作用于毛乳头细胞进而影响毛囊再生[15]。研究表明，脂肪组织也可以分泌骨形态发生蛋白质(bone morphogenetic proteins, BMPs)，并通过作用于毛乳头细胞进而影响毛囊再生[16]。

3 毛囊周期性生长调控的信号通路

3.1 Wnt信号通路

Wnt(wingless/integrated)家族是一类分泌型脂质修饰糖蛋白，对动物毛囊发育起着重要调控作用[17]。由Wnt蛋白、β-连环蛋白(β-catenin)、卷曲蛋白4(frizzled-4，Fzd4)和结肠腺瘤性息肉基因 (adenomatous polyposis coli, APC) 复合物等组成的经典Wnt信号通路，参与皮肤生物学过程，调控上皮形态发生，对调控毛囊生长周期具有重要作用[18]。Wnt蛋白配体通过与7次跨膜蛋白(frizzled, FZD)、脂蛋白受体相关蛋白5或6 (lipoprotein receptor related protein 5 or 6, LRP 5/6)等受体结合来激活Wnt信号通路[19]。Wnt与FZD/LRP受体复合物可以诱导 β-catenin 磷酸化，从而使β-catenin和T细胞因子(T-cell factor, TCF)/淋巴增强因子(lymphoid enhancer factor, LEF)/β-catenin介导的基因表达，调节毛囊细胞的增殖和分化[20]。吴振宇[21]利用免疫组化发现Wnt10b特异性的表达在于獭兔生长期的毛母质细胞，同时在内外根鞘也有表达，且在退化期主要表达于内外根鞘。孙露露等[22]报道Wnt10b基因在皖系长毛兔毛生长周期中起到一定的调节作用，能够通过诱发毛囊的再生而促进毛的生长发育。同样程晓印等[23]在美利奴羊上的研究也证实，Wnt10b参与了毛囊的发育调控，并推测其调控作用途径为经典Wnt通路。大肠腺瘤性息肉病(Adenomatous polyposis coli, APC)分子与β-catenin相互作用，在控制β-catenin蛋白稳定性方面起着关键作用。哺乳动物被毛的角蛋白合成受到 Wnt 信号的调控，也可通过抑制β-catenin 活性降低 Wnt 信号活性，进而抑制被毛生长[24]。TCF3/LEF 能够抑制皮肤干细胞向表皮细胞终末分化，促使干细胞向毛囊干细胞分化，进而分化成其他毛囊细胞[25]。Dickkopf 相关蛋白1 (DKK1) 是 Wnt 信号通路的重要拮抗物，在胚胎发育阶段持续过表达DKK1，动物则不能生成毛囊，在出生后过表达 DKK1则抑制毛囊的生长。DKK1可以通过抑制β-catenin活性实现对Wnt信号通路的抑制，导致毛囊退行[26]。此外，肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)等许多细胞因子亦具有促使毛囊退行的作用[27]。

3.2 BMP信号通路

骨形态发生蛋白质(bone morphogenetic protein, BMP)信号通路在控制动物皮肤毛囊生长发育过程中起到重要调控作用，是参与毛囊发育生物学过程重要信号通路之一。BMP信号有利于毛乳头活性的维持，BMP2和BMP4 参与毛囊基质的形成，BMP 2和BMP 4在生长期的表达水平低于休止期，参与动物毛囊的生长期向退行期转化的调节，具有抑制毛囊从休止期向生长期转变的作用[28]。BMP2过表达后毛囊干细胞至毛乳头区间细胞增殖分化停止[29]。苏蕊等[30]研究报道BMP2可抑制绒山羊皮肤毛囊发育，主要在内蒙古绒山羊皮肤毛囊的毛干周围发挥作用，与维持绒山羊皮肤次级毛囊处于休止期有关。李冰等[31]选取4日龄的仔兔，此时獭兔处于被毛发育旺盛的阶段，被毛密度低的獭兔组的BMP2表达量显著高于被毛密度高的獭兔组，说明BMP2基因通过抑制毛囊的发育，影响了獭兔的被毛生长。BMP4敲除后，毛囊不能正常发育，形成受阻[32]。BMP I型受体与绵羊等毛用动物产毛量密切相关[33]。BMP 抑制剂 Noggin过表达会导致毛母质过度增殖从而抑制其分化形成毛干[34]。 BMP 拮抗物抑制上皮干细胞和毛乳头细胞之间 BMP 信号，随后激活Wnt 信号通路，从而激活毛囊再生过程。大量研究表明 Wnt 和 BMP 信号在控制毛囊干细胞静止和激活中起着重要作用，过表达 β-catenin 激活 Wnt 信号通路，使毛囊干细胞增殖[18]，也可通过抑制 TCF4 或 β-catenin，或是过表达DKK1 来阻止细胞增殖[35-37]。转化生长因子-β(transforming growth factor-β, TGFβ)通过抑制角质形成细胞的增殖在毛囊发育中发挥作用。Wu 等[38]研究了TGFβ家族基因在0～8周龄獭兔皮肤组织表达，TGFβ-1基因表达呈先升高后降低变化，在2、4周龄时表达量显著高于 6、8 周龄并在 2 周龄时表达达到最高；而TGFβ-2、TGFβ-3的基因表达水平均呈现先降低后升高的变化，TGFβ-1基因表达量在2周龄时达到最高，TGFβ-2、TGFβ-3基因表达水平在2周龄时达到最小。在毛囊生长期向退行期转换过程中TGFβ-1表达于内根鞘，可以使毛囊由生长期过渡到退行期，具有抑制细胞增殖作用。TGFβ也可以调控毛囊干细胞的静止或是激活状态，通过注射 TGFβ-2重组蛋白可使毛囊提前进入生长期[39]；毛乳头细胞可分泌 TGFβ-2，毛囊干细胞中敲除的 TGFβ 受体后，不能接受 TGFβ-2 信号，从而激活毛囊干细胞使其从休止期转变到生长期[40]。

