微环境中β-连环蛋白对毛囊干细胞增殖分化的影响(一)

1、微环境中-连环蛋白对毛囊干细胞增殖分化的影响(一)    【关键词】 毛囊干细胞近年来对毛囊干细胞的研究不断深入，其中干细胞所处的微环境在细胞增殖、分化中的作用更是备受关注。微环境调控干细胞增殖与分化是通过细胞与细胞、细胞与细胞外基质、细胞因子及细胞微环境中信号分子之间的相互作用实现的。在众多的信号分子中，-连环蛋白处于核心地位，认识微环境中-连环蛋白如何调控毛囊干细胞的增殖、分化具有重要意义。1 毛囊干细胞的微环境干细胞所处的微环境又称为干细胞的壁龛（niche），是干细胞生存的周围环境。毛囊干细胞主要位于毛囊外根鞘中上段，皮脂腺与立毛肌的交汇处的隆突

2、部。毛囊干细胞和其它成体干细胞一样是慢周期细胞，并且具有强大的克隆形成能力和增殖、分化潜能。隆突部的毛囊干细胞具有多分化潜能，能够分化为毛发中各型细胞、皮脂腺和表皮。毛囊干细胞“居住”的隆突部是神经末梢和毛细血管汇集的地方，为毛囊干细胞维持其自身稳定和接受信号传导提供了良好的微环境，是调节毛囊干细胞增殖和分化场所。毛囊干细胞除了自我更新还要产生毛囊中的各种子代细胞。无论是毛囊组织的正常生长代谢还是损伤修复的过程中微环境在毛囊干细胞的迁移、增殖和分化起到了一定的调控作用。2 -连环蛋白与毛囊干细胞的微环境-连环蛋白是一个多功能、分布广泛的蛋白质。普通的成体细胞中-连环蛋白主要分布于细胞膜上，游离

3、的-连环蛋白的水平很低，主要通过泛素蛋白酶水解途径降解。McCrea等发现细胞内的-连环蛋白能与钙粘蛋白发生作用，并且-连环蛋白是Wnt信号通路的核心信号分子。-连环蛋白主要表达在间质细胞和上皮细胞，在毛囊的形成过程中和维持其周期性生长中起着重要的作用，其作用主要通过微环境调控-连环蛋白对毛囊干细胞增殖、分化产生影响。干细胞内-连环蛋白表达水平的改变将导致细胞由静止期向增殖期转变，细胞分化为短暂扩增细胞和成体细胞。在毛囊干细胞的微环境的作用研究中，转基因的研究已经确定了皮肤中的-连环蛋白的重要作用：一个由稳定的-连环蛋白表达的转基因动物模型中可见有新的毛囊生成，并且最终形成了皮肤的肿瘤。-连环

4、蛋白转录水平升高也能加速毛囊由静止期向增殖期转化。此外，有研究表明在成人表皮中的-连环蛋白被激活后，会有新的毛囊形成1。利用转基因技术增加-连环蛋白的表达能使毛囊干细胞被提前激活，但是细胞数总量不变，条件性的减少-连环蛋白的表达时会导致即使有静止的毛囊干细胞也不会形成完整的毛囊2。3 -连环蛋白的基因和蛋白结构-连环蛋白的基因位于3p21，由CTNNB1基因编码，全长40992bp。人类的-连环蛋白基因的表达产物是一个分子质量为92kDa的蛋白质，呈现出高度的进化保守性，大约保留了果蝇80%的同源蛋白质，与鼠的-连环蛋白几乎完全同源。它包含有13个Arm重复序列，形成-连环蛋白的核心结构，以螺

