“頭等大事”，追本溯源！Nature 重磅報(bào)道毛囊干細(xì)胞起源

本文轉(zhuǎn)載自“學(xué)術(shù)頭條”微信公眾號(hào)。

現(xiàn)代社會(huì)中，隨著工作生活壓力增大，許多人發(fā)現(xiàn)自己頭發(fā)變得越來(lái)越稀疏，發(fā)際線不斷后移。調(diào)查顯示，有數(shù)億男性，女性甚至兒童都有脫發(fā)的經(jīng)歷，脫發(fā)已經(jīng)成為困擾當(dāng)代年輕人的一個(gè)嚴(yán)重問題。

毛囊其實(shí)是一個(gè)微型器官，其主要功能就是生發(fā)。毛囊干細(xì)胞的不對(duì)稱分裂模式，即經(jīng)過(guò)分裂和分化形成毛發(fā)和另一個(gè)毛囊干細(xì)胞，保證補(bǔ)充掉落頭發(fā)的同時(shí)也保證了延續(xù)性。而基板（placode）是包括毛囊在內(nèi)的大多數(shù)外胚層附屬物形成的基礎(chǔ)。毛發(fā)基板向皮膚延伸，并發(fā)展成具有縱向排列間隔的圓柱形結(jié)構(gòu)。

然而，關(guān)于未成熟基板細(xì)胞如何發(fā)展成為成熟毛囊結(jié)構(gòu)，以及干細(xì)胞如何在細(xì)胞和轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控尚不清楚。并且研究上皮細(xì)胞譜系發(fā)育起源的最主要的障礙是缺乏特異性標(biāo)記物，無(wú)法對(duì)每一個(gè)細(xì)胞譜系進(jìn)行前瞻性識(shí)別和追蹤。

2021 年 6 月 9 日，日本 RIKEN 生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中心 Hironobu Fujiwara 團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表題為Tracing the origin of hair follicle stem cells的研究論文。

圖片來(lái)源：Nature

研究?jī)?nèi)容

干細(xì)胞來(lái)源于基板外環(huán)

為了在不依賴分子標(biāo)記的情況下，研究毛囊干細(xì)胞的發(fā)育起源和譜系動(dòng)態(tài)，研究人員開發(fā)了胡須毛囊的體外長(zhǎng)期培養(yǎng)和成像系統(tǒng)。利用上皮細(xì)胞中表達(dá) H2B eGFP 的轉(zhuǎn)基因小鼠的胚胎胡須外植體，研究人員從 hair germ stage 到 hulbou peg stage 進(jìn)行連續(xù)成像并追蹤上皮細(xì)胞，根據(jù)重構(gòu)的 3D 細(xì)胞軌跡在 hair germ stage 對(duì)其進(jìn)行顏色編碼。

研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng) 60 小時(shí)后，大部分 hair germ stage 上層的基底細(xì)胞產(chǎn)生了 bulbous peg stage 的上層基底細(xì)胞，而下層部分則由下層形成。鄰近皮膚乳頭的細(xì)胞保留在上皮細(xì)胞和皮膚乳頭之間，或脫離基底膜分化。

這些結(jié)果表明，毛囊形態(tài)發(fā)生是每一個(gè)縱向排列的上皮細(xì)胞間隔的擴(kuò)大，而不是主要的毛發(fā)生殖細(xì)胞的繼續(xù)增加。

圖片來(lái)源：Nature

為了探究毛囊上皮細(xì)胞起源和早期世系動(dòng)力學(xué)，研究人員利用小鼠模型獲得了 hair placode stage 的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)。隨后進(jìn)行回顧性細(xì)胞追蹤，發(fā)現(xiàn)位于皮膚乳頭附近的上皮細(xì)胞最初位于基板基底層的中心。下層區(qū)域的細(xì)胞來(lái)源于基板的中心區(qū)域外，上部的細(xì)胞（putative prospective bulge stem cells）來(lái)源于基板底層的外周環(huán)。

這些結(jié)果表明，3D 胡須毛囊上皮細(xì)胞中縱向排列的圓柱形間隔與基板基底部 2D 同心環(huán)是匹配的，putative prospective bulge stem cells 來(lái)源于基板周圍的上皮基底細(xì)胞。

圖片來(lái)源：Nature

位置決定基板細(xì)胞命運(yùn)

為了評(píng)估胡須毛囊早期發(fā)育中細(xì)胞分裂方向與后期細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)系，研究人員在實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)中測(cè)量了上皮基底層基底膜區(qū)域的 3D 細(xì)胞分裂方向。在每個(gè)組織區(qū)域?qū)⒓?xì)胞分為水平和垂直分裂組，追蹤它們子細(xì)胞到 hair germ stage。發(fā)現(xiàn)無(wú)論細(xì)胞分裂角度如何，來(lái)自基板上下層和毛胚區(qū)的子細(xì)胞分別參與了 hair germ stage 細(xì)胞的形成。

