毛囊干细胞及Noggin对其调控作用的研究进展_马雨楠

摘要： 毛囊干细胞（ HFSC） 通常能够分化为角质细胞、皮脂腺细胞和短暂扩充祖细胞，因其快速增殖的能力，HFSC 为细胞的治疗提供了构建干细胞来源的基础。本综述将系统描述 HFSC 的定位、培养以及分子标志物，为鉴定、分 离细胞提供有力的参考。同时针对 HFSC 增殖和分化调控的关键基因 Noggin，从基因发现、分子功能等进行全面阐 述，并结合 BMP 信号通路叙述 Noggin 调控 HFSC 研究的最新进展。 关键词： 毛囊干细胞； 分子标志物； Noggin； BMP 信号通路 中图分类号： Q334 文献标识码： A 文章编号： 1006 － 6179（ 2016） 01-0059-06
HFSC 可以从 HF 中进行常规分离，在体外可培 养成与成体干细胞形态和细胞表面标志物相似的多 种细胞群。在 HFSC 研究中存在一个核心的难题， 就是对于细胞鉴定缺少非常特异和可信的分子标 志物。
事实上，在 HF 中已经研究发现了具有不同分 化潜能的多种干细胞亚型，如 CD34 阳性细胞［11，12］、
刺猬因子（ Sonic Hedgehog，Shh） 是在 HF 基板 产生的一种至关重要的 HF 诱导信号［40，41］。Wnt 和 BMP 两条信号通路均对其表达有一定的影响。Wnt 信号通路 通 过 LEF1 介 导 上 皮 细 胞 钙 粘 蛋 白 的 下 调，进而提高 Shh 信号的表达水平［42］。BMP 信号通 路则是通过其抑制剂 Noggin 介导的 BMP 表达的抑 制作用引起 Shh 信号的表达［43］。Notch 信号通路在 隆起部分成体 HFSC 的滤泡命运选择过程中是必须 的，并且有助于滤泡结构的维持［27］。Wnt 信号诱导 对 Notch 通路产生正向作用，同时有证据表明 Notch 对 Wnt 信号具有对抗作用［44，45］。在 HFSC 活化过 程中另一条信号通路 mTOＲ 可以作为 BMP 信号的 上游调节剂对 BMP 信号产生反向调节作用［28］，同 时能够激活 Notch 信号［46］，并能够被 Wnt 信号通路 的拮抗剂 GCK-3 激活［47］。
图 1 BMP、Wnt、Notch、Shh、mTOＲ 信号 通路同 Noggin 间相互关系
Fig． 1 The relationship between BMP，Wnt，Notch，Shh， mTOＲ signaling pathway and Noggin
Wnt 信号通路对 HFSC 的调控主要体现在对细
Noggin 基因的主要功能包括： 调节背腹轴发育 模式、参与神经管发育、内源性神经诱导、介导骨骼 系统发育重塑以及对干细胞的分化调控等。在发育 过程中，Noggin 可作为内源性神经诱导信号促使部 分细胞发育成神经系统组织［58］。Bachiller 等人［59］ 实验证明小鼠前脑的生长发育受到 Noggin 与另一 种重要胚胎蛋白 Chordin 的共同调控，能够影响到 前脑发育障碍，因此 Noggin 也被看作一种有效神经 诱导剂。Noggin 的神经诱导与拮抗 BMP2 /4 作用有 关，通过 拮 抗 BMP4 能 够 诱 导 成 前 脑 组 织。除 了 Noggin 基因在神经系统发育分化过程中的重要作 用以外，Noggin 也是骨骼系统发育［60］、卵巢发育［61］ 以及心脏中隔 形 成［62］ 等 过 程 不 可 或 缺 的 关 键 调 控 基因。
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实验动物科学
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巢蛋白阳性及角蛋白 15 阴性细胞［13］、CD200 阳性 细胞［14］以及 表 皮 神 经 嵴 干 细 胞［15］。 对 应 地，HFSC 的分子标 志 物 也 具 有 多 个，如 CD34、CD200、角 蛋 白、巢蛋白等［16］。其中 CD34 可能是 HFSC 最有前 景的一个标志物［17］。2003 年研究人员 在 小 鼠 HF 的隆突部位发现 CD34 阳性的细胞，分离以后体外 呈现较强的增殖潜能［18］。目前，以 CD34 为 HFSC 表面标志物，多种分离方法已渐趋成熟，包括免疫磁 珠分选［19］和流式细胞分选方法［20］。随着研究的深 入，新标志物也层出不穷。
众所周知，干细胞的多向分化能力，需要在多条 信号通路共同调控作用下，保持机体平衡稳态并发 挥干细胞的功能。已有研究表明 HFSC 增殖、分化 潜能受到多种分子信号通路的调节，常见的有 BMP 信号通路［22 ～ 24］、Wnt 信号通路［25，26］、Notch 信 号 通 路［27］、Shh 信号通路［28］。其中 BMP 信号通路主要 参与干细胞的分化，Wnt 在诱导 HF 形成的过程中 发挥中心枢纽的作用，Shh 参与形态发生及后期的 分化，而 Notch 信号通路决定着干细胞的命运。最 近 Deng 等人［29］发现 mTOＲ 信号也可以在毛发再生 过程中促进干细胞的活化。这几条信号通路间有着 紧密的联系（ 如图 1） ，它们各自分工、相互制约、相 互作用，共同承担起调控 HFSC 的重要使命。
2 Noggin 基因
