“头等大事”，追本溯源！Nature 重磅报道毛囊干细胞起源

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现代社会中，随着工作生活压力增大，许多人发现自己头发变得越来越稀疏，发际线不断后移。调查显示，有数亿男性，女性甚至儿童都有脱发的经历，脱发已经成为困扰当代年轻人的一个严重问题。

毛囊其实是一个微型器官，其主要功能就是生发。毛囊干细胞的不对称分裂模式，即经过分裂和分化形成毛发和另一个毛囊干细胞，保证补充掉落头发的同时也保证了延续性。而基板（placode）是包括毛囊在内的大多数外胚层附属物形成的基础。毛发基板向皮肤延伸，并发展成具有纵向排列间隔的圆柱形结构。

然而，关于未成熟基板细胞如何发展成为成熟毛囊结构，以及干细胞如何在细胞和转录水平上调控尚不清楚。并且研究上皮细胞谱系发育起源的最主要的障碍是缺乏特异性标记物，无法对每一个细胞谱系进行前瞻性识别和追踪。

2021 年 6 月 9 日，日本 RIKEN 生物系统动力学研究中心 Hironobu Fujiwara 团队在Nature上发表题为Tracing the origin of hair follicle stem cells的研究论文。

图片来源：Nature

研究内容

干细胞来源于基板外环

为了在不依赖分子标记的情况下，研究毛囊干细胞的发育起源和谱系动态，研究人员开发了胡须毛囊的体外长期培养和成像系统。利用上皮细胞中表达 H2B eGFP 的转基因小鼠的胚胎胡须外植体，研究人员从 hair germ stage 到 hulbou peg stage 进行连续成像并追踪上皮细胞，根据重构的 3D 细胞轨迹在 hair germ stage 对其进行颜色编码。

研究发现，培养 60 小时后，大部分 hair germ stage 上层的基底细胞产生了 bulbous peg stage 的上层基底细胞，而下层部分则由下层形成。邻近皮肤乳头的细胞保留在上皮细胞和皮肤乳头之间，或脱离基底膜分化。

这些结果表明，毛囊形态发生是每一个纵向排列的上皮细胞间隔的扩大，而不是主要的毛发生殖细胞的继续增加。

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为了探究毛囊上皮细胞起源和早期世系动力学，研究人员利用小鼠模型获得了 hair placode stage 的实时图像数据。随后进行回顾性细胞追踪，发现位于皮肤乳头附近的上皮细胞最初位于基板基底层的中心。下层区域的细胞来源于基板的中心区域外，上部的细胞（putative prospective bulge stem cells）来源于基板底层的外周环。

这些结果表明，3D 胡须毛囊上皮细胞中纵向排列的圆柱形间隔与基板基底部 2D 同心环是匹配的，putative prospective bulge stem cells 来源于基板周围的上皮基底细胞。

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位置决定基板细胞命运

为了评估胡须毛囊早期发育中细胞分裂方向与后期细胞命运的关系，研究人员在实时成像数据中测量了上皮基底层基底膜区域的 3D 细胞分裂方向。在每个组织区域将细胞分为水平和垂直分裂组，追踪它们子细胞到 hair germ stage。发现无论细胞分裂角度如何，来自基板上下层和毛胚区的子细胞分别参与了 hair germ stage 细胞的形成。

这些结果表明上皮细胞在胡须基板的命运取决于细胞在基板内的位置，而与细胞分裂方向无关。

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基板同心转录区

为了进一步探究上皮细胞如何逐步改变其细胞状态，从而产生包括 prospective bulge stem cells 在内的多种上皮细胞，研究人员开发了表达 photo-convertible fluorescent protein 的 ROSA26 报告细胞系，对目标毛囊进行光标记。通过对来自不同时期胡须胚胎毛囊进行光转换，随后进行 single-cell RNA-sequencing（ScRNA-seq）。研究人员鉴定出 962 个上皮亚群的单细胞转录组，分析发现在整个发育过程中，沿着毛囊的纵轴有不同的区段表达模式。

这些结果表明 ScRNA-seq 库包括胡须毛囊发育过程中多种类型上皮细胞，具有准确的阶段和定位信息，从而使这些库适合描述毛囊形态发生过程中细胞状态转变的时空动态。

为了检测 2D 同心谱系区域是否已经获得不同的细胞状态，研究人员首先用 E12.0 衍生的转录组重建了 pseudospace 轨迹，使用 pseudospace ScRNA-seq 数据来识别有明显改变的 4342 个基因，排序成 20 个集合。研究发现许多基因在基板中心或 interfollicular epidermis（IFE）区域达到峰值，而包括干细胞标记物在内的大量基因在这些区域之间出现峰值，表明基因表达从基板中心到 IFE 逐渐变化的同心区的存在，即基板周围有环状基因表达。

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组织转录协调

为了分析不同上皮细胞群体在毛囊发育中多样化，研究人员从转录组中移除了最终分化的细胞，利用扩散图重建了基底上皮细胞的发育轨迹。扩散图显示 hair germ lineage 首先在 E12.0 开始分枝，而其他谱系从 E13.5 开始分枝。

为了表征毛囊发育过程中的转录动态，研究人员检测了每个谱系进程中的上调和下调基因。结果鉴定了 13 个基因簇，建立了毛囊发育过程中整个上皮细胞基因表达的整体动态。其中 4 个基因簇在 5 个细胞系中表现出相似的基因表达变化。因此，单细胞转录分析确定了与细胞谱系多样化相关的 13 个转录基因簇。

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研究结论

本研究结合了不依赖标记的长期 3D 活体成像和单细胞转录组学，以捕获小鼠毛囊发育过程中整个上皮细胞的动态谱系进展和转录组变化。

本文建立了毛囊发育的动态图谱和用于外胚层器官发育的广义模型，即基板 2D 同心区域外形成了 3D 纵向排列的圆柱形空间。并且表明基板细胞的命运取决于细胞的位置，而不是细胞分裂的方向。

本研究为进一步研究皮肤器官发生与信号和细胞区隔化的耦合机制，从而为干细胞及其生态位的出现提供了基础。