毛囊黑素干细胞分化与移行调控机制的研究进展

毛囊作为一个重要的成体干细胞贮存区域，其富含的干细胞可分化形成毛囊及上皮的多种细胞，对维持毛发的周期性生长有重要作用[1]。其中毛囊黑素干细胞起源于神经嵴，并迁移通过真皮和表皮最终停留在毛囊，目前研究已经表明它的生理功能包括两方面，一方面向上移行进入表皮形成表皮黑素单元；另一方面，在毛囊生长期，毛囊黑素干细胞周期性向下进入毛母质形成毛囊黑素单元[2]。毛囊黑素干细胞在形成毛囊黑素单元过程中，主要受比邻的毛囊干细胞、角质形成细胞、毛细胞、周边的基底膜成分及内在的转录因子等调控，这些细胞和基质蛋白通过不同的通路调节了毛囊黑素干细胞的分化和移行。目前已经发现的调控毛囊黑素干细胞的细胞因子及其信号系统有：①来自毛囊上皮干细胞的Wnt信号通路、骨形成蛋白（BMP）/转化生长因子β（TGF-β）通路、内皮素-1（ET-1）及其配体信号通路；②来自毛细胞的干细胞因子（SCF）/c-Kit信号通路；③来自毛囊微环境其他细胞的细胞因子及毛囊黑素干细胞自身内在的信号传导通路，如：Notch、小眼畸形相关转录因子（Mitf）、Sox10通路等。由于毛囊黑素干细胞受微环境多种信号通路调控，并且信号通路交织成网，因此一些信号系统可能主要来自于某一类细胞，但其他细胞分泌的细胞因子也参与其中，如：毛囊黑素干细胞主要受到毛囊上皮干细胞分泌的ET-1调控作用，但外毛根鞘角质形成细胞分泌的ET-1也参与其中，为了能从细胞层面理解微环境对毛囊黑素干细胞的调控作用，我们做综述如下。

1 毛囊上皮干细胞对毛囊黑素干细胞的调节作用

毛囊黑素干细胞与毛囊隆突及次级毛囊胚芽中的毛囊上皮干细胞密切相关，它们共同作用参与了色素性毛发的再生，目前研究发现Wnt信号通路是连接这两种干细胞的关键通路，并且毛囊上皮干细胞分泌的内皮素-1是黑素干细胞的主要调节因子。另外，毛囊上皮干细胞也通过其分泌的对黑素干细胞非常重要的TGF-β信号通路来维持对黑素干细胞的微环境[3-4]。

1.1 Wnt信号通路：Wnt属于分泌型糖蛋白，毛囊上皮干细胞和黑素干细胞均可生成。既往研究表明Wnt信号通路在毛囊发生和干细胞的迁移及分化中至关重要。在毛囊的形态发生中，Wnt作为初始信号通路不仅参与了胚胎毛囊基板的形成，而且对于毛发的自我更新具有关键作用[5-6]，它主要通过调节毛囊上皮干细胞进入细胞周期并协同不同的调控信号调节干细胞向相应的细胞分化来发挥生理功能[7]。Rabbani等[8]通过转基因技术调控EpSCs或McSCs内多种基因的表达，最后证明毛囊上皮干细胞通过Wnt通路调控黑素干细胞过程如下：在毛囊开始进入生长期时，毛囊上皮干细胞内Wnt自发激活，然后毛囊上皮干细胞通过表达Wnt配体来激活邻近黑素干细胞的Wnt信号。黑素干细胞内Wnt的激活导致降解β-catenin的GSK3β被抑制，而β-catenin降解被抑制则导致其在细胞质中积累，积累的β-catenin进一步转位到细胞核与转录因子TCF/LEF结合调节Wnt信号靶基因的转录，包括小眼畸形相关转录因子（microphthalmia-associated transcription factor， Mitf）、酪氨酸酶（tyrosinase， TYR）、酪氨酸酶相关蛋白1 （tyrosinase related protein 1， TRP-1）及内皮素受体（Endothelins receptor， EDNR）等，然后进一步导致毛囊黑素干细胞分化。另外，毛囊上皮干细胞分泌的内皮素-1（Endothlin 1， ET-1）可以与黑素干细胞表面EDNR结合导致黑素细胞增生并分化，向下移行进入毛球部，参与有色毛囊的生成。Nishikawa等[9]通过Wnt通路抑制物Wif1、Sfrp1、Dkk4等在毛囊外毛根鞘隆突区高表达的研究，发现Wnt抑制物的表达可降低Wnt活性，下调Mitf的有效性，Mitf是黑素细胞分化的关键转录因子，其调控着黑素生成相关酶TYR、TRP-1和TRP-2的表达，Wnt通过Mitf控制了毛囊黑素干细胞的定向分化。此外Wnt信号通路还影响黑素干细胞中Pax3和Sox10的分子平衡[10]，而这两种分子均是黑素干细胞分化中的重要调控因子。

