江瑋，范一星，喬賢，張燕軍，劉志紅，趙艷紅，王瑞軍，王志新，張文廣，蘇蕊，李金泉

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，動(dòng)物遺傳育種與繁殖內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018

皮膚毛囊發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組研究進(jìn)展

江瑋，范一星，喬賢，張燕軍，劉志紅，趙艷紅，王瑞軍，王志新，張文廣，蘇蕊，李金泉

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，動(dòng)物遺傳育種與繁殖內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018

近年來，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在動(dòng)物重要經(jīng)濟(jì)性狀受復(fù)雜基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控研究領(lǐng)域取得了顯著的成果。作為哺乳動(dòng)物皮膚的衍生物，毛囊是唯一具有高度自我更新能力、獨(dú)特的可再生器官，毛囊細(xì)胞經(jīng)增殖分化最終形成毛發(fā)。已有的研究表明，諸多生長(zhǎng)因子及其受體作為體內(nèi)分泌協(xié)調(diào)基因的重要因素，對(duì)毛發(fā)的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的調(diào)控作用。文章綜述了近年來轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在人、小鼠及羊等生物的皮膚毛囊發(fā)育和再生過程中基因調(diào)控方式的研究進(jìn)展，旨在為今后人工干擾絨毛周期生長(zhǎng)發(fā)育和分子育種提供理論依據(jù),同時(shí)也為皮膚毛囊相關(guān)疾病的臨床治療提供新思路。

毛囊；轉(zhuǎn)錄組；人；小鼠；羊

哺乳動(dòng)物毛發(fā)是由毛囊細(xì)胞增殖分化產(chǎn)生的，表皮和間葉細(xì)胞相互作用形成毛囊[1,2]。毛囊是哺乳動(dòng)物特有的、具有高度自我更新能力、唯一終生呈周期性生長(zhǎng)的器官。不同動(dòng)物、不同部位的毛囊周期性生長(zhǎng)也不相同。鼠的毛囊呈現(xiàn)波浪式再生，而人和羊的毛囊以個(gè)體為單位，生長(zhǎng)周期是獨(dú)立的。同種動(dòng)物不同品種的毛囊周期也不完全相同，美利奴細(xì)毛羊的毛囊生長(zhǎng)期在兩年以上[3]；絨山羊毛囊生長(zhǎng)期僅為6個(gè)月或更短[3]；威爾特郡羊隨季節(jié)的變化有明顯的毛發(fā)周期[4]。多年來關(guān)于皮膚毛囊轉(zhuǎn)錄組研究對(duì)象主要集中在人和小鼠上，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模測(cè)序技術(shù)的成熟，關(guān)于綿羊、山羊、細(xì)毛羊等毛用動(dòng)物皮膚毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的基因表達(dá)及調(diào)控也取得了一定的研究進(jìn)展[5]。

轉(zhuǎn)錄組是生物體細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA(包括編碼和非編碼蛋白質(zhì)的RNA)的總和。目前，轉(zhuǎn)錄組研究技術(shù)主要包括兩種：基于雜交技術(shù)的DNA微陣列技術(shù)(DNA microarray)和基于測(cè)序技術(shù)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)(RNA-seq)。該技術(shù)不僅能專注于基因中的功能位點(diǎn)，而且能夠代表基因組中大多數(shù)適應(yīng)性位點(diǎn)，可以將特定組織或細(xì)胞在某一發(fā)育階段或功能狀態(tài)下轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA的集合全部測(cè)出，從整體水平研究基因功能以及基因結(jié)構(gòu)，揭示特定生物學(xué)過程以及疾病發(fā)生過程中的分子機(jī)理。

近年來，在轉(zhuǎn)錄組水平上對(duì)毛囊相關(guān)發(fā)生機(jī)理的研究表明，諸多生長(zhǎng)因子及其受體作為體內(nèi)分泌協(xié)調(diào)基因和環(huán)境的重要環(huán)節(jié)，對(duì)絨毛的生長(zhǎng)調(diào)控起著極其重要的作用。這些分子穿梭于真皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞之間，介導(dǎo)這兩個(gè)細(xì)胞群體間的相互作用，使得兩個(gè)細(xì)胞群體有序增殖和分化，并最終形成完整的毛囊。此外，還發(fā)現(xiàn)部分毛囊的毛乳頭細(xì)胞來自于神經(jīng)嵴[6]，鼠的毛囊在毛發(fā)周期中有多達(dá)6000個(gè)基因的表達(dá)發(fā)生改變[5]。由此可見，毛囊的發(fā)育過程非常復(fù)雜。

1 毛囊形態(tài)發(fā)生和周期性調(diào)控的轉(zhuǎn)錄組研究

毛囊具有自我更新的能力，在周期性生長(zhǎng)發(fā)育過程中需要生長(zhǎng)信號(hào)的精細(xì)調(diào)控，目前皮膚毛囊發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組研究主要集中在SHH(Sonic hedgehog)、Wnt以及骨形成蛋白(Bone morphogenetic protein， BMP)信號(hào)通路及相關(guān)基因，且在毛囊生長(zhǎng)和形態(tài)發(fā)生、腫瘤的發(fā)生、皮脂腺的發(fā)生方面研究廣泛。某些miRNA也參與了毛囊形態(tài)發(fā)生和周期性調(diào)控。

1.1 多種信號(hào)通路調(diào)控毛囊生長(zhǎng)

