18101298214
  1. 首页
  2. 实验手册

揭示皮肤类器官自组装与毛囊新生的机制

发布日期：2023/9/13 14:13:00
据不完全统计，我国烧烫伤及脱发患者的人数超过2.6亿。如何促进皮肤及毛囊再生，为皮肤创伤和脱发患者提供新的治疗方式，是当前亟待解决的重要难题。类器官模拟不同器官和早期胚胎的形态发生过程，被广泛应用于发育和再生研究。近年来，鼠源和人源皮肤类器官被相继制作[1,2]，但类器官自组装的驱动因素和细胞动力学变化机制尚不明晰。该研究通过解析皮肤类器官的自组装过程，揭示了力学-化学信号驱动细胞形态发生单位(morphogenesis competence units, CMU)在体外的发育机制，并发现多个CMU联合形成皮肤对毛囊新生至关重要。作者发现，CMU联合过程中，基底细胞的硬度增加可以激活Yap1的表达，进一步诱导Wnt10a/MMPs分解基底膜，从而增加组织的流动性，来完成CMU的联合。这个过程力学-化学通路由不同的信号驱动器、分子传感器、执行器和调节器组成。这项研究揭示了驱动类器官自组织的基本原理，为理解和应用类器官在理论和实践上提供了重要的基础，也为皮肤和毛囊发育再生开拓了新的方向[4]。
 
 
为了在细胞层面观察CMU在类器官发育过程中的动力学变化，作者成功构建了双光子激光共聚焦延时摄影平台（图1A-B）。通过对类器官发育阶段进行连续观察，作者总结出了类器官发育过程中的的4个阶段（图1 C），即单独的CMU从极化期联合在一起形成合并的CMU的一系列过程。作者发现CMU合并的初始阶段，预合并部位的基底层表皮细胞突破基底膜，此后两个分离的CMU相互连接并形成平面皮肤。那么，这一简单的细胞行为背后的机制什么样的呢？作者开展了一系列研究来回答这个问题。
 
图1. 多个CMU合并过程中的细胞流动性的变化
（图源：Mingxing Lei, et al., PNAS, 2023）
 
首先，作者通过调整真皮细胞和表皮细胞的比例来观察CMU形态发生的变化。结果发现，表皮/真皮细胞比例达到1:30时，CMU联合加速，然而将其移植于裸鼠的背部后，毛发再生效率却显著下降（图2），作者认为过快的联合过程使得CMU丢失部分了促进毛发再生的因素。同样的，成年小鼠的皮肤类器官CMU的联合过程是延迟的，这也影响了移植后毛发再生的效率，因此作者得出结论：加速或延迟完成CMU联合都将干扰其发育成具备完整功能的类器官的能力。
 
图2. CMU联合紊乱影响类器官移植后毛发再生效率
（图源：Mingxing Lei, et al., PNAS, 2023）
 
为了揭示CMU自组装行为背后的分子学机制，作者对不同培养时间点的类器官样本（D2, D4）进行了单细胞测序。结果发现Mmp家族基因（Mmp9, Mmp13, Mmp14）在表皮基底细胞中显著增强（图3A）。考虑到Mmp对细胞外基质的降解作用，作者假设这可能是打开CMU发育之门的“钥匙”，通过免疫荧光染色发现，Mmp在两个CMU之间联合的部位特异性高表达。进一步作者抑制了Mmp的蛋白功能后发现CMU不会进行联合，类器官发育会进入停滞状态（图3B），因此，作者推断Mmp的局部激活是皮肤类器官发育必须的条件。
 
图3. Mmp参与CMU联合的起始阶段
（图源：Mingxing Lei, et al., PNAS, 2023）
 
通过多组学数据分析，作者进一步证实了Mmp受到Wnt10a的调控（图4A）。由于整个培养体系中并未外源性加入任何化学诱导因素，因此Wnt-Mmp的激活应该是自发被激活的，这是一种内内源性的调控模式。通过对CMU的基质硬度进行检测，作者发现CMU部位的力学硬度更高（图4B），物理层面力学硬度的变化激活了力敏感因子Yap1，Yap1的入核表达诱导Wnt/MMP的产生，进而驱动了CMU的联合过程。
 
图4. 力学硬度激活Yap驱动CMU联合
（图源：Mingxing Lei, et al., PNAS, 2023）
 
同时，Yap作为驱动皮肤类器官联合的核心因素，如果持续被激活的话，整个皮肤类器官的构型均会被打破，这不利于皮肤类器官组装的平衡。有趣的是，Notch信号的过度激活促进表皮分化，抑制基底细胞的干性。在这里，Notch在合并过程之前控制了YAP1的激活（图5A）。此外，作者也发现真皮细胞中的ROCK进一步促进了CMU细胞的有序联合（图5B）。因此，当环境达到最佳条件时，CMU的自组装过程也达到了最佳状态。
 
图5. 基底层的Notch信号可以调节表皮细胞中YAP1的激活
（图源：Mingxing Lei, et al., PNAS, 2023）
 
文章结论与讨论，启发与展望
这项研究对皮肤器官的自组装过程进行了深入分析，揭示了由一系列力学-化学事件引起的组织形态的改变，并影响毛囊再生的机制。这些形态发生过程在胚胎发育中并不存在，并且与体内皮肤发育的过程不同。这种自组装途径可能为解离后期皮肤前体细胞寻找重塑形态潜能领域提供了一种有效的选择途径。因此，这项工作为研究皮肤器官及其它器官的形态发生提供借鉴作用。自组装原则的发现也提供了许多增强或改造器官样品以供未来应用的可能性。
上一篇：阐明RUNDC1调控自噬融合及限速机制 下一篇：揭示新冠感染20个月后的后遗症特征，并提出针对性干预建议
已经到最底了
订购指南
服务支持
新闻资讯
关于我们
微信扫一扫