1.2 骨形成蛋白（BMP）/转化生长因子β（TGF-β）通路：骨形成蛋白（bone morphogenetic protein， BMP）属于TGF-β超家族成员。在毛囊的发生过程中，BMP-2表达于毛囊内根鞘并参于毛干的生成，BMP-4表达于毛囊外毛根鞘，参与毛囊隆突的形成，并调节毛囊上皮干细胞向皮脂腺、汗腺和表皮细胞分化。在人毛囊干细胞中BMP-4亦促进DKK3分子表达上调[11]，DKK3是近期发现的一种分泌型糖蛋白，能够特异地与Wnt分子Lrp-6结合从而抑制Wnt通路，因此，可能参与抑制毛囊黑素干细胞的分化。Nishimura等[3]发现，在体外，毛囊干细胞中TGF-β可通过下调Mitf及其下游的黑素细胞基因的表达，从而抑制黑素干细胞的分化成熟；在体内，TGF-β信号的活化可使毛囊黑素干细胞重新进入静止状态并抑制其分化，这些结果表明TGF-β通路是维持毛囊黑素干细胞处于静止状态的关键因素之一，其可能通过调控Wnt信号系统发挥作用。

1.3 内皮素-1（ET-1）：内皮素系统包括内皮素及其受体。毛囊上皮干细胞与毛囊外毛根鞘角质形成细胞均可生成ET-1，而毛囊黑素干细胞表达了内皮素受体（EDNR），因此毛囊上皮干细胞与外毛根鞘角质形成细胞分泌的ET-1与黑素干细胞表面的EDNR结合调控了该细胞的分化与增殖。体外实验已经证实，ET-1是黑素细胞的强促裂源，可明显促进毛囊前体黑素细胞增殖。既往已有研究表明ET-1可调控毛囊外根鞘无色素黑素细胞在毛囊基底膜成分上黏附和移行[12]。在体外研究中，Rabbani等发现在生长期开始毛囊上皮干细胞在Wnt信号作用下，细胞分泌ET-1和ET-2增加，进而黑素干细胞EDNR表达增加，因此ET与受体结合促进了黑素干细胞的分化，他们进一步通过BQ788拮抗EDNR受体阻断该通路，发现毛囊黑素干细胞停止分化与增殖。综上所述，内皮素系统在微环境对毛囊黑素干细胞的调控中起重要作用。

2 毛细胞对毛囊黑素干细胞的调节作用

毛细胞可分泌多种因子调控毛囊上皮干细胞和黑素干细胞的分化，其中SCF/c-Kit信号系统是最为重要的一条通路[13]。干细胞因子（stem cell factor， SCF）对于毛囊黑素细胞属于旁分泌因子，来源于毛细胞、角质形成细胞和真皮成纤维细胞。SCF与黑素细胞膜表面的Kit 结合后可激活Kit，而Kit 激活以后可以通过启动丝裂原激活的蛋白激酶途径（MAPK）上调Mitf的活性进而调控黑素干细胞的分化，亦可协同ET-1促进黑素干细胞的增生和分化。既往实验表明，毛囊黑素干细胞从隆突区进入外毛根鞘后开始表达c-Kit，c-Kit受体阻断剂局部注射小鼠皮内可以导致小鼠毛发变白。这些结果证明SCF/c-Kit信号系统在毛囊黑素干细胞形成毛囊黑素单元过程中具有重要作用。Nishimura等[14]实验表明，经过ACK2阻断K14-SLF/+； Dct-lacZ/+转基因小鼠的Kit基因后，隆突中存活的黑素干细胞的子代细胞在表皮表达SCF的情况下可以向上迁移至表皮，提示表皮SCF的表达诱导了毛囊黑素干细胞向表皮移行并分化。这些结果均说明SCF/c-Kit信号系统对黑素干细胞的重要调节作用。