毛囊發(fā)育和周期性生長(zhǎng)過程中受多種信號(hào)通路調(diào)控。這些信號(hào)分子73.2%屬于Wnt、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(Transforming growth factor,TGF)家族、絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK)家 族 、 NOTCH、 JAK-STAT(Janus kinase-signal transducers and activators of transcription)和SHH 6個(gè)傳導(dǎo)通路。還有一部分屬于腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor,TNF)家族、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(Fibroblast growth factor,FGF)家族、BMP家族等。在毛囊發(fā)育過程中，雖然有一些其他分子的參與，但是這些分子大部分是通過上述的6個(gè)信號(hào)通路參與毛囊的發(fā)育過程(圖1)。這些信號(hào)通路的配體、受體、中間的信號(hào)分子、下游的轉(zhuǎn)錄因子及其靶基因等的遺傳突變、表觀遺傳修飾以及蛋白翻譯后修飾的改變等都影響動(dòng)物毛囊發(fā)育，導(dǎo)致毛發(fā)的生長(zhǎng)和毛發(fā)品質(zhì)的改變[5]。

圖1 參與毛囊發(fā)育過程的信號(hào)通路間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖代表信號(hào)通路，代表信號(hào)的傳遞方向，代表抑制作用，表示通路之間的無向鏈接，TGF-β、Notch、Wnt、MAPK、Shh、JAK-STAT為信號(hào)通路。Notch和Wnt信號(hào)通路間有相互抑制作用，MAPK信號(hào)通路在毛囊發(fā)育過程中具有重要作用，多數(shù)信號(hào)通路之間存在無向鏈接。

在毛干形成過程中，F(xiàn)GF、Wnt和BMP信號(hào)通路起著重要的調(diào)控作用。FGF和Wnt通路刺激毛囊干細(xì)胞分化，促進(jìn)毛囊從休止期進(jìn)入到生長(zhǎng)期。Wnt信號(hào)通路在調(diào)節(jié)體內(nèi)毛囊干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄上起著重要作用。在毛囊干細(xì)胞靜息期，TCF3、TCF4和TLE基因同時(shí)抑制Wnt靶基因的表達(dá)，使毛囊干細(xì)胞在Wnt信號(hào)通路上產(chǎn)生應(yīng)答而分化再生[7]。BMP信號(hào)通路則是一個(gè)生長(zhǎng)期抑制通路，在休止期時(shí)抑制FGF和Wnt通路的活性[8]。對(duì)人類真皮毛乳頭細(xì)胞(Dermal papilla cells,DPSc)中的Sox2基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄分析發(fā)現(xiàn)，Sox2基因作為毛發(fā)生長(zhǎng)的關(guān)鍵調(diào)控因子，在DPSc中，通過微調(diào)分化毛囊干細(xì)胞中BMP信號(hào)通路調(diào)節(jié)間葉上皮細(xì)胞的發(fā)生，從而控制毛發(fā)的生長(zhǎng)。切除Sox2轉(zhuǎn)錄因子會(huì)導(dǎo)致毛干產(chǎn)物的減少[9]。同時(shí)，在人類上皮細(xì)胞中Dlx3基因同樣在毛囊分化和再生中具有重要的調(diào)控作用，通過調(diào)節(jié)Wnt、BMP信號(hào)通路，調(diào)節(jié)毛囊的分化和再生。選擇性地切除Dlx3基因會(huì)導(dǎo)致毛干和內(nèi)根鞘形成受阻，形成異常分化的皮層[10]。而在小鼠上，Gata3基因與Dlx3基因在維持小鼠毛發(fā)生長(zhǎng)發(fā)育上都起著重要作用。敲除Gata3基因的小鼠在出生后毛發(fā)生長(zhǎng)延遲且不易維持，毛囊組織異常且有不規(guī)則的色素沉積，在第一個(gè)毛囊生長(zhǎng)周期后，真皮乳頭周圍的生發(fā)層并沒有恢復(fù)，相反，基底上皮細(xì)胞顯著增殖。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，缺失K14-Gata3的小鼠毛囊轉(zhuǎn)錄組在Notch、Wnt、BMP信號(hào)通路上顯著富集，說明Gata3基因集成了不同的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)控毛囊和上皮細(xì)胞凋亡的平衡[11]。隨著小鼠的長(zhǎng)大，其毛囊干細(xì)胞將長(zhǎng)期處于休眠期，而在生長(zhǎng)期的時(shí)間明顯縮短，年長(zhǎng)的小鼠毛囊干細(xì)胞擴(kuò)散減慢且自我更新能力下降。研究發(fā)現(xiàn)，毛囊干細(xì)胞中NFATC1基因的協(xié)調(diào)老化功能是毛發(fā)隨年齡的增長(zhǎng)而生長(zhǎng)減慢的主要原因[12]。轉(zhuǎn)錄性能分析顯示，毛囊干細(xì)胞中的NFATC1靶基因在與年齡相關(guān)的信號(hào)通路上顯著富集，當(dāng)BMP和(或)NFATC1被抑制時(shí)，處于衰退期的毛囊干細(xì)胞在毛囊發(fā)生上表現(xiàn)活躍，從而表現(xiàn)出毛發(fā)隨年齡增長(zhǎng)而生長(zhǎng)減慢[12]的現(xiàn)象。