2. 1 Noggin 基因的发现 Noggin 基因 最 早 发 现 于 1992 年，由 Smith 和
Harland［56］分离自非洲爪蟾胚胎，将其 mＲNA 注射 到 胚 胎 致 使 爪 蟾 头 部 增 大，特 将 此 基 因 命 名 为 Noggin。直至 1998 年，McMahon 等人［57］在小鼠的 脊索、节点和背侧体节发现了 Noggin 基因的表达， 并揭示了 Noggin 基因对神经管生长具有重要作用。 Noggin 基因对胚胎发育具有重要的作用，经基因序 列同源性分析，发现 Noggin 基因种属间高度保守。 已知人类中 Noggin 定位于染色体 17，在小鼠和大鼠 中处在染色体 11，编码蛋白产物分子量 26kD，属于 分泌蛋白。 2. 2 Noggin 基因的主要功能
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并通过与特定的 BMP 受体相互作用发挥其生物活 性［48 ～ 51］。BMP 充 当 脊 椎 动 物 发 育 的 多 功 能 调 节 剂，通过与其他生长因子家族中的成员（ Wnt、Shh、 TGF-β、EGF、FGF、Notch 和神经营养素等） 相 互 作 用，结合丝氨酸、苏氨酸受体磷酸化，进入细胞核内 结合蛋白 Smad，从而调节相关靶基因的转录来发挥 调控 HFSC 的增殖和分化［52 ～ 55］。在 BMP 信号通路 的研究中，Noggin 作为 BMP 的拮抗剂，对 HFSC 调 节作用的研究具有巨大的帮助。下面我们主要讨论 一下 Noggin 调控基因，并结合 BMP 信号通路阐述 其在 HFSC 研究中的调控作用。
1 毛囊干细胞
1. 1 毛囊干细胞的发现与培养 1990 年，Cotsar并且细胞循环更新缓慢。同样，Morris 等
人［4］的研究 也 表 明，生 长 期 起 始 后，隆 突 细 胞 是 静 止并且能够保持标记很长时间。标记滞留的细胞不 对称地分裂成两种细胞群，一种是自己的完全相同 的副本，另一种是短暂扩增细胞［5］。最初 HFSC 只 能通过共培养条件来维持［6］，结合 3T3-J2 成纤维细 胞的培养层来完成 HFSC 的培养。随后 的 研 究 表 明，表皮生长因子（ EGF） 和碱性成纤维细胞生长因 子（ b-FGF） 能够成为这些细胞的生长和增殖所需要 的关键分 子［7，8］。 通 过 补 给 表 皮 生 长 因 子、霍 乱 毒 素、氢化可的松以及胰岛素 HFSC 也得以生长［9］。 Sieber-Blum 等人［10］的研究揭示毛囊神经嵴干细胞 也是一类驻留在隆突区的多能干细胞，可以在 α-改 性的 MEM 培养基、5% 鸡胚胎提取液和 10% 的胎牛 血清的条件下实现连续扩增培养。目前，在这些新 的培养条件下，即使缺少饲养细胞层的条件下，加入 确定的因子仍可使 HFSC 的生长成为可能。 1. 2 毛囊干细胞的分子标志物
胞的增殖、分化以及对细胞周期的调节。Wnt 蛋白 属于分泌糖蛋白，发挥作用的方式为自分泌和旁分 泌。Wnt 信号通过 EDA / EDAＲ / NF-κB 信号起作 用，并能够激活 Shh 信号通路和细胞周期蛋白 D1 的表达［30］。Nguyen 等 人［31］ 的 研 究 结 果 表 明，Wnt 能够阻止 β-catenin 的水解，使之大量被转运到细胞 核，经过与淋巴细胞增强因子 （ Lymphoid EnhancerBinding Factor，LEF ） 与 T 细 胞 转 录 因 子 （ T cell transcription factor，TCF） 相互作用，激活相应基因转 录，从而加速 HFSC 的增殖。Wnt 信号通路可以促 使 HFSC 进入细胞周期，接受不同的调节信号分化 成相对应的细胞。β-catenin 高度活化将促使 HFSC 分化成 HF，反之则促进分化成上皮 细 胞 类 型［32］。 通 过 敲 除 Wnt 通 路 中 活 跃 的 标 志 分 子 Tcf4、βcatenin 或者通过 Wnt 抑制剂 Dkk-1 的过度表达来 阻止 Wnt 信号的传导会导致 HF 中细胞增殖的完全 消失［33 ～ 35］。 缺 乏 LEF1 的 小 鼠 不 能 发 育 形 成 HF［36］。β-catenin 的缺乏会导致新生儿毛囊形态发 育的不 完 全［32］ 和 毛 囊 干 细 胞 生 态 位 的 缺 失［37］。 LEF1 的直接靶点 Dlx3 位于 Wnt 的下游，对其进行 直接的 抑 制 会 导 致 BMP 信 号 的 丢 失［38］。反 过 来 BMP 信号通路可通过其受体 BMPＲ ! A 作用，增强 PTEN 活性，进而抑制 β-catenin 的活 性，达 到 抑 制 Wnt 信号的目的［39］。
近来，Snippert 等 人［21］ 鉴 定 到 了 Lgr6 阳 性 的 HFSC。其不同于 CD34 阳性细胞，能够表达
α6 整合素、β1 整合素以及 Sox9，并且对损伤修 复具有重要作用。发展整合多种标志物的方法，能 够促进具有不同分化潜能的 HFSC 完成精确分离。 1. 3 毛囊干细胞的信号调控
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第 33 卷 第 1 期 2016 年 2 月