FGF/IGF信号与NOTCH/YAP调控祖细胞拓扑结构决定羽毛长度的分子机制

本研究通过单细胞测序(scRNA-seq)和功能实验揭示了羽毛长度调控的双重机制：IGF/FGF信号通路通过酪氨酸激酶受体促进羽毛伸长，而YAP/NOTCH/DLL1通过调节祖细胞群规模和生长周期决定羽毛最终长度。该研究为器官尺寸调控提供了新见解，发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

羽毛作为鸟类特有的皮肤附属器官，其长度多样性一直吸引着发育生物学家的关注。从几厘米的体羽到超过1米的凤凰鸡镰状尾羽，这种惊人的尺寸差异背后隐藏着怎样的调控机制？羽毛长度如何在不同身体部位保持稳定，又如何在特定品种中实现极端伸长？这些问题不仅关乎羽毛本身的发育生物学，更为理解器官尺寸调控的普遍规律提供了独特模型。

传统观点认为，羽毛生长由毛囊中的"羽毛领"区域驱动，但对其细胞组成和分子调控网络知之甚少。同时，虽然已知胰岛素样生长因子(IGF)和成纤维细胞生长因子(FGF)等通路参与毛发调控，但这些信号如何整合细胞行为实现特定器官尺寸仍不清楚。此外，凤凰鸡等品种的超长羽毛形成机制更是未解之谜。

为回答这些问题，研究人员以白来航鸡和凤凰鸡为模型，结合单细胞转录组测序、细胞谱系追踪和功能扰动实验，系统研究了不同长度羽毛的发育特征。关键技术包括：1)使用BrdU/IdU/CldU脉冲标记进行细胞增殖和迁移追踪；2)对生长不同阶段的羽毛毛囊进行批量RNA测序和单细胞RNA测序；3)通过RCAS病毒载体进行基因功能获得和缺失实验；4)采用RNAscope进行空间转录组分析。

研究首先通过免疫染色和双标记实验揭示了羽毛领区域存在明显的功能分区。结果显示，羽毛领包含标记保留细胞(LRC)代表的干细胞区、增殖细胞核抗原(PCNA)阳性的短暂扩增(TA)细胞区以及凋亡区。特别发现，长羽毛(主镰羽)比短羽毛(体羽)具有更大的LRC区、更宽的TA细胞区和更厚的表皮细胞层。

批量RNA测序分析生长不同阶段的羽毛毛囊发现，生长早期高表达IGF和FGF9等促生长信号，而生长终止阶段BMP、WIF1和FGF18等抑制因子表达上升。单细胞转录组进一步解析了羽毛毛囊的细胞异质性，鉴定出2个祖细胞群、1个TA细胞群、4个中间层细胞群和2个终末分化细胞群。值得注意的是，长羽毛祖细胞群比例显著高于短羽毛。

功能实验证实IGF/FGF信号是羽毛伸长的关键调节因子。过表达IGF2使羽毛长度增加，而抑制FGF信号则导致生长提前终止。这些结果表明IGF/FGF通过调节细胞增殖速率控制羽毛生长速度。

对凤凰鸡超长镰羽的研究揭示了另一种调控机制。这些羽毛的生长速率与普通鸡相似，但生长周期延长至8个月以上。单细胞分析显示其具有特殊的祖细胞拓扑结构，DLL1表达区扩大，YAP1表达向真皮鞘延伸。功能实验表明，YAP/NOTCH相互作用对维持祖细胞稳态至关重要：激活NOTCH导致过早分化，而抑制YAP则使羽毛停止伸长。

讨论部分指出，该研究揭示了羽毛长度调控的双重策略：IGF/FGF调节生长速率，YAP/NOTCH/DLL1决定生长周期。这些发现不仅解释了羽毛自然变异的分子基础，也为理解器官尺寸调控提供了新视角。特别值得注意的是，凤凰鸡通过进化改变祖细胞区拓扑结构实现极端羽毛伸长，这一发现为人工调控器官尺寸提供了潜在思路。研究建立的羽毛模型和单细胞分析方法，也将促进皮肤附属器官发育的深入研究。