https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/30-years-discovery-russia-promo.html?cid=PJT4417-WE42944-Biomolecula-Russia-30yearsinRussiaBanner-December
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Новые подробности из жизни волосяного фолликула

Новые подробности из жизни волосяного фолликула

  • 5646
  • 5,2
  • 1
  • 1
Добавить в избранное print
Обзор

Изучение механизмов роста волос — не только интересная биологическая проблема, но и актуальная задача для борьбы с облысением

Волосяной покров — отличительная черта млекопитающих, однако молекулярный механизм, лежащий в основе роста волос, остаётся мало изученным. Волосяной фолликул формируется эпителиальными стволовыми клетками под действием биохимических «стимулов» со стороны клеток волосяного сосочка (ВС-клеток), «населяющих» волосяную луковицу и управляющих процессами развития волоса. Недавнее исследование показало, что, будучи изъятыми из ткани и помещёнными на питательную среду, ВС-клетки теряют способность индуцировать образование фолликула. Оказалось, эту способность ВС-клеткам придают костные морфогенетические белки (в частности, КМБ-6), управляя экспрессией «профильных» генов в клетках волосяного сосочка.

Клетки волосяного сосочка — пункт управления ростом волос

Практически все клетки в организме человека идентичны с генетической точки зрения, а характерные черты строения и функциональные особенности они приобретают за счет различной активности генов, которая и приводит к специализации клеток — «настройке» их на выполнение конкретной работы в составе определенной ткани и органа. Исключение — конечно, только подтверждающее правило, — составляют высокоспециализированные клетки, которые в процессе развития вообще утрачивают ядро со всем генетическим материалом, а заодно и некоторые другие органеллы. К ним относятся некоторые клетки крови (эритроциты, тромбоциты), а также ороговевшие клетки кожи — корнеоциты.

«Жизненный цикл» клетки, как правило, ограничен строго заданным числом клеточных делений, а способностью к неограниченному делению в здоровой ткани обладают лишь стволовые клетки, являющиеся неспециализированными предшественниками плеяды клеток-«специалистов». (Впрочем, стволовые клетки тоже обладают определенной специализацией — например, из стволовых гемопоэтических клеток могут получаться только различные клетки крови, а «последователи» эндотелиальных полипотентных клеток образуют ткани, выстилающие полости внутренних органов.) Дифференциация стволовых клеток, как и процесс эмбрионального развития, находится под сложнейшим контролем биохимического «фона» тех тканей, в которых эти клетки развиваются. Этот «фон» составляют многочисленные факторы роста и дифференцировки, имеющие, главным образом, белковую природу.

Рост волос, являющихся неотъемлемой частью покровов тела млекопитающих, во многом обязанных своим теплокровием именно строению кожи и ее способностью к оволосению, также является следствием дифференцировки стволовых клеток — полипотентных клеток кожи. Волосяной фолликул — «корень» волоса — образуется из эпителиальных стволовых клеток, дифференцировкой которых «руководят» клетки волосяного сосочка (ВС-клетки, Dermal papilla cells), выделяя в межклеточную среду определенные морфогенетические факторы. Считается, что ВС-клетки управляют стадиями развития фолликула и, следовательно, ростом и обновлением волос. Однако этот механизм весьма запутан, — ведь работа ВС-клеток тоже подчиняется управляющим воздействиям со стороны других клеток! Недавняя работа, выполненная в Лаборатории дифференцировки клеток млекопитающих Медицинского института имени Ховарда Хьюза в США, проливает немного света на этот сложный процесс [1].

Выделенные из ткани, клетки волосяного сосочка теряют уникальные качества

Клетки волосяного сосочка — это воистину сигнальный центр, координирующий работу эпителиальных и мезенхимальных клеток различных типов. Уникальные свойства ВС-клеток определяются активностью генов и биохимическими факторами, которые ВС-клетки выделяют в среду, «командуя парадом» роста волос и дифференцировки клеток кожи. В 2005 году та же группа ученых определила «профиль активности» генов в ВС-клетках и их биохимический «портрет», ориентируясь, главным образом, на синтезируемые ими факторы роста [2]. (Аналогичные «профили» были получены и для ряда других клеток волосяного фолликула.) Для такой высокоиндивидуальной характеристики исследователи использовали оригинальную методику, основанную на проточной цитометрии, позволяющую разделять различные типы клеток, «протекающие» в потоке жидкости через оптический детектор. Ведь быть уверенным, что тот или иной фактор роста выделяется определенным типом клеток, можно только в случае работы с однородным образцом!

Выяснилось, что среди 184 генов, составляющих «генетический профиль» ВС-клеток, восемь являются рецепторами и восемь — факторами роста, специфичными только для этого типа клеток, и еще примерно столько же оказались общими для ВС-клеток и некоторых других клеток волосяного фолликула. Однако если выделенные клетки волосяного сосочка перенести на питательную среду, чтобы они образовали культуру (рис. 1), через какое-то время они теряют свои уникальные качества: из среды исчезают выделяемые ими факторы роста и, будучи «пересаженными» обратно в кожу, эти клетки уже не могут запустить образование волосяного фолликула. Это означает, что активность «профильных» генов регулируется какими-то веществами, выделяемыми другими клетками, образующими волосяную луковицу.