5、旋形成了超螺旋结构，超螺旋又形成具有凹槽结构的模序。在模序中包含了许多-连环蛋白伴侣的连接位点，使其可以与不同的蛋白质组装，完成其降解及复杂的生物学功能，同时在调节这些蛋白质伴侣的活性也起到重要作用。4 微环境中Wnt信号对-连环蛋白的影响目前认为细胞内的Wnt信号通路可分为3个分支：-连环蛋白通路、平面细胞通路、Wnt/Ca2通路。通过微环境的改变，Wnt调控着细胞分化方向、细胞增殖、细胞极性及细胞迁移等过程。近年来Wnt/-连环蛋白信号和其他信号一起调控干细胞的增殖、分化，参与皮肤及其附属器官的生长。在细胞外存在Wnt蛋白时，Wnt与卷曲蛋白的七次跨膜受体结合后，激活细胞质中的散乱蛋白，使

6、细胞质的泛素-蛋白酶小体对游离-连环蛋白的降解被阻断，从而引起细胞质中的-连环蛋白积聚，积聚的蛋白质被转运至细胞核中，与细胞核内的Lef/Tcf转录因子家族结合，激活目的基因的转录，在转录水平调节干细胞的增殖与分化。Wnt信号通路的刺激是使-连环蛋白稳定性增强的唯一机制，在细胞质中的游离的-连环蛋白是受Wnt信号正性调控的。-连环蛋白末端的结构域参与调节Arm重复序列与其蛋白伴侣的相互作用3。毛囊干细胞的分化方向是通过Wnt信号通路-连环蛋白的水平而调整的,当-连环蛋白高水平表达时毛囊干细胞分化为构成毛囊结构的细胞；当-连环蛋白表达抑制时毛囊干细胞分化为表皮。Wnt信号通路静止时，-连环蛋白只

7、参与细胞间的粘合连接，-连环蛋白进入细胞质后被磷酸化，磷酸化的-连环蛋白被抑制最终导致细胞质内保持一定量的蛋白积累。-连环蛋白进入细胞核后结合Tcf/Lef转录因子，激活Tcf3和Lef1促进毛囊干细胞分化，从而实现调节细胞的转录过程4。其中Wnt信号的靶基因表达水平升高，对于细胞增殖、分化及细胞极性的调控中起决定作用。在毛囊中，Wnt信号的调控在毛囊的静止期细胞、增殖的细胞及终末分化的细胞的过程中都起一定的作用。5 微环境中-连环蛋白对Bmp（Bone morphogenic pathway）信号的影响在皮肤及其附属器官的胚胎发育过程中Bmp信号通路在组织正常的形成中是至关重要的因素之一。B

8、mp通路的抑制因子noggin的表达使-连环蛋白缺失都会导致皮肤及其附属器官的减少、缺失或损害毛囊的发育5。毛囊干细胞微环境中的间质细胞分泌noggin，这也是毛囊干细胞被激活的潜在的因素,但是Bmp的抑制信号需要-连环蛋白/Lef1启动转录因子。Bmp信号也是调节毛囊干细胞的重要的信号，条件性地去除Bmpra1会导致毛囊生成缺陷6。钙粘蛋白是一种细胞粘连分子，主要介导细胞的粘着，在研究Bmp信号通路时发现-连环蛋白与钙粘蛋白结合后会使钙粘蛋白启动子的表达降低，观察到胚胎期有毛囊的基板形成并且进而发育为毛囊生长循环中的芽胞。相反，当运用转基因技术提高钙粘蛋白启动子的表达时会出现毛囊干细胞不能分

9、化成为毛囊中的细胞也不能形成毛囊7。毛囊干细胞粘附在微环境中是细胞保持“干细胞性”的前提，干细胞迁移就会出现细胞的增殖、分化。综上所述，-连环蛋白对Bmp信号通路的影响也是通过其抑制信号的作用而实现的，钙粘蛋白表达的降低和Bmp信号的抑制是毛囊干细胞激活的重要前提，他们与Wnt信号的增强共同调节毛囊干细胞的增殖与分化。6 -连环蛋白与c-Myc基因的表达-连环蛋白作用的一个靶基因就是位于转录下游的癌基因c-Myc，原癌基因c-Myc是Myc家族的成员，在毛囊上皮的基底膜和毛囊的隆突都是高表达。-连环蛋白与Myc基因表达的起动有关，-连环蛋白促进c-Myc基因表达的启动。当微环境中有增殖信号时，