3 毛囊其他细胞成分及信号通路对毛囊黑素干细胞的调节作用

除了毛囊上皮干细胞和毛细胞，毛囊中还有角质形成细胞及其他重要的信号通路在黑素干细胞的分化和增殖中发挥重要作用，如介导细胞间相互作用的Notch通路、影响黑素干细胞增殖和分化的细胞内重要转录因子Mitf、Pax3、Sox10等。

3.1 Notch通路：Notch受体及配体均为跨膜蛋白。Aubin等[15]在敲除RBP-J基因的小鼠体内，利用Dct-lacZ报告基因跟踪单个毛囊的黑素细胞及前体黑素细胞的发育，发现Notch/RBP-J缺陷的黑素细胞在毛囊内数量减少并集中在毛囊下部的恒定区，这说明Notch信号对黑素干细胞进入毛球部之前具有抑制黑素干细胞分化的作用，且Notch信号通路参与了黑素前体细胞在外毛根鞘以及黑素细胞在毛母质的定位。Kumano等[16]给C57/BL6成年小鼠口服γ-分泌酶抑制剂GSI以阻断Notch信号通路，发现小鼠毛发出现逐渐增多的点状变灰区域，同时免疫组化显示毛囊隆突区黑素前体细胞急剧减少。此外，还发现Notch 1和Notch 2可协同c-Kit信号通路调控黑素前体细胞的发育分化。

3.2 小眼畸形相关转录因子（Mitf）：Mitf是黑素细胞谱系的主要转录调控因子，可以与TYR、TRP1和TRP2基因启动子的E-box和M-box的“CATGTG”模板结合，从而促进这些基因表达[17]。研究发现，在各时期胎儿皮肤组织的免疫组化中除了表皮之外，毛囊外毛根鞘区、隆突区均可见Mitf阳性表达的细胞，提示Mitf可能为毛囊部向上皮细胞系和黑素细胞系分化的干细胞的一种标志物[18]。Taylor等[19]发现Mitf活性的降低可导致已分化黑素细胞的分裂急剧增加，这支持Mitf除了促进黑素细胞分化也可使其细胞周期停滞。他们的研究结果表明了一个已分化黑素细胞在体内分裂的新途径，且Mitf活性是已分化黑素细胞维持细胞周期的关键。

3.3 转录调控因子成对盒3（PAX3）：Pax3是黑素干细胞细胞中一种重要的转录因子，它影响黑素细胞的增殖、抗凋亡、迁移和分化等。Pax3和两个其他转录因子，Sox10和Mitf，对黑素细胞的发育和分化至关重要[8]。这些因素都通过相同的途径，即Pax3和Sox10激活Mitf的表达，进一步调控黑素干细胞的分化[20-21]。上述Wnt信号可通过影响黑素干细胞中Pax3，Sox10和Mitf的分子平衡参与调控黑素细胞的分化[22]。此外，由Pax3基因编码的蛋白是Mitf的重要调节因子，而TGF-β可以直接抑制皮肤中Pax3的表达，进一步调控Mitf的作用。

3.4 编码性别相关转录因子Sox10：Sox10可协同Pax3作用激活Mitf的表达[23]，Sox10还可通过与特异性β1糖蛋白协同或单独调节EDNRB基因的转录，从而调节黑素干细胞EDNRB的表达水平[24]。

总之，参与调控毛囊黑素干细胞分化与移行的细胞、细胞因子及信号通路之间存在着广泛的交叉网络效应。细胞外信号通路通过调控细胞内信号通路相互协调完成了对黑素干细胞的调控功能，如：Sox10、Pax3和Mitf等这些内在转录因子的活性是由细胞外的信号通路如Wnt， Edn， SCF及其他未确定的信号通路控制和调节的。这些网络节点之间的相互作用是激活或抑制，但控制这一过程的时间及空间因素仍需进一步研究[25]。

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