Notch信號(hào)和毛囊的形態(tài)發(fā)生有具直接的關(guān)系。Notch信號(hào)通路可能參與了毛囊發(fā)育的早期環(huán)節(jié)，并在毛干分化過程中起重要作用。吳萍等[13]篩選了與絨山羊絨毛生長(zhǎng)相關(guān)的功能基因，設(shè)計(jì)控制毛囊發(fā)育和生長(zhǎng)的分子信號(hào)途徑來改良毛用動(dòng)物的生產(chǎn)性能，從Notch信號(hào)通路組成基因Notch1、DLL1、Hairless結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，推斷出這3個(gè)基因在絨山羊皮膚及毛囊的組織學(xué)周期性變化中的表達(dá)趨勢(shì)，為進(jìn)一步了解絨毛生長(zhǎng)的分子調(diào)控機(jī)理提供了理論依據(jù)。

此外，在毛囊生長(zhǎng)發(fā)育過程中，皮膚細(xì)胞Shh信號(hào)通路應(yīng)答系統(tǒng)在空間上會(huì)有短暫的調(diào)控，誘導(dǎo)Shh靶基因在生長(zhǎng)期的毛囊中表達(dá)。Edar和Troy信號(hào)通路則在外胚層的器官發(fā)育上對(duì)調(diào)節(jié)毛囊發(fā)生起著重要的作用[14]。而Notch和MAPK信號(hào)通路可能影響毛色形成的過程[15]。這些信號(hào)通路有的是單獨(dú)作用，有的是多條通路聯(lián)合作用來調(diào)控毛囊的生長(zhǎng)發(fā)育的。目前，Shh信號(hào)通路是如何調(diào)控毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的還尚未知曉，但發(fā)現(xiàn)其在毛囊腫瘤發(fā)生上有一定的調(diào)控作用。本文參考人和小鼠在毛囊上的研究，將調(diào)控毛囊發(fā)育過程的主要信號(hào)分子進(jìn)行了歸納總結(jié)，具體見表1。

1.2 miRNA調(diào)控毛囊的生長(zhǎng)發(fā)育

miRNA是近年來發(fā)現(xiàn)的一類由19~25個(gè)核苷酸組成的非編碼單鏈小RNA分子，它們通過與靶基因3′UTR結(jié)合負(fù)調(diào)控靶基因的表達(dá)。近年來研究表明，miRNA的表達(dá)譜在毛囊組織和周期性發(fā)育中存在特異性，通過與信號(hào)通路和調(diào)控因子相互作用在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控毛囊的生長(zhǎng)發(fā)育。

毛囊周期性發(fā)育是多基因參與、緊密聯(lián)系且相互制約的復(fù)雜生理生化過程，miRNA可以通過靶向作用于不同的信號(hào)通路和轉(zhuǎn)錄因子，從而對(duì)毛囊周期中不同發(fā)育階段的調(diào)控和轉(zhuǎn)化發(fā)揮作用[16]。在毛干的形成過程中，F(xiàn)GF、Wnt和BMP信號(hào)通路起著重要的調(diào)控作用，而miR-31能夠通過調(diào)控角蛋白14、16和17(角化細(xì)胞骨架的必需成分)的表達(dá)干擾這些信號(hào)通路的活性[8,17]。miR-31對(duì)細(xì)胞周期性發(fā)育具有調(diào)控作用，高表達(dá)的miR-31可能通過下調(diào)CEBPA基因表達(dá)來促進(jìn)細(xì)胞的增殖從而促進(jìn)細(xì)胞從G2期向M期轉(zhuǎn)變[18]。研究表明，miRNA還可能通過間接調(diào)控毛囊相關(guān)組織的發(fā)育來調(diào)控毛囊周期性生長(zhǎng)。在毛囊周期發(fā)育中提高毛囊的血管化水平可以增加毛囊大小，促進(jìn)絨毛的生長(zhǎng)[19]。而miR-31被認(rèn)為是血管特異的miRNA，其作為一種負(fù)調(diào)控因子調(diào)控淋巴和血管的生長(zhǎng)和成熟[20]。在培養(yǎng)的絨山羊毛囊興盛期初級(jí)毛囊和次級(jí)毛囊毛乳頭細(xì)胞中，同樣顯示出許多差異表達(dá)基因參與血管化、信號(hào)通路，與毛囊形態(tài)發(fā)生密切相關(guān)[21]。由此可見，miRNA在調(diào)控毛囊生長(zhǎng)發(fā)育和周期性調(diào)控上的重要作用。

表1 調(diào)控毛囊發(fā)育過程的主要信號(hào)分子

近年來，miRNA在山羊、綿羊等毛用動(dòng)物上的研究迅速開展，miRNA在哺乳動(dòng)物毛囊生長(zhǎng)和發(fā)育過程中可能發(fā)揮了重要作用。Wenguang等[22]研究miRNA在成年山羊和綿羊皮膚中的表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)成年山羊和綿羊皮膚中159個(gè)miRNA存在差異表達(dá)，其中差異最明顯的是mmu-miR-720和mmu-miR-199b，說明這兩個(gè)miRNA在控制山羊和綿羊的皮膚毛囊發(fā)育中的重要性。Yuan等[23]采用山羊興盛期、退行期、休止期的皮膚組織，測(cè)序分析后共獲得63、109、1004個(gè)raw reads和61、125、753個(gè)clean reads用于miRNA分析，發(fā)現(xiàn)有399個(gè)保守miRNA。其中，326個(gè)miRNA在3個(gè)時(shí)期都表達(dá)，然而3、12、11個(gè)miRNA在生長(zhǎng)期、退行期、休止期顯著表達(dá)。二代測(cè)序發(fā)現(xiàn)，172個(gè)新的miRNA和36個(gè)miRNA在3個(gè)時(shí)期表達(dá)，然而23、29、44個(gè)miRNA在生長(zhǎng)期、退行期、休止期顯著表達(dá)。KEGG分析表明，這些miRNA在代謝途徑、癌癥途徑、MAPK信號(hào)通路、內(nèi)吞作用以及黏著斑等通路上顯著富集，在毛囊發(fā)生時(shí)均起著重要作用。

