Hoxc13在哺乳動(dòng)物毛囊發(fā)育調(diào)控中的研究進(jìn)展

姚 凡，白少成，靳榮帥，張 琛，陳 陽(yáng)，吳信生

（揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000）

毛發(fā)是哺乳動(dòng)物的重要特征之一，是哺乳動(dòng)物毛囊生長(zhǎng)的副產(chǎn)物，具有保暖、防潮、偽裝等功能。毛囊是哺乳動(dòng)物體內(nèi)唯一一種在整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行周期性變化的器官，歷經(jīng)生長(zhǎng)期、退行期、休止期3個(gè)時(shí)期的變化，毛發(fā)與毛囊的周期性變化密切相關(guān)。毛囊的周期性變化貫穿哺乳動(dòng)物的一生，這個(gè)周而復(fù)始的過(guò)程需要經(jīng)歷不同基因精密的調(diào)控和不同機(jī)制的相互協(xié)調(diào)才能保證。毛發(fā)的生長(zhǎng)發(fā)育還需要不同細(xì)胞之間的相互作用來(lái)控制，包括誘導(dǎo)、上皮-間質(zhì)相互作用、細(xì)胞增殖、分化、遷移和凋亡。同源異型盒（）基因是動(dòng)物體內(nèi)調(diào)控生物形態(tài)的基因，近年來(lái)，對(duì)于同源盒C13（）基因的研究日益深入，其被證明對(duì)于毛囊的周期性發(fā)育和毛發(fā)的生長(zhǎng)至關(guān)重要。本文主要圍繞基因的機(jī)構(gòu)及功能及其對(duì)毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的作用進(jìn)行最新的總結(jié)，為在哺乳動(dòng)物毛囊發(fā)育調(diào)控中的研究提供借鑒。

1 Hoxc13基因的結(jié)構(gòu)與功能

基因?qū)儆谕串愋秃谢蛑械囊环N，是哺乳動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育重要的轉(zhuǎn)錄因子。所有基因家族都具有2個(gè)外顯子和1個(gè)內(nèi)含子，內(nèi)含子區(qū)有3個(gè)保守片段，其中的1個(gè)保守片段幾乎在所有動(dòng)物中都存在。Wu等分析不同物種基因的CDS序列，發(fā)現(xiàn)在哺乳動(dòng)物基因N端都存在富含甘氨酸的結(jié)構(gòu)域，推測(cè)可能與動(dòng)物被毛進(jìn)化有關(guān)。

在皮膚毛囊的形態(tài)發(fā)生、周期性生長(zhǎng)和毛發(fā)性狀形成過(guò)程中扮演重要角色?；蛉笔А⑼蛔兊葧?huì)引起純毛發(fā)和指甲外胚葉發(fā)育不良。對(duì)克隆絨山羊基因研究發(fā)現(xiàn)，非哺乳動(dòng)物向哺乳動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中基因出現(xiàn)了1次基因插入，這表明基因在哺乳動(dòng)物被毛的起源過(guò)程中發(fā)生了適應(yīng)性進(jìn)化。吳玉江等通過(guò)混池DNA直接測(cè)序法檢測(cè)西藏絨山羊基因并對(duì)其SNP進(jìn)行分型，發(fā)現(xiàn)基因第2外顯子具有2個(gè)SNPs位點(diǎn)，分析表明2個(gè)SNPs位點(diǎn)與羊毛平均纖維直徑相關(guān)。使用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建基因敲除兔，發(fā)現(xiàn)基因敲除兔毛發(fā)和指甲發(fā)育異常，背部和頭部毛發(fā)完全缺失，前后肢和尾部生長(zhǎng)有少量的毛發(fā)，臉、四肢、背部出現(xiàn)了痤瘡樣病變。另外，基因敲除兔的皮膚中出現(xiàn)毛囊數(shù)量減少、皮脂腺增多增大以及毛囊口堵塞。對(duì)毛囊的發(fā)育、毛發(fā)的產(chǎn)生和形態(tài)具有重要作用，缺失可導(dǎo)致哺乳動(dòng)物皮膚病變、毛發(fā)缺失等。

