Cell Discov︱张亮/汪思佳/李青峰团队合作发现人类毛发白化调控的新机制

撰文︱于   瑶

责编︱王思珍

制版︱查佳雪

“白发三千丈，缘愁似个长”。毛发白化（hair graying）是人类衰老最显著的特征之一。衰老相关的毛发白化通常是一个起始于中年的渐进性过程，与毛囊（hair follicle，HF）内黑色素细胞（melanocyte）和黑色素干细胞（melanocyte stem cell，MeSC）的减少相关[1]。小鼠研究显示该过程受控于氧化压力刺激和神经内分泌信号等因素[2, 3]。但人头皮毛囊的结构和功能均与小鼠毛囊存在明显差异，其细胞谱系结构与衰老特征尚不完全清楚。深入认识人类毛囊的细胞组成及衰老白化机制对防治人类毛囊的衰老和病变具有重要的临床意义。

2022年5月24日，中国科学院上海营养与健康研究所张亮研究组、汪思佳研究组、上海交通大学附属第九人民医院李青峰教授团队合作在Cell Discovery上发表了题为“Single-cell transcriptomics reveals lineage trajectory of human scalp hair follicle and informs mechanisms of hair graying”的研究。该研究通过单细胞转录组测序解析了人头皮毛囊的细胞群结构及其在衰老白化中的变化，发现P53通路介导的毛发前体细胞耗竭是毛囊衰老白化的重要早期特征和有效干预靶点，对开发防治毛囊衰老白化的新技术具有重要意义。

尽管黑色素细胞的减少是已知的造成毛发白化的重要因素，但是除了灰度的差异，黑白发的许多其他性质（例如生长速率和生物物理特性）也有很大不同[4]。这表明除了负责毛发着色的黑色素细胞之外，负责产生毛发的毛囊谱系的细胞也在其中发挥着重要作用。前期有多个研究团队利用单细胞转录组测序（scRNA-seq）对小鼠毛囊的稳态和再生过程中的毛囊谱系轨迹进行了解析[5, 6]。近期，有研究团队对于人类头皮样本进行了单细胞转录组测序[7]，但是由于该研究中的测序样本包含毛囊、表皮、真皮和其他组织等多种复杂组分，使得其中的毛囊细胞谱系未被细致解析。

为了得到详尽的人类毛囊细胞谱系轨迹图谱，本研究的作者们通过分散酶消化分离获得了6例高纯度的人类头皮毛囊单细胞样本并进行了单细胞转录组测序。6例样本包括来自18岁和59岁女性的2例黑发样本以及来自31岁和62岁女性的各1对黑、白发样本。对测序数据进行整合后，作者们得到了由13个细胞亚群（C0-C12）组成的人头皮毛囊UMAP图。根据已知的毛囊内不同组分的标记基因，作者们对UMAP的不同细胞亚群身份进行了注释并将所有细胞分为毛囊基质区（Matrix，Mx）和非基质区（no Matrix，noMx）两部分。有趣的是，作者们发现了一系列人类毛囊的崭新的结构特征。例如，人类毛囊中有一群与小鼠毛囊隆突内层（innerbulge）细胞类似的C0细胞群，并将其命名为“IBL”群。而人类毛囊干细胞（human hair follicle stem cell，hHFSC）可以被分为SC1和SC2两个亚群。通过拟时序分析，作者们发现SC1与SC2表现出了不同的分化轨迹，这体现出HFSC内部的异质性。并且，作者们意外地发现在KRT15⁺的hHFSC中存在一群KRT10⁺的细胞，而KRT10被认为是表皮分化的标记基因[8]。通过对人类头皮毛囊单细胞数据的细致解析，作者们勾勒了人类毛囊的细胞亚群图谱并揭示了其中不为人知的分子表达特征。

进而，作者们细致解析了hHFSC细胞群内部的异质性并根据基因的表达差异将其细分为4个干细胞亚群（S0-S3）。进行Wilcoxon秩和检验分析后作者们发现不同的HFSC亚群具有分化成毛囊不同部位的预设和潜能。将hHFSC不同细胞亚群的基因表达特征与小鼠HFSC进行比对后，作者们发现了hHFSC与小鼠截然不同的基因表达特征。包括SOX9、TCF3、NFATC1和LHX2等在内的多种小鼠HFSC标记基因[9, 10]均未在hHFSC中得到显著富集。通过免疫荧光染色也进一步证实了人类毛囊中的SOX9主要表达在毛囊下部而非hHFSC区域。有趣的是，作者们还在S1和S2中发现了VIM的表达，之前的研究认为VIM是间充质细胞EMT过程的标记基因而不会在皮肤上皮细胞中表达[11]。通过免疫荧光染色，作者们也清晰地观察到了毛囊上部的KRT15⁺与VIM⁺共表达的hHFSC细胞亚群。这表明EMT可能参与hHFSC的命运调控。

作者们同样对增殖细胞群进行了分析。毛干由毛囊Matrix内部具有高度增殖能力的过度扩展细胞（transient amplifying cell，TAC）分化形成。在将TAC细胞分为M0-M5 6个细胞亚群并进行拟时序分析后，作者们发现人类毛囊TAC细胞与小鼠类似，均具有很强的异质性和不同的分化潜能，不同TAC亚群具有毛囊不同部位的基因表达特征。