1.3 毛囊相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄組研究

運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，研究人員在毛囊的相關(guān)基因上也進(jìn)行了大量研究。目前已知與毛囊發(fā)育相關(guān)的分子共有161個(gè)。運(yùn)用差異微陣列分析，Schellenberger等[15]發(fā)現(xiàn)軟骨寡聚基質(zhì)蛋白(Comp)基因在細(xì)胞外基質(zhì)及正常人的毛囊生物學(xué)特性上具有重要作用。Comp基因在毛囊發(fā)育的休止期和生長(zhǎng)期表達(dá)，在退行期退化。正常人的結(jié)締組織鞘成纖維細(xì)胞通過Comp基因選擇性的自轉(zhuǎn)錄，與TGFb2基因在結(jié)締組織鞘成纖維細(xì)胞表達(dá)直接相關(guān)，受轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGFb信號(hào)的調(diào)節(jié)。Ahn等[25]發(fā)現(xiàn)IGF-I基因在生長(zhǎng)的初級(jí)階段在維持頭發(fā)線性生長(zhǎng)上起著關(guān)鍵的作用。在毛囊生長(zhǎng)中，IGF-I基因的表達(dá)與PDGF-A和PDGF-B基因上調(diào)有關(guān)，且存在反調(diào)亡調(diào)節(jié)。進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，IGF-I基因可增加血小板源生長(zhǎng)因子PDGF-A和PDGF-B的表達(dá)，從而證實(shí)了IGF-I基因在控制毛發(fā)生長(zhǎng)方面與 PDGF-A和PDGF-B基因上調(diào)有關(guān)。Leishman等[26]發(fā)現(xiàn)Foxp1轉(zhuǎn)錄因子控制著毛囊干細(xì)胞的啟動(dòng)，皮膚上皮細(xì)胞中缺少Foxp1基因?qū)?dǎo)致毛囊干細(xì)胞過早的活躍，從而導(dǎo)致毛囊靜息期周期縮短；相反，F(xiàn)oxp1在角化細(xì)胞中過表達(dá)將促進(jìn)細(xì)胞周期停滯，阻止細(xì)胞增殖。研究表明，在毛囊干細(xì)胞中Foxp1轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控Fgf18基因的表達(dá)調(diào)節(jié)靜息期毛囊干細(xì)胞的狀態(tài)(靜息或增殖)。Br mRNA在皮膚上通過編碼一個(gè)公認(rèn)的轉(zhuǎn)錄因子來抑制毛發(fā)的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，在正常小鼠的毛囊生長(zhǎng)期，Br基因表達(dá)呈降低趨勢(shì)，而在毛發(fā)發(fā)生期顯著增加，在連接毛乳頭的上皮細(xì)胞中表現(xiàn)為上調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)，在毛囊生長(zhǎng)期，Br基因作為一個(gè)關(guān)鍵因子調(diào)節(jié)基本的細(xì)胞過程(包括毛發(fā)的形成，維持真皮毛乳頭細(xì)胞的完整性及角化細(xì)胞凋亡)[27]。在毛囊退化的調(diào)控作用研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)p53基因在小鼠毛囊退行期控制著細(xì)胞凋亡，在毛發(fā)生長(zhǎng)過程中，p53可能是一個(gè)拮抗劑，促使毛囊提早進(jìn)入退行期[28]。目前，雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不少控制毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的基因，但其調(diào)控機(jī)理還尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

褪黑激素能促進(jìn)絨山羊絨毛生長(zhǎng)，改變絨毛細(xì)度，被廣泛應(yīng)用于絨毛生產(chǎn)中。王琳等[29]以褪黑激素處理后的毛囊為樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，檢測(cè)培養(yǎng)后毛囊中基因的變化，挖掘毛囊生長(zhǎng)發(fā)育中的基因。在初級(jí)和次級(jí)毛囊中的差異基因富集的通路中找到了Wnt、Shh、MAPK、NF-KB、TGF-β、JAK-STAT和Notch毛囊生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)信號(hào)通路，通路中大多數(shù)基因在毛囊生長(zhǎng)發(fā)育中的作用未被報(bào)道，它們作為褪黑激素促毛囊生長(zhǎng)的候選基因有待進(jìn)一步研究。而劉斌等[30]通過篩選絨山羊在非長(zhǎng)絨期埋植褪黑激素促進(jìn)羊絨生長(zhǎng)的相關(guān)基因時(shí)也發(fā)現(xiàn)在以上7種信號(hào)通路富集；同時(shí)篩選出差異表達(dá)基因95個(gè)，分別參與組成細(xì)胞成分、分子功能以及生物學(xué)過程。其中CTNNB1基因參與Wnt信號(hào)通路，CYP2B基因參與維生素A代謝和外源藥物代謝等信號(hào)通路，這一發(fā)現(xiàn)可能與埋植褪黑激素促進(jìn)絨山羊非長(zhǎng)絨期絨毛生長(zhǎng)和毛囊發(fā)育有關(guān)，進(jìn)一步驗(yàn)證了褪黑激素在絨毛生長(zhǎng)上的重要性。Hoxc13基因在皮膚成纖維細(xì)胞中過表達(dá)，可促進(jìn)TgfβrII、Rorα2、Nanog、Wnt106和PdgfrA的表達(dá)，抑制Bmp2、Msx2、Ntrk3和Delal基因的表達(dá)。Hox13基因在哺乳動(dòng)物被毛的起源過程中發(fā)生了適應(yīng)性變化，可直接調(diào)控組成初級(jí)和次級(jí)毛囊的角蛋白和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白的表達(dá)[31]。

