PNAS:干细胞如何生出新头发?

【字体: 时间:2016年03月07日 来源:生物通

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  最近在《PNAS》上发表的一项研究中,洛克菲勒大学的研究人员,对于“使毛囊干细胞在静态和再生活性之间摇摆不定”的生物学信号,提出了新的见解。

  

生物通报道:成人干细胞给身体提供了一个细胞库,损坏的或者用完的组织可以从中得以补充。在诸如肠和皮肤之类的器官中——它们需要不断的更新,这些干细胞频繁地分裂。但在其他身体结构(包括毛囊)中,干细胞保持在一个静止状态——它们不繁殖,直到收到来自周围环境的信号,告诉它们到了再生的时间了。

这给人的直观感觉是,干细胞是一种宝贵的资源,要慎用。然而,科学家们对于“它们的静态是如何被调控的”还了解甚少,甚至不确定其确切的生物学功能。最近在《PNAS》上发表的一项研究中,洛克菲勒大学哺乳动物细胞生物学和发育实验室主任Rebecca C. Lancefield教授及其实验室的研究生Kenneth Lay,对于“使毛囊干细胞在静态和再生活性之间摇摆不定”的生物学信号,提出了新的见解。

Fuchs说:“在一项早期的研究中,我们实验室表明,当小鼠衰老时,在它们皮肤中的旧脂肪会产生更高水平的分泌信号,称为BMP。这个信号是毛囊干细胞上的一个分子制动器,使它们大部分的时间处于静态。”

在目前的研究中,Lay确定了由BMP信号激活的一个干细胞基因,并发现,当这种基因缺失时,干细胞在更短的时间间隔内长出了头发。Fuchs说:“我们起初认为,头发生长的关键可能就是青春之泉,但是小鼠的皮毛出奇的变薄,并且过早地变成灰色。”

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更多的生长和更少的隆突
通常,随着新的头发一起,干细胞会在创建一个新的隆突,同时确保旧的隆突和旧头发留在毛囊内。只有新的隆突可以产生另一根新的头发,但是旧的隆突被固定住,以保持一层厚厚的和茂密的皮毛。在小鼠中,毛囊可以累积多达四个这样的隆突。

Lay和Fuchs制备了缺乏FOXC1的小鼠——通过抑制或敲除产生这个蛋白的基因,他们发现,动物的毛囊干细胞需要更多的时间来生出毛发,但是处于静态的时间却减少了。在过去的九个月里,虽然正常小鼠的毛囊生长出了四根新的头发,但是,FOXC1基因敲除小鼠的毛囊却生出了七倍的新头发。Lay解释说:“敲除的干细胞进入一种过分活跃的状态,在这种状态中它们不能充分地建立静态。”

研究人员还发现,在FOXC1缺失时,尽管产生了七倍的新头发,但毛囊始终只有一根头发。这是因为,这些毛囊不能保留它们旧的隆突,虽然它们产生了一种没有问题的新隆突。随着干细胞开始增殖,它们变得越来越不能够粘在一起。因此,当新生的头发从毛囊旁边挤过去时,它们的旧隆突并没有与毛囊适当地连在一起。而且自从隆突发出休眠信号以后,其缺失可更快地激活剩余的干细胞。

灰头发和秃头
虽然FOXC1基因敲除小鼠的毛囊干细胞以相对危险的速度产生毛发,但这种恣意的生长似乎可将它们耗尽。年长的基因敲除小鼠有稀疏的灰色皮毛,它们不能像正常年龄或更年轻小鼠那样,尽快地再生出皮毛。类似的现象也在小鼠造血干细胞(它们可产生血细胞)中有过描述——这些在年轻动物中更活跃的干细胞,随着动物的生长似乎变得枯竭。

Fuchs解释说:“毛囊干细胞影响黑素细胞干细胞的行为,这些细胞与隆突微环境共同存在。因此,当毛囊干细胞的数量随着年龄增长而下降时,黑素细胞干细胞的数量也随之下降,从而导致剩下的毛发过早花白。”随着年龄的增长会发生自然脱发,对此我们还了解甚少,但这些变秃的基因敲除小鼠,可以提供一种模型来进行研究。

今年2月份,Science杂志以两篇论文、一篇评论文章的形式,揭示了脱发这一过程背后的神秘机制,阐述了衰老、脱发与干细胞之间的关系(三篇Science:脱发是因为头发变皮肤?)。如何让头发再生?科学家们对此也进行了相关研究。2014年12月,西班牙国立癌症研究中心进行的一项研究,揭示了刺激毛囊生长的一种全新角度。这也为一个更大的问题——如何在成年生物体、尤其是皮肤中再生组织,增加了新的知识。相关研究结果发表在《PLOS Biology》杂志(PLOS:通过改变免疫细胞刺激头发生长)。而在去年5月份在Cell杂志发表的一项研究表明,以特定模式和密度拔掉两百根小鼠毛发,可以诱导长出1200根新毛发(华人学者Cell发表重要成果:拔头发可以治秃头)。

 

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
FOXC1 maintains the hair follicle stem cell niche and governs stem cell quiescence to preserve long-term tissue-regenerating potential
Abstract: Adult tissue stem cells (SCs) reside in niches, which orchestrate SC behavior. SCs are typically used sparingly and exist in quiescence unless activated for tissue growth. Whether parsimonious SC use is essential to conserve long-term tissue-regenerating potential during normal homeostasis remains poorly understood. Here, we examine this issue by conditionally ablating a key transcription factor Forkhead box C1 (FOXC1) expressed in hair follicle SCs (HFSCs). FOXC1-deficient HFSCs spend less time in quiescence, leading to markedly shortened resting periods between hair cycles. The enhanced hair cycling accelerates HFSC expenditure, and impacts hair regeneration in aging mice. Interestingly, although FOXC1-deficient HFs can still form a new bulge that houses HFSCs for the next hair cycle, the older bulge is left unanchored. As the new hair emerges, the entire old bulge, including its reserve HFSCs and SC-inhibitory inner cell layer, is lost. We trace this mechanism first, to a marked increase in cell cycle-associated transcripts upon Foxc1 ablation, and second, to a downstream reduction in E-cadherin–mediated inter-SC adhesion. Finally, we show that when the old bulge is lost with each hair cycle, overall levels of SC-inhibitory factors are reduced, further lowering the threshold for HFSC activity. Taken together, our findings suggest that HFSCs have restricted potential in vivo, which they conserve by coupling quiescence to adhesion-mediated niche maintenance, thereby achieving long-term tissue homeostasis.

 

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