2 Hoxc13基因在哺乳動(dòng)物中的表達(dá)規(guī)律

目前對(duì)于的研究主要集中于鼠、羊、兔和人上，對(duì)于其他毛用哺乳動(dòng)物還缺少相關(guān)的研究。與毛囊的周期性循環(huán)具有密切關(guān)系，在毛囊周期不同時(shí)期的表達(dá)量可能控制著毛囊生長(zhǎng)期、退行期和休止期的轉(zhuǎn)變。生長(zhǎng)期次級(jí)毛囊的平均直徑最小，次級(jí)毛囊的密度和活性百分比隨著生長(zhǎng)階段的變化而逐漸增加。Wang 等研究發(fā)現(xiàn)，在皮膚中次級(jí)毛囊的表皮、毛囊真皮鞘細(xì)胞、外根鞘細(xì)胞、內(nèi)根鞘細(xì)胞、發(fā)干中均有表達(dá)，Hoxc13蛋白在外根鞘細(xì)胞中高表達(dá)。He等發(fā)現(xiàn)在前生長(zhǎng)期、退行期和休止期中表達(dá)較弱，而隨著生長(zhǎng)前期和生長(zhǎng)期次級(jí)毛囊的增加，表達(dá)顯著增加。馮帥帥檢測(cè)發(fā)現(xiàn)基因在絨山羊羊絨生長(zhǎng)期的表達(dá)水平顯著高于羊絨休止期。杜建文等發(fā)現(xiàn)基因在蘇博美利奴羊不同組織中均有表達(dá)，且在皮膚組織中表達(dá)量最高。細(xì)毛羊中基因在肩部和腹部都有表達(dá)，其中在腹部表達(dá)量最高，且基因影響羊毛的長(zhǎng)度。Han等利用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建基因敲除鼠、兔、豬，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物全身呈現(xiàn)缺毛、少毛現(xiàn)象，同時(shí)毛囊都表現(xiàn)出毛囊數(shù)目減少、排列紊亂、毛囊口堵塞等異常表型。Hoxc13蛋白在次級(jí)毛囊中的表達(dá)表明其可能在角質(zhì)形成細(xì)胞的生長(zhǎng)和再生中起關(guān)鍵作用，同時(shí)Hoxc13蛋白對(duì)于維持外根鞘細(xì)胞的功能也有重要作用。以上結(jié)果反映了基因可以調(diào)控毛囊和毛囊相關(guān)細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，同時(shí)對(duì)毛囊的形態(tài)也具有一定調(diào)控作用，其在毛囊發(fā)育周期中通過(guò)對(duì)毛囊的一系列調(diào)控進(jìn)而來(lái)控制毛發(fā)的發(fā)生與生長(zhǎng)，對(duì)毛發(fā)哺乳動(dòng)物產(chǎn)毛和人類(lèi)脫發(fā)研究具有重要意義。