FGFs及其受體構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)，參與了幾乎所有哺乳動(dòng)物組織的發(fā)育和修復(fù)過程。篩選敖漢細(xì)毛羊毛囊發(fā)育的差異表達(dá)基因發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GFs在毛囊生長(zhǎng)期和休止期質(zhì)檢的mRNA表達(dá)量存在3個(gè)差異基因——FGF10、FGF18和FGFR3，并在毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的不同部位和不同時(shí)期存在差異表達(dá)。FGF10在腹部的表達(dá)量高于頸部，可能與毛囊發(fā)育的負(fù)調(diào)節(jié)有關(guān)；FGF18在腹部表達(dá)量生長(zhǎng)期高于休止期，可能維持了此處毛囊的不活躍狀態(tài)；而FGFR3則在不同部位和不同時(shí)期維持統(tǒng)一狀態(tài)，這提示它們可能與毛囊的生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的關(guān)系，并在不同水平發(fā)揮調(diào)控作用[32]。

目前，綿羊和山羊全基因組測(cè)定計(jì)劃已完成，在有山羊基因組參考基因組序列的情況下，可以把轉(zhuǎn)錄本映射回基因組，確定轉(zhuǎn)錄本位置、剪切情況等較為全面的遺傳信息，這就可能確定控制絨毛周期發(fā)育的關(guān)鍵基因組區(qū)域和關(guān)鍵基因。深入發(fā)掘控制絨毛周期生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控的關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵基因，為絨山羊分子育種提供基礎(chǔ)。

2 毛囊疾病發(fā)病機(jī)制上的轉(zhuǎn)錄組研究

近年來，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在人類皮膚毛囊腫瘤的發(fā)生、多毛癥和脫毛現(xiàn)象機(jī)理的研究方面已得到廣泛應(yīng)用。

皮膚癌在白色人種中是常見的惡性腫瘤之一，在我國(guó)的發(fā)病率很低，在皮膚癌中以基底細(xì)胞癌最多見。Gli基因在引發(fā)腫瘤發(fā)生過程中起著重要作用，是Shh信號(hào)通路直接調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄因子，是該通路不同水平激活的最后共同通道。研究發(fā)現(xiàn)，Shh信號(hào)通路在一定程度上通過調(diào)節(jié)Gli轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控毛囊的生長(zhǎng)和形態(tài)發(fā)生，Shh信號(hào)通路異位誘導(dǎo)靶基因?qū)?dǎo)致毛囊腫瘤(如基底細(xì)胞癌)的發(fā)生[33]。此外，Ras基因家族中K-Ras基因也對(duì)人類癌癥的形成影響較大，同樣參與細(xì)胞內(nèi)的Shh信號(hào)通路的傳遞。研究發(fā)現(xiàn)，Shh信號(hào)通路中K-Ras基因呈現(xiàn)顯著的負(fù)調(diào)節(jié)作用，是公認(rèn)的致癌因子，K-Ras基因的激活將嚴(yán)重影響人類毛囊的生長(zhǎng)和形態(tài)發(fā)生。當(dāng)K-Ras基因突變時(shí)，該基因?qū)⒂谰没罨?，不能產(chǎn)生正常的Ras蛋白，從而使細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)紊亂，細(xì)胞增殖失控而癌變[34]。

脫發(fā)、頭發(fā)稀少、卷曲是毛囊形態(tài)發(fā)育異常的具體表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，毛囊中Foxe1功能的缺乏將導(dǎo)致毛囊形態(tài)突變的發(fā)生。它不同于系統(tǒng)性缺陷，而是發(fā)生于個(gè)體。在毛囊形態(tài)發(fā)生Shh/Gli信號(hào)通路中，F(xiàn)oxe1作為靶基因具有調(diào)節(jié)毛囊在真皮和皮下組織發(fā)生的功能。Foxel在低分化的毛囊間表達(dá)特異，具有激活Shh信號(hào)通路的作用。Foxel轉(zhuǎn)錄因子突變，毛囊形態(tài)也成突變狀態(tài)，患者頭發(fā)表現(xiàn)為形成異常、稀少、卷曲。由此說明，Shh信號(hào)通路的靶基因Foxe1轉(zhuǎn)錄因子在毛囊形態(tài)發(fā)生上發(fā)揮重要作用，不可缺失[35]。Oda等[36]發(fā)現(xiàn)，將正常小鼠角質(zhì)細(xì)胞中的MED1基因切除后，小鼠毛發(fā)分化生長(zhǎng)異常，有脫毛現(xiàn)象。在第一個(gè)毛囊發(fā)育周期中，MED1基因的切除將導(dǎo)致毛囊迅速退化，毛發(fā)分化減少，β-catenin/VD受體調(diào)節(jié)基因表達(dá)減少，Shh信號(hào)增強(qiáng)，MED1切除也可以使濾泡間的表皮角質(zhì)細(xì)胞增殖，表皮標(biāo)記表達(dá)增加，影響毛囊的正常發(fā)育。因此，MED1基因在調(diào)節(jié)毛囊/表皮增殖分化上起著關(guān)鍵的作用。