Костный морфогенетический белок определяет «портрет» ВС-клеток

Клетки волосяного сосочка теряют уникальные свойства

Рисунок 1. Клетки волосяного сосочка теряют уникальные свойства при переносе из своей «среды обитания» в культуру клеток. ВС-клетки выделяли из ткани с помощью методики, основанной на проточной цитометрии, и помещали на питательную среду, где они формировали культуру. Поочередно обрабатывая культуру факторами роста, характерными для тканевой «ниши» ВС-клеток, ученые выявили способность семейства костных морфогенетических белков (КМБ) поддерживать способность клеток волосяного сосочка индуцировать рост волос.
Источником ВС-клеток были волосяные луковицы трансгенной линии лабораторных мышей K14-H2B-GFP/Lef1-RFP, экспрессирующих зеленый и красный флуоресцентные белки (для определения активности клеток волосяного сосочка при индукции образования волосяного фолликула регистрировали флуоресценцию этих белков).
Обозначения: ДФ — дермальные фибробласты; Мц — меланоциты; ПМ — дифференцирующиеся клетки-предшественники тканевого матрикса; ВЭС — клетки внешнего эпителиального слоя волосяной луковицы; ВС — клетки волосяного сосочка.

Белком, во многом определяющим биохимический «портрет» клеток волосяного сосочка, оказался один из членов семейства костных морфогенетических белков (КМБ или BMP, “Bone morphogenic protein”) — цитокинов, главной функцией которых является регулировка развития костной и хрящевой ткани. Как выяснилось, кроме участия в формировании опорно-двигательной системы, эти белки играют роль в управлении дифференцировкой и пролиферацией эпителиальных стволовых клеток — как во взрослом организме, так и в эмбриогенезе.

Роль костного морфогенетического белка 6 (КМБ-6) была установлена в результате экспериментального сканирования активности 23 соединений, в норме присутствующих в тканевой «нише» волосяного фолликула (рис. 1). В качестве отличительной черты биохимического «портрета» ВС-клеток выбрали активность щелочной фосфатазы, которая сохранялась длительное время только под действием костных морфогенетических белков, но не любого другого из 23 протестированных. Аналогично КМБ-6 восстанавливает активность ряда других генов, также специфичных для ВС-клеток и прекращающих работать при переносе в культуру, в которой отсутствует направляющее воздействие, имеющееся в ткани.

Тонкость регуляции активности генов заставляет удивляться: при обработке костным морфогенетическим белком других клеток (например, дермальных фибробластов или остеобластов), также содержащих активную щелочную фосфатазу и другие «характерные» для ВС-клеток белки, активность этих генов практически не изменяется! Зато КМБ-6 в этих клетках «чувствуют» другие гены, не меняющие активности в ВС-клетках под действием этого фактора роста.

КМБ возвращает ВС-клеткам способность управлять ростом волос

Поддержание активности «профильных» генов в культуре — это, конечно, очень интересный результат. Однако насколько интереснее было бы проверить, действительно ли ВС-клетки, обработанные фактором дифференцировки КМБ-6, могут индуцировать образование волосяного фолликула — и, в конечном счете, запустить рост волос!

Проверку этого предположения проводили способом, от которого у защитников прав животных, наверное, зашевелились бы волосы. Суспензию, приготовленную из фрагмента кожи трансгенной мыши, кератиноциты которой производили зеленый флуоресцентный белок, «сдобренный» ВС-клетками другой мыши, переносили в вырезанные углубления на спине третьей мыши — абсолютно «голой» (безволосой) по причине генетической мутации. «Голая» мышь была выбрана по нескольким причинам. Во-первых, у нее нет волосяного покрова. А во-вторых, её отличает слабый иммунитет, из-за чего она практически не отторгает пересаженные ей органы и ткани. («Голая» мышь — распространенная лабораторная линия (nude), на которой исследуют рак, заболевания иммунитета и др.) Флуоресцентный белок в кератиноцитах, окрашивающий их изумрудным цветом под объективом флуоресцентного микроскопа, понадобился в данном случае, чтобы наблюдать за эффективностью «трансплантации» и за процессами, связанными с образованием волосяных фолликулов.

В случае если рану на спине «голой» мыши заполняли одними только кератиноцитами, она затягивалась, но роста волос не наблюдалось. Если к кератиноцитам добавляли клетки волосяного сосочка из культуры, на заросшей ранке начинали расти редкие волосы. Наконец, максимальный эффект с ростом густых волос достигался, если культуру ВС-клеток обрабатывали фактором роста КМБ-6, в полной мере сохранявшим способность клеток к индукции образования волосяного фолликула (рис. 2).

