进一步地理解毛囊干细胞“从哪儿来、到哪儿去”

　　图源：《武林外传》吕秀才大战姬无命

　　在《武林外传》中曾经有一章节，吕秀才以三寸不烂之舌大战姬无命，通过本我与自我的辩论扰乱姬无命的思绪，导致姬无命自戕身亡，为同福客栈破除了一大危险。在一大长串的辩论中，吕秀才曾经提到了一个重要的科学问题：我生从何来，死往何处？而这正是发育生物学以及多学科希望揭开具体分子机制的和重大科学问题。能不能保住头发与发际线目前已成为大家关注的关键问题，而毛囊干细胞“生从何来”的问题还尚不清楚。

　　2021年6月9日，日本理化学研究所生物系统动力学研究中心Hironobu Fujiwara研究组发文题为Tracing the origin of hair follicle stem cells，对毛囊干细胞的来源进行了追溯。

　　组织干细胞通过器官特异性的形态发生事件产生于胚胎前体细胞。虽然组织干细胞是器官稳态和再生的核心，但目前还不清楚它们是如何在发育过程中被诱导产生的，主要因为缺乏专门标记特定干细胞的特异性标志物。为了解决这一问题，作者们希望建立一种不依赖于细胞标记物的长时期活体成像实验方式，并结合单细胞转录组的方式对小鼠毛囊干细胞的动态的细胞谱系进展进行揭示。大多数包括毛囊在内的外胚层附属物主要是由基板（Placode）形成。然而，目前尚不清楚未成熟基板细胞是如何发展成为成熟毛囊结构的以及包括干细胞在内的器官谱系多样化是如何在细胞和转录水平上协调的。

　　图1 对毛囊干细胞体外追踪以及发育全记录

　　为了对毛囊干细胞发育过程进行探究，作者们发展出了能够在体外进行长时期体外培养以活体成像的系统，可以在器官水平上对细胞谱系的发展进行全记录【3】（图1）。通过使用转基因小鼠H2B-eGFP胚胎腮须外植体的培养，作者们可以进行持续地成像并追踪毛发上皮细胞从毛基质阶段（Hair germ stage，E13.0）发育到球形毛钉阶段（Bulbous peg stage，E13.0+60h）的时期。同时，作者们对重建的3D细胞谱系进行分类和重新着色。作者们发现，在毛囊发育过程中，预期膨大毛囊干细胞位于毛囊上部，主要形成前膨大区室结构，但在形态发生过程中对其他基底区室结构没有太大的贡献。

　　进一步地，作者们为了从毛囊上皮细胞的鉴定出细胞谱系的来源以及早期的动态特征，作者们引入了KRT14-rtTA (K14-rtTA)； TetO-H2B-eGFP； Fucci-G1转基因小鼠进行长时期细胞追踪。总的来说，通过长时程的活体成像作者们发现：1）纵向对齐的毛囊细胞在三维空间到二维空间上的映射会形成同心圆的基底层基板结构；2）上皮细胞中只有基底层的细胞对于毛囊干细胞的形成具有贡献；3）成为未来膨大毛囊干细胞（Bulge stem cells）的细胞主要来自于基板周围的上皮基底细胞；4）三维的圆柱形区室来源于二维基板同心圆结构（图2）；5）未来的膨大毛囊干细胞形态发生过程中并不参与其他基底层区室的形成。

　　图2 细胞位置决定基板细胞命运

　　除了关于毛囊干细胞来源以及基板中细胞对于基底层不同区室的贡献程度，作者们希望对细胞分裂的方向、细胞所处的位置以及细胞命运的最终决定关系进行分析。作者们发现上皮细胞在基板中的命运取决于细胞在基板中的位置，而与细胞分裂的方向无关（图2）。

　　随后，为了进一步揭开毛囊干细胞发育过程中转录谱的变化，作者们不再使用体外培养的毛囊干细胞组织，而是改为使用更为体内的小鼠胚胎皮肤组织进行检测。作者们主要检测了E12.0、E13.0、E13.5、E14.0、E15.0以及E17.0时间点皮肤组织的RNA转录图谱。作者们采用的小鼠品系是能够表达光诱导颜色转化的荧光蛋白nKikGR（nuclear Kikume Green-Red)，这让可以使得作者们能够在显微镜下对目标毛囊干细胞进行特异性标记。另外，为了确保对这些毛囊干细胞进行特异性单细胞水平的转录本分析，作者们采用了RamDA-seq（Random displacement amplification sequencing）的测序方法。通过构建的测序文库，作者们通过转录谱分析共鉴定出962个上皮细胞群。作者们的scRNA-seq的数据库鉴定出了胡须毛囊发育过程中上皮细胞的多种类型，同时为这些细胞类型的发生发展赋予了准确的阶段和空间定位信息，这使得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。

　　图3 胚胎皮肤中毛囊干细胞谱系发育的不同细胞类型以及发生的时空动态分布特点

　　总的来说，作者们利用细胞标记物非依赖的长时程体外活体成像追踪的方式以及结合不同时间点小鼠胚胎皮肤毛囊干细胞的转录组分析，建立起了毛囊干细胞谱系发育过程中高分辨率、高敏感性的时空动态分布以及细胞命运的歧化过程，为进一步地理解毛囊干细胞“从哪儿来、到哪儿去”的问题提供了新颖的数据库，为保住大家的头发提供了新的见解。