小鼠是研究毛囊生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理首選的模式動(dòng)物。目前在轉(zhuǎn)錄水平上研究小鼠皮膚毛囊基因，主要集中在無汗癥和多毛癥的研究上，并取得了一定進(jìn)展。Cui等[37]對(duì)無汗癥小鼠胚胎皮膚毛囊發(fā)育期進(jìn)行比較轉(zhuǎn)錄分析，發(fā)現(xiàn)小鼠無汗癥的形成原因中有3個(gè)涉及毛囊的形態(tài)構(gòu)成，分別是Shh通路以及Wnt和BMP通路的拮抗作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，EDA基因的突變也將導(dǎo)致無汗癥的出現(xiàn)，在人和小鼠上表現(xiàn)為毛發(fā)稀疏、汗腺缺陷等，EDA基因是TNF配體家族的一個(gè)成員，通過激活NFB信號(hào)通路，編碼外源蛋白，從而導(dǎo)致無汗癥的出現(xiàn)。在小鼠毛囊生長(zhǎng)初級(jí)階段，腫瘤壞死轉(zhuǎn)換酶因子factor-α(TACE，又稱金屬蛋白酶17或分離素)和毛囊干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Sox9在小鼠毛囊細(xì)胞中表達(dá)，又在細(xì)胞中凋亡。Tace/Sox9的小鼠在毛囊生長(zhǎng)初級(jí)階段表現(xiàn)為毛發(fā)生長(zhǎng)稀少，在20周大小時(shí)出現(xiàn)全身脫毛現(xiàn)象。在Tace/Sox9角質(zhì)細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄因子Sox9、Lhx2、以及Gata基因?yàn)樯险{(diào)，而Lef1基因下調(diào)。Tace/Sox9的異常表達(dá)，將影響毛發(fā)生長(zhǎng)的質(zhì)量[38]。通過研究毛囊干細(xì)胞中Lhx2基因?qū)ox9、Tcf4和Lgr5基因的差異調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)在小鼠皮膚形態(tài)發(fā)生時(shí)，Lhx2在未成熟的毛囊中表達(dá)，在休止期，毛囊Lhx2基因存在于干細(xì)胞(隆突部、次級(jí)毛囊)。這兩部分均參與新一輪生長(zhǎng)期毛囊生長(zhǎng)，在退化末期，隆突部最底部崩裂并圍繞毛發(fā)形成次級(jí)毛囊。實(shí)時(shí)定量PCR確定在角質(zhì)細(xì)胞中，Sox9、Tcf4和Lgr5基因是Lhx2基因的直接靶基因，發(fā)現(xiàn)在毛囊形態(tài)發(fā)生過程中，Lhx2轉(zhuǎn)錄因子控制著干細(xì)胞的活動(dòng)。在皮膚表皮受傷時(shí)，Lhx2基因通過調(diào)節(jié)靶基因Sox9和Tcf4促進(jìn)傷口上皮的形成，同時(shí)在次級(jí)毛囊中，通過抑制Lgr5抑制毛囊的循環(huán)發(fā)生從而控制上皮干細(xì)胞的活動(dòng)[39]。研究還發(fā)現(xiàn)，Trps1基因和其靶基因Sox9在毛囊生長(zhǎng)期直接抑制毛囊干細(xì)胞的表達(dá)，控制毛囊上皮細(xì)胞的增殖也將導(dǎo)致多毛癥的產(chǎn)生[40]。結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了Sox9基因在多毛癥產(chǎn)生上的重要作用。

3 結(jié)語與展望

隨著大規(guī)模測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，批量獲得大量數(shù)據(jù)成為可能。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序已經(jīng)顯示出其他分析技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì),隨著對(duì)毛囊轉(zhuǎn)錄組研究的逐步深入，將有助于進(jìn)一步深入對(duì)高等真核生物基因組的復(fù)雜性和復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探索。目前，在人和鼠中毛囊分子機(jī)制研究取得了較大的進(jìn)展，對(duì)于絨山羊而言，在未來的研究工作中，篩選毛囊周期性差異基因、探明與毛囊發(fā)育相關(guān)的調(diào)控因子和可能機(jī)理并進(jìn)行驗(yàn)證將是研究的重中之重，應(yīng)關(guān)注毛囊周期性發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)分析和功能驗(yàn)證。如果能夠篩選出影響毛囊生長(zhǎng)和周期的重量級(jí)因子并尋找到關(guān)鍵性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，將為闡明絨毛生長(zhǎng)周期調(diào)控機(jī)制、開展分子育種提供新的研究思路和育種手段，也可為人工干擾絨毛周期生長(zhǎng)發(fā)育和分子育種提供新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，同時(shí)也會(huì)為疾病的臨床治療提供理論依據(jù)和新思路。

[1]Oro AE,Scott MP.Splitting hairs:dissecting roles of signalling systems in epidermal development.Cell,1998,95(5):575–578.

[2]Hardy MH.The secret life of the hair follicle.Trends Genet,1992,8(2):55–61.

[3]Galbraith H.Fundamental hair follicle biology and fine fibre production in animals.Animal,2010,4(9):1490–1509.