3 Hoxc13基因在毛囊發(fā)育中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

3.1基因在毛囊發(fā)育中的下游作用途徑 絨山羊的季節(jié)性毛囊活動(dòng)和纖維生長(zhǎng)是一個(gè)周期性過(guò)程，通過(guò)對(duì)12月來(lái)絨山羊側(cè)皮19個(gè)毛囊發(fā)育相關(guān)基因（HFDRGs）的研究，發(fā)現(xiàn)/基因與卵泡活性相關(guān)；使用褪黑素治療絨山羊時(shí)發(fā)現(xiàn)角質(zhì)形成細(xì)胞中的表達(dá)量急劇增加；此外，將p-ECFP基因轉(zhuǎn)染絨山羊皮膚成纖維細(xì)胞，結(jié)果表明，基因的過(guò)表達(dá)抑制了對(duì)毛囊發(fā)育有負(fù)作用的HFDRGs（和）的表達(dá)，促進(jìn)了對(duì)毛囊發(fā)育有正作用的HFDRGs（和）的表達(dá)，絨山羊的毛囊活性受到表達(dá)的影響。在毛囊生長(zhǎng)期早期，注射ShRNA（Sh）抑制可促進(jìn)生長(zhǎng)期進(jìn)入，表現(xiàn)為毛發(fā)長(zhǎng)度和毛球大小明顯減少，生長(zhǎng)期毛囊百分比增加，毛發(fā)周期評(píng)分和TUNEL+細(xì)胞增多。相反，在生長(zhǎng)后期局部注射重組多肽（rh）可延長(zhǎng)生長(zhǎng)期；此外，在休止期注射rh可顯著促進(jìn)毛發(fā)生長(zhǎng)并誘導(dǎo)生長(zhǎng)進(jìn)程。在分子水平上，磷酸化（p-）在Sh處理的毛囊中表達(dá)上調(diào)，在rh處理的毛囊中表達(dá)下調(diào)，表明可能通過(guò)抑制信號(hào)傳導(dǎo)而阻斷生長(zhǎng)抑素轉(zhuǎn)換?；虬邢虻霓D(zhuǎn)基因小鼠出生后皮膚中表達(dá)顯著下調(diào)，此外，在該小鼠有缺陷的毛囊髓質(zhì)中未檢測(cè)到表達(dá)，通過(guò)基因芯片分析表明是在髓質(zhì)分化過(guò)程中的下游調(diào)節(jié)靶點(diǎn)?；虬邢颍╰m1Mrc）小鼠和基因靶向（nu）小鼠脫發(fā)是由于毛干分化中相似的缺陷造成的，并且2個(gè)突變體都患有嚴(yán)重的指甲營(yíng)養(yǎng)不良。對(duì)tm1Mrc小鼠皮膚的DNA微陣列分析發(fā)現(xiàn)，與等許多毛發(fā)角蛋白基因一起顯著下調(diào)。共轉(zhuǎn)染和染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP）實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果表明，下調(diào)反映了失去直接轉(zhuǎn)錄控制；的依賴(lài)性激活是調(diào)控級(jí)聯(lián)調(diào)控末端分化標(biāo)志物表達(dá)的一部分。綜上可知，過(guò)表達(dá)能夠調(diào)節(jié)毛囊相關(guān)基因的表達(dá)，上調(diào)具有正向調(diào)控作用的基因來(lái)延長(zhǎng)毛囊的生長(zhǎng)期，從而促進(jìn)動(dòng)物毛囊的生長(zhǎng)；敲除則抑制對(duì)毛囊發(fā)育具有正向調(diào)控作用的基因的表達(dá)，從而表現(xiàn)出毛囊缺陷、脫發(fā)等現(xiàn)象。

角蛋白是動(dòng)物毛發(fā)的重要組成蛋白，角蛋白（KRTs）和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白（KAPs）基因與羊毛囊的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程有重要聯(lián)系?；蛲ㄟ^(guò)控制和基因的表達(dá)從而成為羊毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控基因，對(duì)毛囊發(fā)育產(chǎn)生重要影響。研究表明，絨山羊中和基因在生長(zhǎng)期的相對(duì)表達(dá)量極顯著低于休止期；并且，基因在休止期高產(chǎn)絨山羊的表達(dá)量顯著高于低產(chǎn)羊，基因可能作為轉(zhuǎn)錄因子來(lái)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，從而控制羊絨的生長(zhǎng)發(fā)育。綿羊 KAP11.1基因 5′端上游在-251～-148 bp處存在3個(gè)與毛囊發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子（、和）結(jié)合位點(diǎn)，利用點(diǎn)突變和RNA干擾技術(shù)在體外細(xì)胞抑制的表達(dá)證實(shí)這些結(jié)合位點(diǎn)對(duì)具有調(diào)控作用。蘇波利用凝膠電泳遷移試驗(yàn)（EMSA）驗(yàn)證3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子序列和核蛋白形成了蛋白結(jié)合物，這些基因存在相互作用，共同調(diào)控的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)毛囊發(fā)育的影響。另有研究表明，角蛋白基因在羊絨周期中的表達(dá)與的表達(dá)模式相似，除和外，其余角蛋白在羊絨生長(zhǎng)期的表達(dá)高于休止期。Wang等研究發(fā)現(xiàn)在毛乳頭細(xì)胞中過(guò)表達(dá)上調(diào)了和的啟動(dòng)子活性，下調(diào)了和的啟動(dòng)子活性，表明對(duì)于不同角蛋白的啟動(dòng)子活性具有不同作用。角蛋白與角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白基因是基因的下游靶基因，可能直接或與其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合成復(fù)合物，來(lái)調(diào)控角蛋白和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白基因的啟動(dòng)子區(qū)域，從而調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，來(lái)控制毛囊變化，進(jìn)而對(duì)毛發(fā)性狀產(chǎn)生影響。

