Hoxc13在哺乳动物毛囊发育调控中的研究进展

姚 凡，白少成，靳荣帅，张 琛，陈 阳，吴信生

（扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225000）

毛发是哺乳动物的重要特征之一，是哺乳动物毛囊生长的副产物，具有保暖、防潮、伪装等功能。毛囊是哺乳动物体内唯一一种在整个生命周期内进行周期性变化的器官，历经生长期、退行期、休止期3个时期的变化，毛发与毛囊的周期性变化密切相关。毛囊的周期性变化贯穿哺乳动物的一生，这个周而复始的过程需要经历不同基因精密的调控和不同机制的相互协调才能保证。毛发的生长发育还需要不同细胞之间的相互作用来控制，包括诱导、上皮-间质相互作用、细胞增殖、分化、迁移和凋亡。同源异型盒（）基因是动物体内调控生物形态的基因，近年来，对于同源盒C13（）基因的研究日益深入，其被证明对于毛囊的周期性发育和毛发的生长至关重要。本文主要围绕基因的机构及功能及其对毛囊生长发育的作用进行最新的总结，为在哺乳动物毛囊发育调控中的研究提供借鉴。

1 Hoxc13基因的结构与功能

基因属于同源异型盒基因中的一种，是哺乳动物生长发育重要的转录因子。所有基因家族都具有2个外显子和1个内含子，内含子区有3个保守片段，其中的1个保守片段几乎在所有动物中都存在。Wu等分析不同物种基因的CDS序列，发现在哺乳动物基因N端都存在富含甘氨酸的结构域，推测可能与动物被毛进化有关。

在皮肤毛囊的形态发生、周期性生长和毛发性状形成过程中扮演重要角色。基因缺失、突变等会引起纯毛发和指甲外胚叶发育不良。对克隆绒山羊基因研究发现，非哺乳动物向哺乳动物进化过程中基因出现了1次基因插入，这表明基因在哺乳动物被毛的起源过程中发生了适应性进化。吴玉江等通过混池DNA直接测序法检测西藏绒山羊基因并对其SNP进行分型，发现基因第2外显子具有2个SNPs位点，分析表明2个SNPs位点与羊毛平均纤维直径相关。使用CRISPR-Cas9技术构建基因敲除兔，发现基因敲除兔毛发和指甲发育异常，背部和头部毛发完全缺失，前后肢和尾部生长有少量的毛发，脸、四肢、背部出现了痤疮样病变。另外，基因敲除兔的皮肤中出现毛囊数量减少、皮脂腺增多增大以及毛囊口堵塞。对毛囊的发育、毛发的产生和形态具有重要作用，缺失可导致哺乳动物皮肤病变、毛发缺失等。

2 Hoxc13基因在哺乳动物中的表达规律

目前对于的研究主要集中于鼠、羊、兔和人上，对于其他毛用哺乳动物还缺少相关的研究。与毛囊的周期性循环具有密切关系，在毛囊周期不同时期的表达量可能控制着毛囊生长期、退行期和休止期的转变。生长期次级毛囊的平均直径最小，次级毛囊的密度和活性百分比随着生长阶段的变化而逐渐增加。Wang 等研究发现，在皮肤中次级毛囊的表皮、毛囊真皮鞘细胞、外根鞘细胞、内根鞘细胞、发干中均有表达，Hoxc13蛋白在外根鞘细胞中高表达。He等发现在前生长期、退行期和休止期中表达较弱，而随着生长前期和生长期次级毛囊的增加，表达显著增加。冯帅帅检测发现基因在绒山羊羊绒生长期的表达水平显著高于羊绒休止期。杜建文等发现基因在苏博美利奴羊不同组织中均有表达，且在皮肤组织中表达量最高。细毛羊中基因在肩部和腹部都有表达，其中在腹部表达量最高，且基因影响羊毛的长度。Han等利用CRISPR-Cas9技术构建基因敲除鼠、兔、猪，发现动物全身呈现缺毛、少毛现象，同时毛囊都表现出毛囊数目减少、排列紊乱、毛囊口堵塞等异常表型。Hoxc13蛋白在次级毛囊中的表达表明其可能在角质形成细胞的生长和再生中起关键作用，同时Hoxc13蛋白对于维持外根鞘细胞的功能也有重要作用。以上结果反映了基因可以调控毛囊和毛囊相关细胞的生长和分化，同时对毛囊的形态也具有一定调控作用，其在毛囊发育周期中通过对毛囊的一系列调控进而来控制毛发的发生与生长，对毛发哺乳动物产毛和人类脱发研究具有重要意义。