[4]Rogers GE.Biology of the wool follicle:An excursion into a unique tissue interaction system waiting to be re-discovered.Exp Dermatol,2006,15(12):931–949.

[5]王寧,榮恩光,閆曉紅.毛囊發(fā)育與毛發(fā)生產(chǎn)研究進(jìn)展.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,43(9):6–11.

[6]Yang CC,Cotsarelis G.Review of hair follicle dermal cells. J Dermatol Sci,2010,57(1):2–11.

[7]Lien WH,Polak L,Lin MY,Lay K,Zheng DY,Fuchs E.In vivo transcriptional governance of hair follicle stem cells by canonical Wnt regulators.Nat Cell Biol,2014,16(2): 179–190.

[8]Mardaryev AN,Ahmed MI,Vlahov NV,Fessing MY,Gill JH,Sharov AA,Botchkareva NV.Micro-RNA-31 controls hair cycle-associated changes in gene expression programs of the skin and hair follicle.FASEB J,2010,24(10): 3869–3881.

[9]Clavel C,Grisanti L,Zemla R,Rezza A,Barros R,Sennett R,Mazloom A,Chung CY,Cai XQ,Cai CL,Pevny L, Nicolis S,Ma’ayan A,Rendl M.Sox2 in the dermal papilla niche controls hair growth by fine tuning BMP signalling in differentiating hair shaft progenitors.Dev Cell,2012,23(5):981–994.

[10]Hwang J,Mehrani T,Millar SE,Morasso MI.Dlx3 is a crucial regulator of hair follicle differentiation and regeneration.Development,2008,135(18):3149–3159.

[11]Kurek D,Garinis GA,van Doorninck JH,van der Wees J, Grosveld FG.Transcriptome and phenotypic analysis reveals Gata3-dependent signalling pathways in murine hair follicles.Development,2007,134(2):261–272.

[12]Keyes BE,Segal JP,Heller E,Lien WH,Chang CY,Guo XY,Oristian DS,Zheng DY,Fuchs E.Nfatc1 orchestrates aging in hair follicle stem cells.Proc Natl Acad Sci USA, 2013,110(51):E4950–E4959.

[13]吳萍.Notch信號(hào)通路與絨山羊絨毛生長(zhǎng)的研究[學(xué)位論文].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[14]Pispa J,Pummila M,Barke PA,Thesleff I,Mikkola ML. Edar and Troy signalling pathways act redundantly to regulate initiation of hair follicle development.Hum Mol Genet,2008,17(21):3380–3391.

[15]de Schellenberger AA,Horland R,Rosowski M,Paus R, Lauster R,Lindner G.Cartilage oligomeric matrix protein (COMP)forms part of the connective tissue of normal human hair follicles.Exp Dermatol,2011,20(4):361–366.

[16]蔡婷,劉志紅,王志新,趙濛,俎紅麗,李金泉.miRNA在調(diào)控皮膚和毛囊發(fā)育中的作用.遺傳,2013,35(9):1087–1094.

[17]Schmidt-Ullrich R,Paus R.Molecular principles of hair follicle induction and morphogenesis.Bioessays,2005, 27(3):247-261.

[18]Sun FY,Wang JY,Pan QH,Yu YC,Zhang Y,Wan Y, Wang J,Li XY,Hong A.Characterization of function and regulation of miR-24-1 and miR-31.Biochem Biophys Res Commun,2009,380(3):660–665.

[19]Mecklenburg L,Tobin DJ,Muller-Rover S,Handjiski B, Wendt G,Peters EMJ,Pohl S,Moll I,Paus R.Active hair growth(anagen)is associated with angiogenesis.J Invest Dermatol,2000,114(5):909–916.

[20]Pedrioli DML,Karpanen T,Dabouras V,Jurisic G,van de Hoek G,Shin JW,Marino D,K?lin RE,Leidel S,Cinelli P, Schulte-MerkerS,Br?ndliAW,DetmarM.miR-31 functions as a negative regulator of lymphatic vascular lineage-specific differentiation in vitro and vascular developmentin vivo.MolCellBiol,2010,30(14): 3620–3634.

[21]Zhu B,Xu T,Yuan JL,Guo XD,Liu DJ.Transcriptome sequencing reveals differences between primary and secondary hair follicle-derived dermal papilla cells of the Cashmere goat(Capra hircus).PLoS One,2013,8(9): e76282.

[22]Zhang WG,Wang JH,Li JQ,Yashizawa M.A subset of skin-expressed microRNAs with possible roles in goat and sheep hairgrowth based on expression profiling of mammalian microRNAs.Omics,2007,11(4):385–396.

[23]Yuan C,Wang XL,Geng RQ,He XL,Qu L,Chen YL. Discovery of cashmere goat(Capra hircus)microRNAs in skin and hairfolliclesby Solexasequencing.BMC Genomics,2013,14:511.

[24]常子麗.皮膚毛囊基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的初建及其在絨山羊上的功能預(yù)測(cè)[學(xué)位論文].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[25]Ahn SY,Pi LQ,Hwang ST,Lee WS.Effect of IGF-I on hair growth is related to the anti-apoptotic effect of IGF-I and up-regulation of PDGF-A and PDGF-B.Ann Dermatol, 2012,24(1):26–31.

[26]Leishman E,Howard JM,Garcia GE,Miao Q,Ku AT, Dekker JD,Tucker H,Nguyen H.Foxp1 maintains hair follicle stem cell quiescence through regulation of Fgf18. Development,2013,140(18):3809–3818.

