現(xiàn)代社會中，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)成為困擾當代年輕人的一個嚴重問題。

毛囊其實是一個微型器官，其主要功能就是生發(fā)。毛囊干細胞的不對稱分裂模式，即經(jīng)過分裂和分化形成毛發(fā)和另一個毛囊干細胞，保證補充掉落頭發(fā)的同時也保證了延續(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)于未成熟基板細胞如何發(fā)展成為成熟毛囊結(jié)構(gòu)，以及干細胞如何在細胞和轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控尚不清楚。并且研究上皮細胞譜系發(fā)育起源的最主要的障礙是缺乏特異性標記物，無法對每一個細胞譜系進行前瞻性識別和追蹤。

2021 年 6 月 9 日，日本 RIKEN 生物系統(tǒng)動力學研究中心 Hironobu Fujiwara 團隊在 Nature 上發(fā)表題為Tracing the origin of hair follicle stem cells 的研究論文。

 

圖片來源：Nature

研究內(nèi)容

干細胞來源于基板外環(huán)

為了在不依賴分子標記的情況下，研究毛囊干細胞的發(fā)育起源和譜系動態(tài)，研究人員開發(fā)了胡須毛囊的體外長期培養(yǎng)和成像系統(tǒng)。利用上皮細胞中表達 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 進行連續(xù)成像并追蹤上皮細胞，根據(jù)重構(gòu)的 3D 細胞軌跡在 hair germ stage 對其進行顏色編碼。

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

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

 

圖片來源：Nature

為了探究毛囊上皮細胞起源和早期世系動力學，研究人員利用小鼠模型獲得了 hair placode stage 的實時圖像數(shù)據(jù)。隨后進行回顧性細胞追蹤，發(fā)現(xiàn)位于皮膚乳頭附近的上皮細胞最初位于基板基底層的中心。下層區(qū)域的細胞來源于基板的中心區(qū)域外，上部的細胞（putative prospective bulge stem cells）來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 來源于基板周圍的上皮基底細胞。

 

圖片來源：Nature

位置決定基板細胞命運

為了評估胡須毛囊早期發(fā)育中細胞分裂方向與后期細胞命運的關(guān)系，研究人員在實時成像數(shù)據(jù)中測量了上皮基底層基底膜區(qū)域的 3D 細胞分裂方向。在每個組織區(qū)域?qū)⒓毎譃樗胶痛怪狈至呀M，追蹤它們子細胞到 hair germ stage。發(fā)現(xiàn)無論細胞分裂角度如何，來自基板上下層和毛胚區(qū)的子細胞分別參與了 hair germ stage 細胞的形成。

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

 

圖片來源：Nature

基板同心轉(zhuǎn)錄區(qū)

為了進一步探究上皮細胞如何逐步改變其細胞狀態(tài)，從而產(chǎn)生包括 prospective bulge stem cells 在內(nèi)的多種上皮細胞，研究人員開發(fā)了表達 photo-convertible fluorescent protein 的 ROSA26 報告細胞系，對目標毛囊進行光標記。通過對來自不同時期胡須胚胎毛囊進行光轉(zhuǎn)換，隨后進行 single-cell RNA-sequencing（ScRNA-seq）。研究人員鑒定出 962 個上皮亞群的單細胞轉(zhuǎn)錄組，分析發(fā)現(xiàn)在整個發(fā)育過程中，沿著毛囊的縱軸有不同的區(qū)段表達模式。

這些結(jié)果表明 ScRNA-seq 庫包括胡須毛囊發(fā)育過程中多種類型上皮細胞，具有準確的階段和定位信息，從而使這些庫適合描述毛囊形態(tài)發(fā)生過程中細胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時空動態(tài)。

為了檢測 2D 同心譜系區(qū)域是否已經(jīng)獲得不同的細胞狀態(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)來識別有明顯改變的 4342 個基因，排序成 20 個集合。研究發(fā)現(xiàn)許多基因在基板中心或 interfollicular epidermis（IFE）區(qū)域達到峰值，而包括干細胞標記物在內(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。

 

圖片來源：Nature

組織轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)

為了分析不同上皮細胞群體在毛囊發(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胞，利用擴散圖重建了基底上皮細胞的發(fā)育軌跡。擴散圖顯示 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)育過程中的轉(zhuǎn)錄動態(tài)，研究人員檢測了每個譜系進程中的上調(diào)和下調(diào)基因。結(jié)果鑒定了 13 個基因簇，建立了毛囊發(fā)育過程中整個上皮細胞基因表達的整體動態(tài)。其中 4 個基因簇在 5 個細胞系中表現(xiàn)出相似的基因表達變化。因此，單細胞轉(zhuǎn)錄分析確定了與細胞譜系多樣化相關(guān)的 13 個轉(zhuǎn)錄基因簇。

 

圖片來源：Nature

研究結(jié)論

本研究結(jié)合了不依賴標記的長期 3D 活體成像和單細胞轉(zhuǎn)錄組學，以捕獲小鼠毛囊發(fā)育過程中整個上皮細胞的動態(tài)譜系進展和轉(zhuǎn)錄組變化。

本文建立了毛囊發(fā)育的動態(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。并且表明基板細胞的命運取決于細胞的位置，而不是細胞分裂的方向。

本研究為進一步研究皮膚器官發(fā)生與信號和細胞區(qū)隔化的耦合機制，從而為干細胞及其生態(tài)位的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

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來源：生物探索

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