为了探究人类黑白发的形成机制，作者们对来自2个个体的黑白发毛囊样本进行分析。有趣的是，作者们发现除了预期的黑色素细胞减少之外，Matrix TAC细胞亚群的减少是白发毛囊中的主要细胞类型变化特征（图1a-d, g-i）。而hHFSC的数目在白化毛囊中甚至更高（图1a-d），这表明人类毛发白化的主要原因并不是hHFSC数目的减少。作者们进一步通过GSEA分析发现白化毛囊的TAC细胞和hHFSC细胞中均存在P53信号通路的激活（图1e-f）。免疫染色结果同样证实了在多例白化毛囊样本的Matrix中均存在P53信号通路下游基因P21的表达上调现象（图1k），这表明P53信号通路可能是影响人类毛发白化的重要因素。

图1 Matrix TAC细胞的减少是人类白化毛囊中的主要变化

（图源：Wu S et al.,Cell Discov, 2022）

进而，为了验证P53信号通路能否在调控毛发白化中发挥生物学功能，作者们利用研究组前期建立的局部辐照模型（localized irradiation，LIR）[12]诱导小鼠毛发白化并测试P53信号通路的小分子抑制剂干预效果（图2a）。在对小鼠背部局部涂抹P53信号通路抑制剂PFTα后，毛发白化现象被显著抑制（图2b-c）。免疫荧光染色结果同样证实PFTα涂抹能够使得辐照后的小鼠毛囊中存留更多的KIT⁺和DCT⁺黑色素细胞（图2d, f, g）。对辐照后涂抹PFTα和溶剂组的小鼠背部上皮组织进行转录组测序后发现，PFTα涂抹后的上皮基因表达模式更类似于人类黑发毛囊的基因表达模式（图2e），表明P53信号通路的小分子抑制剂能够显著改善辐照导致的毛发白化现象。

图2 P53抑制剂干扰能够改善辐照导致的小鼠毛发白化

（图源：Wu S et al., Cell Discov, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究基于单细胞转录组测序数据细致解析了人类头皮毛囊的谱系轨迹及人类毛发白化的潜在调控机制。通过系统的数据挖掘，鉴定出一系列全新的人类毛囊结构及基因表达特征。并且，通过比对人类头皮黑白发毛囊的差异，该研究发现了黑白发的主要结构差异及其中的潜在驱动因素--P53信号通路。利用小分子抑制剂干预实验，该研究证实了P53信号通路在调控毛发白化中的功能相关性。该研究拓宽了我们对于人类毛囊结构特征认知的局限性并且为人类皮肤及毛发相关疾病的防治带来了新的思考与启发。同时，该研究中发现的其他差异信号及基因的功能也有待更深入的探究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-022-00394-2

中国科学院上海营养与健康研究所为本研究的第一完成单位和通讯单位。张亮研究员、汪思佳研究员和李青峰教授为共同通讯作者。吴思杰、于瑶和刘蔡钺为本文共同第一作者。

张亮研究员

（照片提供自张亮课题组）

通讯作者简介（上下滑动阅读）  

张亮研究员在北京大学生命科学学院生物技术系获得学士学位，在美国科罗拉多大学博尔德分校分子细胞及发育生物学系获得博士学位，在美国洛克菲勒大学完成博士后训练，随后回国加入中国科学院上海营养与健康研究所任研究员/研究组长。课题组致力阐明皮肤干细胞的命运调控与衰老病变的分子机制，并以此为基础探索其在皮肤疾病创伤治疗/美容保健/组织工程中的应用。

课题组网站：http://www.sinh.cas.cn/rcdw/qtyjzz/201803/t20180327_4986727.html

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参考文献（上下滑动阅读）  

1. Nishimura, E.K., S.R. Granter, and D.E. Fisher, Mechanisms of hair graying: incomplete melanocyte stem cell maintenance in the niche. Science, 2005. 307(5710): p. 720-4.

2. Arck, P.C., et al., Towards a "free radical theory of graying": melanocyte apoptosis in the aging human hair follicle is an indicator of oxidative stress induced tissue damage. Faseb j, 2006. 20(9): p. 1567-9.

3. Zhang, B., et al., Hyperactivation of sympathetic nerves drives depletion of melanocyte stem cells. Nature, 2020. 577(7792): p. 676-681.

4. Van Neste, D. and D.J. Tobin, Hair cycle and hair pigmentation: dynamic interactions and changes associated with aging. Micron, 2004. 35(3): p. 193-200.

5. Yang, H., et al., Epithelial-Mesenchymal Micro-niches Govern Stem Cell Lineage Choices. Cell, 2017. 169(3): p. 483-496.e13.

6. Joost, S., et al., Single-Cell Transcriptomics Reveals that Differentiation and Spatial Signatures Shape Epidermal and Hair Follicle Heterogeneity. Cell Syst, 2016. 3(3): p. 221-237.e9.

7. Takahashi, R., et al., Defining Transcriptional Signatures of Human Hair Follicle Cell States. J Invest Dermatol, 2020. 140(4): p. 764-773.e4.

8. Kadaja, M., et al., SOX9: a stem cell transcriptional regulator of secreted niche signaling factors. Genes Dev, 2014. 28(4): p. 328-41.

9. Plikus, M.V., et al., Epithelial stem cells and implications for wound repair. Semin Cell Dev Biol, 2012. 23(9): p. 946-53.

10. Osorio, K.M., et al., Runx1 modulates developmental, but not injury-driven, hair follicle stem cell activation. Development, 2008. 135(6): p. 1059-68.

11. Mahrle, G., et al., Intermediate filaments of the vimentin and prekeratin type in human epidermis. J Invest Dermatol, 1983. 81(1): p. 46-8.

12. Yu, Y., et al., A stress-induced miR-31–CLOCK–ERK pathway is a key driver and therapeutic target for skin aging. Nature Aging, 2021. 1(9): p. 795-809.

本文完