進一步地理解毛囊干細胞“從哪兒來、到哪兒去”

　　圖源：《武林外傳》呂秀才大戰姬無命

　　在《武林外傳》中曾經有一章節，呂秀才以三寸不爛之舌大戰姬無命，通過本我與自我的辯論擾亂姬無命的思緒，導致姬無命自戕身亡，為同福客棧破除了一大危險。在一大長串的辯論中，呂秀才曾經提到了一個重要的科學問題：我生從何來，死往何處？而這正是發育生物學以及多學科希望揭開具體分子機制的和重大科學問題。能不能保住頭發與發際線目前已成為大家關注的關鍵問題，而毛囊干細胞“生從何來”的問題還尚不清楚。

　　2021年6月9日，日本理化學研究所生物系統動力學研究中心Hironobu Fujiwara研究組發文題為Tracing the origin of hair follicle stem cells，對毛囊干細胞的來源進行了追溯。

　　組織干細胞通過器官特異性的形態發生事件產生于胚胎前體細胞。雖然組織干細胞是器官穩態和再生的核心，但目前還不清楚它們是如何在發育過程中被誘導產生的，主要因為缺乏專門標記特定干細胞的特異性標志物。為了解決這一問題，作者們希望建立一種不依賴于細胞標記物的長時期活體成像實驗方式，并結合單細胞轉錄組的方式對小鼠毛囊干細胞的動態的細胞譜系進展進行揭示。大多數包括毛囊在內的外胚層附屬物主要是由基板（Placode）形成。然而，目前尚不清楚未成熟基板細胞是如何發展成為成熟毛囊結構的以及包括干細胞在內的器官譜系多樣化是如何在細胞和轉錄水平上協調的。

　　圖1 對毛囊干細胞體外追蹤以及發育全記錄

　　為了對毛囊干細胞發育過程進行探究，作者們發展出了能夠在體外進行長時期體外培養以活體成像的系統，可以在器官水平上對細胞譜系的發展進行全記錄【3】（圖1）。通過使用轉基因小鼠H2B-eGFP胚胎腮須外植體的培養，作者們可以進行持續地成像并追蹤毛發上皮細胞從毛基質階段（Hair germ stage，E13.0）發育到球形毛釘階段（Bulbous peg stage，E13.0+60h）的時期。同時，作者們對重建的3D細胞譜系進行分類和重新著色。作者們發現，在毛囊發育過程中，預期膨大毛囊干細胞位于毛囊上部，主要形成前膨大區室結構，但在形態發生過程中對其他基底區室結構沒有太大的貢獻。

　　進一步地，作者們為了從毛囊上皮細胞的鑒定出細胞譜系的來源以及早期的動態特征，作者們引入了KRT14-rtTA (K14-rtTA)； TetO-H2B-eGFP； Fucci-G1轉基因小鼠進行長時期細胞追蹤。總的來說，通過長時程的活體成像作者們發現：1）縱向對齊的毛囊細胞在三維空間到二維空間上的映射會形成同心圓的基底層基板結構；2）上皮細胞中只有基底層的細胞對于毛囊干細胞的形成具有貢獻；3）成為未來膨大毛囊干細胞（Bulge stem cells）的細胞主要來自于基板周圍的上皮基底細胞；4）三維的圓柱形區室來源于二維基板同心圓結構（圖2）；5）未來的膨大毛囊干細胞形態發生過程中并不參與其他基底層區室的形成。

　　圖2 細胞位置決定基板細胞命運

　　除了關于毛囊干細胞來源以及基板中細胞對于基底層不同區室的貢獻程度，作者們希望對細胞分裂的方向、細胞所處的位置以及細胞命運的最終決定關系進行分析。作者們發現上皮細胞在基板中的命運取決于細胞在基板中的位置，而與細胞分裂的方向無關（圖2）。

　　隨后，為了進一步揭開毛囊干細胞發育過程中轉錄譜的變化，作者們不再使用體外培養的毛囊干細胞組織，而是改為使用更為體內的小鼠胚胎皮膚組織進行檢測。作者們主要檢測了E12.0、E13.0、E13.5、E14.0、E15.0以及E17.0時間點皮膚組織的RNA轉錄圖譜。作者們采用的小鼠品系是能夠表達光誘導顏色轉化的熒光蛋白nKikGR（nuclear Kikume Green-Red)，這讓可以使得作者們能夠在顯微鏡下對目標毛囊干細胞進行特異性標記。另外，為了確保對這些毛囊干細胞進行特異性單細胞水平的轉錄本分析，作者們采用了RamDA-seq（Random displacement amplification sequencing）的測序方法。通過構建的測序文庫，作者們通過轉錄譜分析共鑒定出962個上皮細胞群。作者們的scRNA-seq的數據庫鑒定出了胡須毛囊發育過程中上皮細胞的多種類型，同時為這些細胞類型的發生發展賦予了準確的階段和空間定位信息，這使得這些庫適合描述毛囊形態發生過程中細胞狀態轉變的時空動態。

　　圖3 胚胎皮膚中毛囊干細胞譜系發育的不同細胞類型以及發生的時空動態分布特點

　　總的來說，作者們利用細胞標記物非依賴的長時程體外活體成像追蹤的方式以及結合不同時間點小鼠胚胎皮膚毛囊干細胞的轉錄組分析，建立起了毛囊干細胞譜系發育過程中高分辨率、高敏感性的時空動態分布以及細胞命運的歧化過程，為進一步地理解毛囊干細胞“從哪兒來、到哪兒去”的問題提供了新穎的數據庫，為保住大家的頭發提供了新的見解。