3.3 Notch信号通路

Notch信号通路作为高度保守的细胞信号系统，调控多能干细胞分化成毛囊干细胞的生物学过程，并在毛囊干细胞特异性分化各种毛囊细胞的过程中发挥重要作用。哺乳动物通常有Notch1、Notch2、Notch3、Notch4共4种Notch受体被Jag1、Jag2、Deltalike 1(Dll1)、Deltalike 3(Dll3)和Deltalike 4(Dll4)共5种典型的Delta-Serrate-Lag(DSL)型配体激活[41]。Notch家族成员在毛囊的形态发生中起着重要调控的作用，Notch 信号通路与 BMP信号通路密切相关。Notch受体与配体结合后，激活邻近毛囊干细胞，使毛囊由休止期进入生长期。当毛囊中存在Notch时，它不仅通过抑制TGF-β 使毛囊细胞进入生长期，而且有助于毛囊结构的维持；当毛囊中的Notch缺失时，内根鞘细胞将不能增殖分化，毛母质的上皮细胞会异常表达，毛囊细胞结构随之发生改变[42]。Notch信号通路与BMP信号通路相互作用，BMP信号通路通过调控β-catenin磷酸化来抑制Wnt信号通路。过表达Lef1或β-catenin的转基因小鼠改变毛囊生长，并诱导SHH蛋白在毛囊中表达。Notch 信号参与毛干形成，Notch 能够维持毛母质细胞正常分化形成毛干，Notch信号缺失导致毛发形成受损。Notch信号在家禽羽芽的各阶段均有表达，其中BMP4协同Notch1促进羽毛轴的形成，Notch信号通过侧向抑制机制来调控羽毛周期性图案的产生[43]。

由SHH蛋白构成的SHH信号通路可以通过控制毛囊休止向生长期转化影响上皮细胞和真皮细胞增殖，是胚胎期皮肤毛囊形态发生的必须信号通路之一。SHH信号通路不仅与Wnt信号通路具有相似的作用，而且它还能通过影响上皮细胞和真皮的增殖，从而调控上皮生长和毛乳头的形成，是毛囊表皮基底细胞形成所必不可少的信号通路[44]。TNF超家族信号因子及其信号通路在皮肤毛囊发育中也发挥重要调控作用[45]。另外，信号通路的激活时间、信号强弱和持续时间等的精确调控对于毛囊形态发生和毛发周期的维持至关重要。毛囊发育过程中β-catenin、Notch1、BMP、SHH等蛋白翻译后的修饰，参与调控Wnt、BMP、Notch、SHH等信号通路，协调各个通路的活性，保证毛囊发育和毛发周期正常进行[46]。除了上述信号通路之外，最新研究发现生物钟所调控基因(clockgene)的表达与毛发周期生长密切相关，这类基因的表达随毛囊周期生长呈周期性变化[47]。小鼠敲除clock和bmal1等生物钟基因后毛囊生长期滞后，毛囊次级毛芽(secondary hair germ)细胞的增殖减慢[48]。因此，生物钟基因在毛囊形态发生和毛囊周期生长调控中发挥重要调控作用。

4 展望

绒山羊、绵羊、长毛兔等毛用动物和獭兔、水貂、狐狸、貉等皮用动物被毛具有重要的经济价值，而经济价值的高低与毛囊发育密切相关。在哺乳动物毛囊周期生长过程中，毛囊干细胞、毛乳头细胞和脂肪细胞均可分泌信号因子调控毛囊发育，从而影响被毛生长。另外，Wnt、BMP、Notch、SHH等多种信号通路参与毛囊生物学发育过程的调节，且信号通路中基因的复杂性和功能的多角色性需要进一步深入研究，以便更好地了解毛囊发育调控机制。