3 Hoxc13基因在毛囊发育中的调控网络

3.1基因在毛囊发育中的下游作用途径 绒山羊的季节性毛囊活动和纤维生长是一个周期性过程，通过对12月来绒山羊侧皮19个毛囊发育相关基因（HFDRGs）的研究，发现/基因与卵泡活性相关；使用褪黑素治疗绒山羊时发现角质形成细胞中的表达量急剧增加；此外，将p-ECFP基因转染绒山羊皮肤成纤维细胞，结果表明，基因的过表达抑制了对毛囊发育有负作用的HFDRGs（和）的表达，促进了对毛囊发育有正作用的HFDRGs（和）的表达，绒山羊的毛囊活性受到表达的影响。在毛囊生长期早期，注射ShRNA（Sh）抑制可促进生长期进入，表现为毛发长度和毛球大小明显减少，生长期毛囊百分比增加，毛发周期评分和TUNEL+细胞增多。相反，在生长后期局部注射重组多肽（rh）可延长生长期；此外，在休止期注射rh可显著促进毛发生长并诱导生长进程。在分子水平上，磷酸化（p-）在Sh处理的毛囊中表达上调，在rh处理的毛囊中表达下调，表明可能通过抑制信号传导而阻断生长抑素转换。基因靶向的转基因小鼠出生后皮肤中表达显著下调，此外，在该小鼠有缺陷的毛囊髓质中未检测到表达，通过基因芯片分析表明是在髓质分化过程中的下游调节靶点。基因靶向（tm1Mrc）小鼠和基因靶向（nu）小鼠脱发是由于毛干分化中相似的缺陷造成的，并且2个突变体都患有严重的指甲营养不良。对tm1Mrc小鼠皮肤的DNA微阵列分析发现，与等许多毛发角蛋白基因一起显著下调。共转染和染色质免疫沉淀（ChIP）实验得到的结果表明，下调反映了失去直接转录控制；的依赖性激活是调控级联调控末端分化标志物表达的一部分。综上可知，过表达能够调节毛囊相关基因的表达，上调具有正向调控作用的基因来延长毛囊的生长期，从而促进动物毛囊的生长；敲除则抑制对毛囊发育具有正向调控作用的基因的表达，从而表现出毛囊缺陷、脱发等现象。

角蛋白是动物毛发的重要组成蛋白，角蛋白（KRTs）和角蛋白关联蛋白（KAPs）基因与羊毛囊的整个生长发育过程有重要联系。基因通过控制和基因的表达从而成为羊毛囊生长发育的过程中的关键调控基因，对毛囊发育产生重要影响。研究表明，绒山羊中和基因在生长期的相对表达量极显著低于休止期；并且，基因在休止期高产绒山羊的表达量显著高于低产羊，基因可能作为转录因子来调节基因的表达，从而控制羊绒的生长发育。绵羊 KAP11.1基因 5′端上游在-251～-148 bp处存在3个与毛囊发育相关的转录因子（、和）结合位点，利用点突变和RNA干扰技术在体外细胞抑制的表达证实这些结合位点对具有调控作用。苏波利用凝胶电泳迁移试验（EMSA）验证3个转录因子序列和核蛋白形成了蛋白结合物，这些基因存在相互作用，共同调控的表达来实现对毛囊发育的影响。另有研究表明，角蛋白基因在羊绒周期中的表达与的表达模式相似，除和外，其余角蛋白在羊绒生长期的表达高于休止期。Wang等研究发现在毛乳头细胞中过表达上调了和的启动子活性，下调了和的启动子活性，表明对于不同角蛋白的启动子活性具有不同作用。角蛋白与角蛋白关联蛋白基因是基因的下游靶基因，可能直接或与其他转录因子结合成复合物，来调控角蛋白和角蛋白关联蛋白基因的启动子区域，从而调节相关基因的表达，来控制毛囊变化，进而对毛发性状产生影响。

3.2基因在毛囊发育中的上游调控因子基因作为转录因子不仅可以调控相关基因的表达，同时还受其他因素的调控。有研究以小鼠枝芽为模型，分析Hoxc基因在外胚层的功能，得出Hoxc基因的表达在外胚层具有渐进性时间激活，在外胚层发育后期表达达到最大。Fernandez-Guerrero等通过构建突变鼠得到毛发缺失小鼠，同时还发现了位于基因上游的2个哺乳动物特异性增强子簇，这2个增强子在动物毛发和指甲发育过程中共同作用来提高基因的转录水平。另有研究发现在退行期和休止期表达上调，过表达可以直接抑制、和的表达，从而导致脱发。对启动子区域研究表明，启动子区域有和的结合位点，/报告基因分析过表达的小鼠，表明表达水平受到负自我反馈调节控制，同时可以通过结合的启动子来调节表达。Wang等将启动子载体与外源褪黑素加入毛乳头细胞中，荧光素酶活性增强，表明褪黑素可通过影响启动子活性来调节。另外，有研究发现基因启动子区CpG位点在休止期甲基化程度更高，DNA甲基转移酶相关基因和在羊绒休止期的表达水平比羊绒生长期更高。因此，DNMTs可能通过调节基因的甲基化水平对羊绒的周期性生长进行调控。

4 结 语

作为毛囊生长发育过程中一个关键的转录因子，可通过控制角蛋白和角蛋白关联蛋白等来调控毛囊及毛囊相关细胞的生长发育、分化、迁移、增殖和凋亡等，从而控制哺乳动物的毛发性状；同时，基因还受上游基因、相关蛋白、化学制剂等影响，共同控制哺乳动物毛发的形成与生长。目前对于基因已有部分研究，但对于具体的作用机制还未完全了解，需要通过试验进一步确定基因下游靶位点以及上游调控分子，构建毛囊生长发育的完整网络，为未来深入研究基因奠定基础。同时，利用Chip-seq等技术来确定Hoxc13蛋白与下游基因之间的相互作用，有利于进一步了解在毛囊生长发育周期和毛发形成过程中的作用机制，为哺乳动物毛发的生产提供科学指导，同时也能为人类脱发治疗提供新的理论依据和方法。