引言
機體組織記憶體在幹細胞以實作組織穩态和損傷修複。在成年人中，組織内每天因磨損而損失的500-700億個細胞通過譜系限制的駐留性幹細胞得到補充【1】。正常情況下，駐留性幹細胞定居在組織獨特的生态位中，通過複雜的微環境維持自我更新和向特定細胞的定向分化。研究發現，組織結構損傷會破壞這種幹細胞的局部微環境，導緻穩态失衡。在這個過程中，幹細胞會發生一種名為譜系可塑性（lineage plasticity）的改變，并向組織損傷部位遷移，增殖分化為其他譜系細胞【2】。譜系可塑性是一種典型的損傷誘導應激反應，賦予幹細胞命運選擇的靈活性，其特征是同時表達新譜系和舊譜系細胞的經典轉錄因子【2】。損傷組織修複完畢後，幹細胞會退出可塑性狀态，重新定居于生态位中重塑穩态。這種退出過程一旦發生紊亂會導緻慢性損傷狀态或癌變（Science | 前列腺癌譜系可塑性依賴于JAK/STAT發炎信号通路）。然而，譜系可塑性狀态如何退出目前仍然不清楚。
幹細胞譜系可塑性研究多在皮膚損傷、移植和惡性良性腫瘤等領域。作為一個較為理想模型，皮膚記憶體在兩種成體幹細胞，位于毛囊突起的毛囊幹細胞（hair follicle stem cells，HFSCs）和表皮基底層的表皮幹細胞（epidermal stem cells，EpSCs）【3, 4】。在不同損傷深度下，不同程度的HFSCs和EpSCs會遷移出生态位，進入譜系可塑性狀态，修複損傷組織。皮膚幹細胞譜系可塑性的典型特征是同時表達HFSCs的轉錄因子Sox9和EpSCs的轉錄因子Klf5【3】。有意思的是，離體分離的HFSCs在富血清和營養因子培養下，會模拟類似的譜系可塑性狀态，表現為Sox9和Klf5的共表達，以及廣泛的譜系可塑性相關染色質重塑【5】。這種現象背後的影響因素和機制仍不清楚。
近來，美國洛克菲勒大學霍華德休斯醫學研究所的Elaine Fuchs研究團隊在Science雜志線上發表題為Vitamin A resolves lineage plasticity to orchestrate stem cell lineage choices的研究文章。該研究以小鼠皮膚損傷為模型，發現未退出譜系可塑性的皮膚幹細胞不能有效促進毛發再生和皮膚修複，并首次鑒定維生素A作為毛囊幹細胞生态位的關鍵活性物質調節毛囊幹細胞的譜系選擇。
團隊首先建構Klf5-EGFP-NLS的HFSCs細胞，該細胞在富血清條件下表達Klf5，血清撤掉後Klf5表達降低。通過此細胞體外模型，作者篩選3種小分子可以顯著降低Klf5水準，包括ERK抑制劑（ERKi）、蛋白酶C抑制劑（PKCi）和全反式維甲酸（atRA）。鑒于ERKi在正常毛發周期中的作用，作者關注PKCi和atRA。雖然atRA在降低Klf5水準上不如PKCi，但其能顯著促進Sox9表達，兩者同時處理更能促進譜系可塑性狀态退出并支援HFSCs身份。scRNA-seq在單細胞轉錄組上進一步支援上述發現。總之，這些資料表明atRA和PKCi在脫離譜系可塑性狀态而維持HFSCs身份的作用。
随後，作者在HFSCs中轉染視黃酸反應原件（retinoic acid response element，RARE）-RFP腺病毒，可以在視黃酸（retinoic acid，RA）存在下與視黃酸受體（retinoic acid receptor，RAR）-維甲酸X受體（retinoid X receptor，RXR）結合促進RFP表達而監測視黃酸代謝活性。atRA、視黃醇或維生素A都可以激活上述細胞的RFP表達，表明HFSCs可以代謝視黃醇為 atRA以及具有atRA受體。在體内RARE-RFP腺病毒轉染後同樣監測到皮膚損傷時RFP活性降低而譜系可塑性狀态誘導；損傷2周後RFP活性恢複而SOX9+KLF5+細胞數量降低，表明atRA與譜系可塑性在損傷修複中的負相關。使用Sox9CreER;Rxra-fl/fl小鼠在HFSCs中敲除RXRa時，小鼠皮膚在沒有損傷時HFSCs也表現出譜系可塑性表型，充分說明atRA信号抑制譜系可塑性以及維持HFSCs身份。随後，團隊分離WT和RXR敲除小鼠的HFSCs并給予譜系可塑性誘導（FBS）和譜系可塑性消除（atRA+PKCi）後行ATAC-seq分析，結果的确說明atRA在染色質水準上消除譜系可塑性狀态并促進HFSCs身份。
盡管atRA對于譜系可塑性狀态的退出是至關重要的，但其并足以完全複制HFSCs體内特征。團隊進一步研究atRA如何與已知的調控HFSCs的信号通路發揮功能。BMPs由HFSCs生态位的内突出層産生并維持HFSCs靜息狀态。雖然atRA允許HFSCs增殖，但低劑量atRA（10 nM）+BMPs卻引發細胞周期退出并表現出靜息特征，表明atRA建立必要的染色質基礎并與BMPs協同促進靜息并維持幹性。相反，在新的生發周期中，HFSCs在BMP抑制劑和WNT激活調控下從靜息态轉變為激活态。激活的HFSCs産生SOX9+TCF3/4+和LEF1+TCF1+兩種幹細胞群體。有意思的是，R-spondins（WNT激動劑）與atRA結合也能促進HFSCs由靜息向激活轉換，但所需atRA最優濃度要比維持靜息的atRA最優濃度高10倍，提示atRA的相對濃度決定HFSCs維持靜息（低水準）或激活（高水準）狀态。随後，作者使用atRA介導的表皮抑制和譜系可塑性退出特性建立培養平台研究不同信号對HFSC的分化影響。結果顯示HFSCs的譜系可塑性退出狀态是接受毛囊微環境多種信号協調發育分化的先決條件。
最後，作者使用Sox9CreER;Rxra-fl/fl小鼠以及皮膚Cyp26b1（atRA降解酶）轉染實驗均證明在皮膚損傷時，atRA代謝缺陷的HFSCs更容易進入損傷皮膚上皮；然而，此時毛發的生長卻受限，表明皮膚損傷後恢複atRA活性對于譜系可塑性退出以及毛發生長是必要的。與此同時，為了進一步貼近臨床，作者也在維生素A飲食缺陷的小鼠中發現皮膚損傷時更多HFSCs進入譜系可塑性，但此過程可以被皮膚atRA塗抹補充抑制。盡管皮膚損傷時atRA代謝缺陷促進HFSCs向上皮募集并向表皮轉化參與修複，但沖突的是，實際皮膚屏障的恢複卻仍舊延遲，表明皮膚可塑性退出同時也是皮膚修複的基礎。
綜上所述，這項研究不僅指出幹細胞譜系可塑性的退出是組織穩态維持的重要因素，也證明維生素A代謝作為幹細胞譜系選擇的關鍵作用，對毛發生長、損傷修複和惡性良性腫瘤等有治療意義。
模式圖（Credit: Science）
參考文獻
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責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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