•   毛发是人类具有高度再生功能的器官,毛发中的毛囊干细胞负责毛发的再生和皮肤创伤修复。到目前为止这种具有高度自我更新能力和分化能力的成体干细胞是如何形成的并不清楚。陈婷实验室的研究人员通过遗传学方法,用同时携带由特定启动子驱动的-CreER重组酶和荧光报告基因的转基因小鼠,在毛囊发育早期标记不同的细胞类群,并追踪检测这些细胞能否形成毛囊干细胞。结果显示,毛囊干细胞的命运在胚胎发育早期HairPeg时期就已经被决定。它们起源于一群在HairPeg时期表达Nfatc1基因的毛囊前体干细胞。

      为了探索毛囊干细胞的命运是由自身的细胞特质决定,还是受到周围微环境(Niche)的影响,陈婷实验室基于双光子激光共聚焦显微镜,建立了小鼠表皮活体成像与激光灼杀实验系统。研究人员首先通过遗传学方法用荧光蛋白标记HairPeg时期的表达Nfatc1细胞,并在活体成像系统中用激光灼杀这群细胞,最后来检测成体干细胞是否能够最终形成。实验结果显示,即使原始毛囊干细胞被杀死后,其他的细胞可以迁移过来形成有正常功能的成体干细胞,这说明毛囊干细胞的所处的微环境,是其建立的决定因素。

      为了探索微环境通过什么信号机制赋予原始毛囊干细胞的特异的细胞性质,研究人员通过流式细胞分选技术分离出HairPeg时期表达Nfatc1的细胞类群,同时他们还分选出同一时期另一群表达Shh的不能形成干细胞的类群。随后通过RNA高通量测序(RNA-seq)和生物信息学方法,比较这两种不同命运的细胞全基因组表达谱的差异。两种细胞差异表达的基因都很吻合的反应了它们各自的特性,表达Shh的细胞相对高表达一系列与分化相关的基因,而原始毛囊干细胞特异性的富集了一部分成体干细胞基因。根据富集基因的数目以及基因表达差异的区别,信号通路Wnt/β-catenin最为突出,表达Shh的细胞接受了高强度的Wnt/β-catenin信号,而表达Nfatc1的细胞则不受此信号影响。

      随后,研究人员通过遗传学方法在表达Nfatc1的细胞中激活Wnt通路,同时,他们还在毛囊发育阶段对这条通路进行了抑制,结果都证实,Wnt/β-catenin信号通路下调对毛囊干细胞建立的具有重要影响。而进一步的研究结果显示,这种影响是通过毛囊干细胞标记蛋白Sox9实现的。位于HairPeg下方的细胞,响应Wnt信号程度较高,抑制了Sox9的表达,从而失去了对细胞未分化状态的维持。这一时期响应过Wnt信号的细胞,即使可以形成毛囊干细胞,也会在毛发再生过程中逐渐失去长期的自我更新能力。

      这项研究以毛囊为研究对象,阐述了毛囊干细胞这一成体干细胞在器官发育中的建立过程及分子机制。这不仅对研究其它干细胞的建立过程具有借鉴意义,更为临床上在体外建立和扩增具有器官再生功能的成体干细胞系提供理论基础。

      NIBS和中国农业大学联合培养的在读博士生徐子健为本文第一作者;陈婷实验室技术员王文洁、姜开菊,PTN项目研究生于宙,测序中心黄焕伟也对本文有重要贡献;该论文的其他作者还包括我所转基因中心的王凤超博士,中国科学院上海营养所研究员周斌博士;陈婷博士为本文通讯作者。该研究由科技部973项目资助,在北京生命科学研究所完成。

      主办单位:中国科学院生命科学与生物技术局 中国生物工程学会 中国科学院微生物研究所

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    2019-11-28 19:48
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