這些結(jié)果表明上皮細(xì)胞在胡須基板的命運(yùn)取決于細(xì)胞在基板內(nèi)的位置，而與細(xì)胞分裂方向無(wú)關(guān)。

圖片來(lái)源：Nature

基板同心轉(zhuǎn)錄區(qū)

為了進(jìn)一步探究上皮細(xì)胞如何逐步改變其細(xì)胞狀態(tài)，從而產(chǎn)生包括 prospective bulge stem cells 在內(nèi)的多種上皮細(xì)胞，研究人員開發(fā)了表達(dá) photo-convertible fluorescent protein 的 ROSA26 報(bào)告細(xì)胞系，對(duì)目標(biāo)毛囊進(jìn)行光標(biāo)記。通過(guò)對(duì)來(lái)自不同時(shí)期胡須胚胎毛囊進(jìn)行光轉(zhuǎn)換，隨后進(jìn)行 single-cell RNA-sequencing（ScRNA-seq）。研究人員鑒定出 962 個(gè)上皮亞群的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，分析發(fā)現(xiàn)在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中，沿著毛囊的縱軸有不同的區(qū)段表達(dá)模式。

這些結(jié)果表明 ScRNA-seq 庫(kù)包括胡須毛囊發(fā)育過(guò)程中多種類型上皮細(xì)胞，具有準(zhǔn)確的階段和定位信息，從而使這些庫(kù)適合描述毛囊形態(tài)發(fā)生過(guò)程中細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)空動(dòng)態(tài)。

為了檢測(cè) 2D 同心譜系區(qū)域是否已經(jīng)獲得不同的細(xì)胞狀態(tài)，研究人員首先用 E12.0 衍生的轉(zhuǎn)錄組重建了 pseudospace 軌跡，使用 pseudospace ScRNA-seq 數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別有明顯改變的 4342 個(gè)基因，排序成 20 個(gè)集合。研究發(fā)現(xiàn)許多基因在基板中心或 interfollicular epidermis（IFE）區(qū)域達(dá)到峰值，而包括干細(xì)胞標(biāo)記物在內(nèi)的大量基因在這些區(qū)域之間出現(xiàn)峰值，表明基因表達(dá)從基板中心到 IFE 逐漸變化的同心區(qū)的存在，即基板周圍有環(huán)狀基因表達(dá)。

圖片來(lái)源：Nature

組織轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)

為了分析不同上皮細(xì)胞群體在毛囊發(fā)育中多樣化，研究人員從轉(zhuǎn)錄組中移除了最終分化的細(xì)胞，利用擴(kuò)散圖重建了基底上皮細(xì)胞的發(fā)育軌跡。擴(kuò)散圖顯示 hair germ lineage 首先在 E12.0 開始分枝，而其他譜系從 E13.5 開始分枝。

為了表征毛囊發(fā)育過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)，研究人員檢測(cè)了每個(gè)譜系進(jìn)程中的上調(diào)和下調(diào)基因。結(jié)果鑒定了 13 個(gè)基因簇，建立了毛囊發(fā)育過(guò)程中整個(gè)上皮細(xì)胞基因表達(dá)的整體動(dòng)態(tài)。其中 4 個(gè)基因簇在 5 個(gè)細(xì)胞系中表現(xiàn)出相似的基因表達(dá)變化。因此，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄分析確定了與細(xì)胞譜系多樣化相關(guān)的 13 個(gè)轉(zhuǎn)錄基因簇。

圖片來(lái)源：Nature

研究結(jié)論

本研究結(jié)合了不依賴標(biāo)記的長(zhǎng)期 3D 活體成像和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)，以捕獲小鼠毛囊發(fā)育過(guò)程中整個(gè)上皮細(xì)胞的動(dòng)態(tài)譜系進(jìn)展和轉(zhuǎn)錄組變化。

本文建立了毛囊發(fā)育的動(dòng)態(tài)圖譜和用于外胚層器官發(fā)育的廣義模型，即基板 2D 同心區(qū)域外形成了 3D 縱向排列的圓柱形空間。并且表明基板細(xì)胞的命運(yùn)取決于細(xì)胞的位置，而不是細(xì)胞分裂的方向。

本研究為進(jìn)一步研究皮膚器官發(fā)生與信號(hào)和細(xì)胞區(qū)隔化的耦合機(jī)制，從而為干細(xì)胞及其生態(tài)位的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。