3.2基因在毛囊發(fā)育中的上游調(diào)控因子基因作為轉(zhuǎn)錄因子不僅可以調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，同時(shí)還受其他因素的調(diào)控。有研究以小鼠枝芽為模型，分析Hoxc基因在外胚層的功能，得出Hoxc基因的表達(dá)在外胚層具有漸進(jìn)性時(shí)間激活，在外胚層發(fā)育后期表達(dá)達(dá)到最大。Fernandez-Guerrero等通過(guò)構(gòu)建突變鼠得到毛發(fā)缺失小鼠，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了位于基因上游的2個(gè)哺乳動(dòng)物特異性增強(qiáng)子簇，這2個(gè)增強(qiáng)子在動(dòng)物毛發(fā)和指甲發(fā)育過(guò)程中共同作用來(lái)提高基因的轉(zhuǎn)錄水平。另有研究發(fā)現(xiàn)在退行期和休止期表達(dá)上調(diào)，過(guò)表達(dá)可以直接抑制、和的表達(dá)，從而導(dǎo)致脫發(fā)。對(duì)啟動(dòng)子區(qū)域研究表明，啟動(dòng)子區(qū)域有和的結(jié)合位點(diǎn)，/報(bào)告基因分析過(guò)表達(dá)的小鼠，表明表達(dá)水平受到負(fù)自我反饋調(diào)節(jié)控制，同時(shí)可以通過(guò)結(jié)合的啟動(dòng)子來(lái)調(diào)節(jié)表達(dá)。Wang等將啟動(dòng)子載體與外源褪黑素加入毛乳頭細(xì)胞中，熒光素酶活性增強(qiáng)，表明褪黑素可通過(guò)影響啟動(dòng)子活性來(lái)調(diào)節(jié)。另外，有研究發(fā)現(xiàn)基因啟動(dòng)子區(qū)CpG位點(diǎn)在休止期甲基化程度更高，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶相關(guān)基因和在羊絨休止期的表達(dá)水平比羊絨生長(zhǎng)期更高。因此，DNMTs可能通過(guò)調(diào)節(jié)基因的甲基化水平對(duì)羊絨的周期性生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為毛囊生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，可通過(guò)控制角蛋白和角蛋白關(guān)聯(lián)蛋白等來(lái)調(diào)控毛囊及毛囊相關(guān)細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育、分化、遷移、增殖和凋亡等，從而控制哺乳動(dòng)物的毛發(fā)性狀；同時(shí)，基因還受上游基因、相關(guān)蛋白、化學(xué)制劑等影響，共同控制哺乳動(dòng)物毛發(fā)的形成與生長(zhǎng)。目前對(duì)于基因已有部分研究，但對(duì)于具體的作用機(jī)制還未完全了解，需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步確定基因下游靶位點(diǎn)以及上游調(diào)控分子，構(gòu)建毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的完整網(wǎng)絡(luò)，為未來(lái)深入研究基因奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，利用Chip-seq等技術(shù)來(lái)確定Hoxc13蛋白與下游基因之間的相互作用，有利于進(jìn)一步了解在毛囊生長(zhǎng)發(fā)育周期和毛發(fā)形成過(guò)程中的作用機(jī)制，為哺乳動(dòng)物毛發(fā)的生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)，同時(shí)也能為人類(lèi)脫發(fā)治療提供新的理論依據(jù)和方法。