日本理化學研究所生命機能科學研究中心器官誘導研究團隊的負責人辻孝、高級研究員武尾真和客座研究員小川美帆等人組成的研究團隊宣佈，從毛髮形態形成模式中發現了一種新的生物的節拍。研究人員透過特殊的毛髮形態形成模式解析了新的生物的節拍機制，從而闡明瞭毛囊獨特性節律是透過毛髮產生器官毛囊的毛乳頭細胞生成的微載體（microniche）（幹細胞在活體內爲保持其特性所需的微環境）和毛母質細胞經時間和空間上的變化而產生的。該研究成果已發表在8月4日的國際期刊《Nature Communications》上。
圖1 左圖爲小鼠毛球部的螢光顯微鏡影像，右圖爲毛母質細胞（紅色）和毛乳頭微載體（藍色）的影像 （供圖：理化學研究所）
生物的節拍在幾乎所有生命現象中都發揮着重要作用，因此，生物的節拍一旦混亂則會影響生理現象和身體活動。
哺乳動物的毛髮產生於毛囊根部的毛球部。毛囊在生物的一生中會經歷週期性的反復萎縮和再生，毛髮也會隨着這個週期進行更替。小鼠的體毛有數種形態上可識別的類型，其中佔70%的鋸齒形毛髮總是在特定位置呈現出往左右三次彎曲（拐彎）的模式。
研究團隊以鋸齒形毛髮爲模式，特別是把拐點形成程序作爲模式，明確了出生後形態形成的生物的節拍的維持機制。
鋸齒形毛髮拐點形成的時間在年輕的成年小鼠中幾乎是恆定的，但在老年小鼠中卻各不相同。研究發現，週期約三天的生物的節拍會形成拐點，而這種節律會因老化而紊亂。
圖2 小鼠鋸齒形毛髮的形態分析（供圖：理化學研究所）
爲了闡明拐點形成的細胞結構，研究人員分析了第二拐點形成期毛球部的毛乳頭細胞和與毛乳頭細胞相輔作用的毛母質細胞的細胞動力學。從而發現，毛乳頭細胞由C1至C4四個不同的細胞羣（簇）組成，分別形成不同的被稱爲微載體的微環境。
分析結果表明，在爲期三天的拐點形成程序中，以一天一次爲週期，在毛乳頭同一側的毛母質細胞中不對稱地形成了一個增殖受阻區，在三天拐點形成程序中的第1天和第2天，這個增殖受阻區只面對毛乳頭微載體的C2簇，而在拐點形成的第3天，它轉變爲同時接觸C2和C3簇。
此外研究人員還發現，與C2和C3簇接觸形成的毛母質的增殖受阻區會伴隨着毛乾的成長而移動到毛囊上部並擴大，從而擠製毛幹，形成拐點。這些結果提供了細胞動力學參與生物的節拍形成的新概念。
爲了闡明拐點形成的分子構成，研究分析了拐點形成程序中毛球部基因表現的變化，發現參與調節細胞行為和多器官上皮-間葉相輔作用的成長因子（分泌因子）——多效成長因子（pleiotrophin，Ptn）基因和參與多種生物程序的轉錄因子——ALF轉錄延伸因子3基因（Aff3），在拐點形成程序中的表達水平顯著增加。
研究還發現，在拐點形成期的第2天和第3天，Ptn在毛母質細胞的增殖受阻區表達，而Aff3則在毛乳頭微載體C3中中強烈表達。
爲了研究Ptn和Aff3在拐點形成程序中的功能，用人爲抑制或人爲過度表達這兩種基因的細胞重組毛囊（再生毛囊原基）來研究它們對鋸齒形毛髮拐點的影響。
結果顯示，Ptn參與每天一次的毛母質細胞增殖受阻區的形成，而Aff3調節每三天一次的微載體切換，它們透過這種方式維持拐點形成的適當節奏。
一般認爲，老化現象是由於生物的節拍的紊亂導致形態形成模式的有序性降低而導致，而人類老化程序中頭髮質量的變化是由於生物的節拍的轉變。此次研究展現了對老齡化醫學研究的貢獻，以及爲改善髮質的新方法提供可能性。
研究團隊負責人辻認爲：「頭髮原本是上皮細胞的集合體經過纖維化形成的毛幹，因此我們原以爲如果解開毛母質細胞分裂的機制，或者透過仔細觀察發出增殖指令的毛乳頭細胞，就可以揭開真相，但事實證明這非常困難。此次經過擅長研究細胞運動的研究人員和技術人員的努力，得以從細胞運動中解開這種節律和形態的形成。此次研究成果展示了從生物學角度早期改善髮質和老化的可能性」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Cyclical dermal micro-niche switching governs the morphological infradian rhythm of mouse zigzag hair
DOI：10.1038/s41467-023-39605-z