Обработка культуры клеток волосяного сосочка

Рисунок 2. Обработка культуры клеток волосяного сосочка костным морфогенетическим белком усиливает их способность индуцировать рост волос. Кератиноциты (Кц), полученные из кожи трансгенных мышей и синтезирующие зеленый флуоресцентный белок (GFP), «пересаживали» на спину «голым» мышам. Кератиноциты сами по себе приводили только к заживлению ранки (слева), а при добавлении к ним клеток волосяного сосочка наблюдался рост волос. ВС-клетки, взятые из культуры, постепенно теряют способность индуцировать образование волосяных фолликулов (в центре), однако при обработке культуры морфогеном КМБ-6 это свойство не только сохраняется, но и заметно усиливается (справа).
Две верхние строчки — обычная фотография; 3 строка — фото флуоресцентного свечения, вызванного белком GFP, содержащемся в пересаженных кератиноцитах.

Но и на этом фантазия ученых не исчерпалась. Чтобы установить роль костного морфогенетического белка в росте волос еще более надежно, они получили мутантную линию мышей, в которых был удален ген рецептора Bmpr1, отвечающего за способность реагировать на КМБ-6. Вследствие потери рецептора ВС-клетки переставали «чувствовать» КМБ-6 и теряли способность индуцировать рост волос — что также было подтверждено в хитроумном трансплантационном эксперименте (рис. 3). Утрата рецептора, конечно, изменяла биохимический «портрет» клеток — синтез практически всех характерных белков останавливался — за исключением... самого КМБ-6, ген которого начинал экспрессироваться намного сильнее. Этот факт, скорее всего, свидетельствует о наличии отрицательной обратной связи в биохимии этого цитокина. А кроме того, это подтверждает, что роль КМБ-6 заключается не в прямой инициации роста волос, а в том, чтобы «подтолкнуть» ВС-клетки к запуску «строительства» — дифференцировке эпителиальных стволовых клеток с целью образования нового волосяного фолликула.

Направленная дезактивация рецепторов костного морфогенетического белка

Рисунок 3. Направленная дезактивация рецепторов костного морфогенетического белка в клетках волосяного сосочка нарушает их способность индуцировать рост волос. Тонкие поперечные срезы кожи мышей в области, где была произведена «пересадка» кератиноцитов с ВС-клетками, иллюстрируют гистологические подробности роста волос. На «контрольных» срезах (слева) отчетливо видны волосяные фолликулы, характерные для кожи с нормальным оволосением. Для случая с «выключенными» рецепторами Bmpr1 в ВС-клетках (справа) видно, что образования фолликулов либо вообще не происходит, либо они развиваются очень слабо (отмечено стрелками).
«Нокаутные» ВС-клетки получали из специальной трансгенной линии мышей, ген Bmpr1 в которых «выключался» под действием гидрокситамоксифена, и уже через несколько дней после обработки культуры этим веществом рецептор полностью исчезал из ВС-клеток (а, следовательно, пропадала и чувствительность к КМБ-6). А — окраска гематоксилином/эозином. Б — фотографии под флуоресцентным микроскопом.

Объединив выводы, полученные в различных экспериментах, ученые смогли точно установить, что «чувствительность» ВС-клеток к морфогену КМБ-6 является необходимой для способности «дирижировать» процессом формирования волосяного фолликула и, значит, определять рост волос.

«То, что мы открыли, по-настоящему интересно, — говорит Майкл Рендл (Michael Rendl), первый автор публикации в Genes & Development [1], ученый из лаборатории Элейн Фукс (Elaine Fuchs), где проводилась работа. — Такое ощущение, что разные метаболические пути, комбинируясь между собой, регулируют работу разных наборов генов, придавая каждой клетке в составе волосяного фолликула неповторимые, свойственные только ей качества!»

Фукс добавляет к словам своего сотрудника: «Сложная схема с использованием КМБ-6, используемая клетками для обмена информацией и командами друг с другом, может оказаться частью молекулярного механизма, управляющего циклом развития волосяного фолликула. Если это и правда так, то мы оказались на один шаг ближе к пониманию секрета роста волос» [3].

Радикальный лосьон для роста волос?

Конечно, сейчас еще очень рано говорить о новом средстве против облысения — ведь пока результаты, полученные в исследовательских лабораториях, дойдут до стадии воплощения в медицинских препаратах, и пока эти препараты доберутся до рынка, пройдет не один год. Однако, скорее всего, настанет такой момент, когда с облысением будут бороться не с помощью пересадки собственных волосяных фолликулов с мест, где они содержатся в избытке, на облысевший участок головы, а с помощью какого-нибудь искусственно созданного фактора роста. Главное, чтобы после этого вместе с волосами не выросли и роговые пластины — так что лучше пока не торопиться!

Первоначально статья опубликована в журнале «Косметика и медицина» № 2 за 2008 г. [4].

Литература

  1. M. Rendl, L. Polak, E. Fuchs. (2008). BMP signaling in dermal papilla cells is required for their hair follicle-inductive properties. Genes & Development. 22, 543-557;
  2. Michael Rendl, Lisa Lewis, Elaine Fuchs. (2005). Molecular Dissection of Mesenchymal–Epithelial Interactions in the Hair Follicle. PLoS Biol. 3, e331;
  3. Protein maintains cross talk between cells that control hair growth. (2008). ScienceDaily;
  4. Чугунов А. (2008). «Растишка» для волос, или новые подробности из жизни волосяного фолликула. «Косметика и медицина». 2, 16–19.

Комментарии