NIBS研究員eLife發文揭示毛囊干細胞形成機制

　　2015年12月14日，北京生命科學研究所NIBS陳婷實驗室在《eLife》雜志在線發表文章“Embryonic attenuated Wnt/β-catenin signaling defines niche location and long-term stem cell fate in hair follicle”揭示皮膚中毛囊干細胞在發育過程中的建立機制。

　　毛發是人類具有高度再生功能的器官，毛發中的毛囊干細胞負責毛發的再生和皮膚創傷修復。到目前為止這種具有高度自我更新能力和分化能力的成體干細胞是如何形成的并不清楚。陳婷實驗室的研究人員通過遺傳學方法，用同時攜帶由特定啟動子驅動的-CreER重組酶和熒光報告基因的轉基因小鼠，在毛囊發育早期標記不同的細胞類群，并追蹤檢測這些細胞能否形成毛囊干細胞。結果顯示，毛囊干細胞的命運在胚胎發育早期Hair Peg時期就已經被決定。它們起源于一群在Hair Peg時期表達Nfatc1基因的毛囊前體干細胞。

　　為了探索毛囊干細胞的命運是由自身的細胞特質決定，還是受到周圍微環境(Niche)的影響，陳婷實驗室基于雙光子激光共聚焦顯微鏡，建立了小鼠表皮活體成像與激光灼殺實驗系統。研究人員首先通過遺傳學方法用熒光蛋白標記Hair Peg時期的表達Nfatc1細胞，并在活體成像系統中用激光灼殺這群細胞，最后來檢測成體干細胞是否能夠最終形成。實驗結果顯示，即使原始毛囊干細胞被殺死后，其他的細胞可以遷移過來形成有正常功能的成體干細胞，這說明毛囊干細胞的所處的微環境，是其建立的決定因素。

　　為了探索微環境通過什么信號機制賦予原始毛囊干細胞的特異的細胞性質，研究人員通過流式細胞分選技術分離出Hair Peg時期表達Nfatc1的細胞類群，同時他們還分選出同一時期另一群表達Shh的不能形成干細胞的類群。隨后通過RNA高通量測序(RNA-seq)和生物信息學方法，比較這兩種不同命運的細胞全基因組表達譜的差異。兩種細胞差異表達的基因都很吻合的反應了它們各自的特性，表達Shh的細胞相對高表達一系列與分化相關的基因，而原始毛囊干細胞特異性的富集了一部分成體干細胞基因。根據富集基因的數目以及基因表達差異的區別，信號通路Wnt/β-catenin最為突出，表達Shh的細胞接受了高強度的Wnt/β-catenin信號，而表達Nfatc1的細胞則不受此信號影響。

　　隨后，研究人員通過遺傳學方法在表達Nfatc1的細胞中激活Wnt通路，同時，他們還在毛囊發育階段對這條通路進行了抑制，結果都證實，Wnt/β-catenin信號通路下調對毛囊干細胞建立的具有重要影響。而進一步的研究結果顯示，這種影響是通過毛囊干細胞標記蛋白Sox9實現的。位于Hair Peg下方的細胞，響應Wnt信號程度較高，抑制了Sox9的表達，從而失去了對細胞未分化狀態的維持。這一時期響應過Wnt信號的細胞，即使可以形成毛囊干細胞，也會在毛發再生過程中逐漸失去長期的自我更新能力。

　　這項研究以毛囊為研究對象，闡述了毛囊干細胞這一成體干細胞在器官發育中的建立過程及分子機制。這不僅對研究其它干細胞的建立過程具有借鑒意義，更為臨床上在體外建立和擴增具有器官再生功能的成體干細胞系提供理論基礎。

　　NIBS和中國農業大學聯合培養的在讀博士生徐子健為本文第一作者；陳婷實驗室技術員王文潔、姜開菊，PTN項目研究生于宙，測序中心黃煥偉也對本文有重要貢獻；該論文的其他作者還包括我所轉基因中心的王鳳超博士，中國科學院上海營養所研究員周斌博士；陳婷博士為本文通訊作者。該研究由科技部973項目資助，在北京生命科學研究所完成。