10、干细胞进入增殖分裂周期，毛囊干细胞增殖的子代细胞可能是短暂扩增细胞也可能是干细胞，c-Myc基因在毛囊干细胞中的表达较低，而在短暂扩增细胞中表达水平保持高水平继续增殖分化8。c-Myc是细胞从G1期向S期转变所必需的。在细胞分化方面，c-Myc低表达时，毛囊干细胞将迁移出微环境分化为损伤的细胞来修复损伤9。毛囊干细胞在其微环境中正常存在依赖c-Myc基因的正常表达，诱导c-Myc短期表达，毛囊干细胞由静止状态进入细胞分裂状态，并可以进一步分化为皮脂腺和表皮。-连环蛋白调节c-Myc基因的起动能在转录水平抑制1整合素表达，1整合素表达水平下降将减弱干细胞对微环境的粘附，促进干细胞向短暂扩增细胞转

11、化，调节细胞的分化。毛囊干细胞增殖、分化的调控是从转录水平开始的，是微环境多个信号分子共同调控的结果。7 -连环蛋白与细胞周期素D1-连环蛋白还能够通过细胞周期素D1影响成体干细胞的细胞周期，促进细胞由静止期进入增殖期，激活干细胞使之增殖、分化。周期素D1是周期素家族的重要成员，半衰期极短，并且其基因的表达是生长因子通过c-Myc、k-Ras等诱导的，可以认为它是生长因子的感受器。周期素D的过量可导致细胞失去对生长因子的依赖，以致细胞无限增殖下去10。8 展望随着成体干细胞研究的不断深入，微环境对干细胞增殖、分化的调控成为研究的热点之一。分子生物学技术的迅速发展和生物芯片技术的出现，微环境信号

12、分子的网络调控将日益明了。毛囊干细胞因其特殊的生物学特性更是备受关注。微环境如何调控毛囊干细胞增殖与分化是其作为一种新型组织工程种子细胞应用于临床及体外构建含有毛囊结构的人工皮肤的理论基础。-连环蛋白是一个重要的微环境信号分子，是微环境分子调控网络研究的核心分子，相信随着基因组学和蛋白质组学的深入研究，人类调控干细胞的增殖与分化将不再遥远。【参考文献】1 Silva-Vargas V,Lo Celso C,Giangreco A,et al.Beta-catenin and Hedgehog signal strength can specify number and location of

13、hair follicles in adult epidermis without recruitment of bulge stem cellsJ.Dev Cell,2005,9(1):121-131.2 Huelsken J,Vogel R,Erdmann B,et al.Beta-Catenin controls hair follicle morphogenesis and stem cell differentiation in the skinJ.Cell,2001,105(4):533-545.3 Lowry WE,Blanpain C,Nowak JA,et al.Defini

14、ng the impact of beta-catenin/Tcf transactivation on epithelial stem cellsJ.Genes Dev,2005,19(13):1596-1611.4 Jamora C,DasGupta R,Kocieniewski P,et al.Links between signal transduction,transcription and adhesion in epithelial bud developmentJ.Nature,2003,422(6929):317-322.5 Botchkarev VA,Botchkareva

15、 NV,Nakamura M,et al.Noggin is required for induction of the hair follicle growth phase in postnatal skinJ.FASEB J,2001,15(12):2205-2214.6 Andl T,Ahn K,Kairo A,et al.Epithelial Bmpr1a regulates differentiation and proliferation in postnatal hair follicles and is essential for tooth developmentJ.Deve

16、lopment,2004,131(10):2257-2268.7 Jamora C,DasGupta R,Kocieniewski P,et al.Links between signal transduction transcription and adhesion in epithelial bud developmentJ.Nature,2003,422(6929):317-322.8 Willert K,Brown JD,Danenbrg E,et al.Wnt proteins are lipid-modified and can act as stem cell growth factorsJ.Nature,2003,423(6938):448-452.9 Tumbar T,Guasch G,Greco V,et al.Defining th