[27]Panteleyev AA,Paus R,Christiano AM.Patterns of hairless (hr)gene expression in mouse hair follicle morphogenesis and cycling.Am J Pathol,2000,157(4):1071–1079.

[28]Botchkarev VA,Komarova EA,Siebenhaar F,Botchkareva NV,Sharov AA,Komarov PG,Maurer M,Gudkov AV, Gilchrest BA.p53 Involvement in the control of murine hair follicle regression.Am J Pathol,2001,158(6):1913–1919.

[29]王琳.褪黑激素對(duì)內(nèi)蒙古絨山羊毛囊生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)基因的影響[學(xué)位論文].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[30]劉斌.絨山羊絨毛生長(zhǎng)相關(guān)基因的篩選、鑒定和多態(tài)性分析[學(xué)位論文].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[31]吳江鴻.Hoxc13基因在絨山羊皮膚中的表達(dá)規(guī)律及體外功能分析[學(xué)位論文].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[32]賀建寧,劉魯梅,程明,劉開東,于維敏,劉積鳳,趙金山,柳楠.敖漢細(xì)毛羊毛囊FGF10、FGF18和FGFR3基因差異表達(dá)的研究.第六屆全國(guó)動(dòng)植物數(shù)量遺傳學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì),2014,55.

[33]Oro AE,Higgins K.Hair cycle regulation of Hedgehog signal reception.Develop Biol,2003,255(2):238–248.

[34]Grachtchouk M,Pero J,Yang SH,Ermilov AN,Michael LE,Wang AQ,Wilbert D,Patel RM,Ferris J,Diener J, Allen M,Lim S,Syu LJ,Verhaegen M,Dlugosz AA. Basal cell carcinomas in mice arise from hair follicle stem cells and multiple epithelial progenitor populations.J Clin Invest,2011,121(5):1768–1781.

[35]Brancaccio A,Minichiello A,Grachtchouk M,Antonini D, Sheng H,Parlato R,Dathan N,Dlugosz AA,Missero C. Requirement of the fork head gene Foxe1,a target of sonic hedgehog signaling,in hair follicle morphogenesis.Hum Mol Genet,2004,13(21):2595–2606.

[36]Oda Y,Hu LZ,Bul V,Elalieh H,Reddy JK,Bikle DD. Coactivator MED1 ablation in keratinocytes results in hair-cycling defects and epidermal alternations.J Invest Dermatol,2012,132(4):1075–1083.

[37]CuiCY,Hashimoto T,Grivennikov SI,Piao YL, Nedospasov SA,Schlessinger D.Ectodysplasin regulates the lymphotoxin-β pathway for hair differentiation.Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(24):9142–9147.

[38]Nagao K,Kobayashy T,Ohyama M,Akiyama H,Horiuchi K, Amagai M.Brief report:requirement of TACE/ADAM17 for hair follicle bulge niche establishment.Stem Cells,2012, 30(8):1781–1785.

[39]Mardaryev AN,Meier N,Poterlowicz K,Sharov AA, Sharova TY,Ahmed MI,Rapisarda V,Lewis C,Fessing MY,RuengerTM,BhawanJ,WernerS,PausR, Botchkarev VA.Lhx2 differentially regulates Sox9,Tcf4 and Lgr5 in hair follicle stem cells to promote epidermal regeneration after injury.Development,2011,138(22): 4843–4852.

[40]Fantauzzo KA,Kurban M,Levy B,Christiano AM.Trps1 and its target gene Sox9 regulate epithelial proliferation in the developing hair follicle and are associated with hypertrichosis. PLoS Genet,2012,8(11):e1003002.

(責(zé)任編委:李明洲)

The transcriptome research progresses of skin hair follicle development

Wei Jiang,Yixing Fan,Xian Qiao,Yanjun Zhang,Zhihong Liu,Yanhong Zhao,Ruijun Wang,Zhixin Wang,Wenguang Zhang,Rui Su,Jinquan Li

Inner Mongolia Key Laboratory of Animal Genetics,Breeding and Reproduction,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China

Recently,transcriptome sequencing technology has achieved significant progresses in gene network regulation of important economic traits in animals.As the derivative of mammalian skin,hair follicle is capable of self-renew.Its proliferation and differentiation result in hair formation.Researches have revealed that many growth factors and receptors coordinate genes and environment,as well as play an extremely important role during hair growth.In this review,we summarize the progresses that transcriptome sequencing technologies have achieved in researches of hair follicle development and renegeration in a variety of species,such as humans,mice,goats.We aim to provide theoretical mechanisms for the artificial interference of villus growth cycle,and new ideas for therapeutic treatment of skin hair follicle-related diseases.

hair follicle;transcriptome;human;mice;goat

URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20150508.0914.001.html

2014-12-12;

2015-04-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(編號(hào)：2013AA102506)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：31201773，31260539，31272421)，國(guó)家農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(編號(hào)：CARS-40-05)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(編號(hào)：20091515120010)資助

江瑋，碩士研究生，專業(yè)方向：動(dòng)物遺傳育種與繁殖。E-mail:jiangwei1022@163.com

李金泉，博士，教授，研究方向：絨山羊遺傳育種。E-mail:lijinquan_nd@126.com

蘇蕊，博士，講師，研究方向：絨山羊遺傳育種。E-mail:suruiyu@126.com

10.16288/j.yczz.14-440

時(shí)間:2015-5-8 9:14:27