撰文 | Victoria
在過去的幾年，發育學研究的重點已經從胚胎髮育轉向了對成體組織穩態（tissue homeostasis） 的機制研究，並取得了很大進展，其中很大程度上依賴於細胞譜系追蹤（Lineage-tracing）和clonal analysis等技術的發展。但是迄今為止，對於個體從出生到成年這個過程中的發育學機制很少為人知，新興的細胞譜系追蹤技術在這些領域同樣可以發揮其獨特優勢。
皮膚是保護動物免受外界環境傷害的第一道屏障，由於其組織解剖結構及細胞生物學表徵明確等特點，可以用作此項研究的良好工具。表皮由毛囊（hair follicles, HFs）及其周圍的毛囊間表皮（interfollicular epidermis, IFE）組成。而IFE則由一層表達K14/K15的基底細胞（basal cell，BC）和表達K1/K10多層終端分化的上基底細胞層構成。小鼠尾部表皮由兩個不同的區域交互組成：scale 和interscale（鱗片和鱗片間區域）。關於這兩個區域在成年個體中的發育學研究已經非常完善，但是對其在從出生後直至性成熟的發育過程還知之甚少。
2020年4月6日，來自布魯塞爾自由大學的Cédric Blanpain團隊在Cell雜誌上發表題為Defining the Design Principles of Skin Epidermis Postnatal Growth的研究論文，他們以小鼠尾巴和腳掌的皮膚作為研究對象，對其從出生到成年這個過程中的現象及機制做了全新的解讀。此前，Cédric Blanpain教授曾因證實癌症幹細胞的存在而入選了2012年Nature年度十大人物。他利用遺傳細胞標記技術追蹤了小鼠的乳頭瘤（一種皮膚癌的前兆）的增殖情況，指出大部分的腫瘤生長來自於類似保持皮膚健康的幹細胞【1】。
在這篇論文中，作者發現：
1）出生後的發育過程中表皮呈線性生長；
2）自我更新和增殖減少的持續失衡導致IFE增長；
3）發育前體細胞中有較高的分子同質性；
4）細胞分裂的空間模式是由潛在的膠原纖維方向決定的。這項研究揭示了器官生長的一個簡單設計原理，即前體細胞和分化細胞與周圍組織協調生長。
首先，通過從宏觀和微觀尺度對小鼠尾部尺寸及IFE尺寸的測量，作者發現二者在從出生到60日齡間，增長曲線高度一致，且在P1-P30呈擬線態（quasi-linear）增長。
進一步作者通過細胞譜系追蹤確定了其中關鍵的發育前體細胞群（developmental progenitor，DP）。該細胞群的克隆擴增模式與小鼠尾部以及IFE尺寸的增長均高度吻合。
通過FACS分析和使用EdU/BrdU進行雙標的細胞增殖動力學實驗，作者對不同年齡的小鼠DP細胞的倍增時間進行了計算，發現的這些DP細胞的細胞週期隨著小鼠年齡的增長而不斷延長，提示它們增殖在逐漸減慢。而且體外分離的DP細胞的增殖實驗也得到了一致的結論。這些結果說明，從出生以後，DP細胞的增殖能力就在不斷地降低。
圖1. DP細胞增殖減慢
關於這些DP細胞在小鼠出生後如何影響尾部皮膚的發育，作者進行了數學建模及測量，發現其發育過程採用的是常量非平衡（constant imbalance）模式，即在整個發育過程中，1）前體細胞DP與分化後細胞的比例保持不變；2）不同時間點上，DP細胞增殖和分化的能力成比例地變慢。這樣的設計確保了表皮中基底細胞密度以及基底細胞/基底上細胞比率的恆定，以確保皮膚的完整屏障功能。
圖2. 常量非平衡（constant imbalance）模式圖
文章還進行了深度的單細胞測序研究等，發現這種出生後發育過程中的特徵與Hedgehog信號介導的腫瘤發生高度相似【2】，而與傷口癒合過程中報道的克隆動力學則恰恰相反【3】，因此，有必要進行進一步的實驗，以研究特定的信號通路在控制細胞命運決定中的作用。另一個有趣的發現是，作者還觀察到DP形成克隆的方向與組織內膠原的走向（orientation）有關，這與過去關於果蠅翼盤的形態發生非常相似【4】。但值得注意的是，這種微觀次度的走向與組織器官宏觀次度走向是否存在關聯，以及如何關聯的機制還並不清楚。
總而言之，作者的研究結果表明，出生後表皮的生長依賴於三個關鍵參數：非平衡的細胞命運（cell fate imbalance）、細胞分裂速率（cell division rate）和細胞分裂的方向性（orientation of cell division）。
這些參數部分由細胞內在因素決定，部分由細胞外信號所約束。而此前也有相關研究表明，在表皮內穩態過程中最近鄰互作（nearest-neighbor interactions）在耦合基底分裂與分化中發揮關鍵作用【5】，後者提供了基底細胞（BC）密度調節的天然機制。這些外源性的調節機制對於實現DP細胞在增殖與分化過程中的非平衡調節也應該發揮著至關重要的作用，這些涉組織大小、局部密度、厚度、分裂率和非平衡調控的機制研究將在後續進一步開展。本文中，作者針對皮膚進行研究，那麼在其他組織和器官中，是否存在類似或者截然不同的機制呢？看來還是有很多開放的空間讓大家大展拳腳的。
圖3. 總結圖
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.015
參考文獻
1. Mascré G, Dekoninck S, Drogat B, et al. Distinct contribution of stem and progenitor cells to epidermal maintenance. Nature. 2012;489(7415):257–262. doi:10.1038/nature11393
2. Sánchez-Danés A, Hannezo E, Larsimont JC, et al. Defining the clonal dynamics leading to mouse skin tumour initiation. Nature. 2016;536(7616):298–303. doi:10.1038/nature19069
3. Aragona M, Dekoninck S, Rulands S, et al. Defining stem cell dynamics and migration during wound healing in mouse skin epidermis. Nat Commun. 2017;8:14684. doi:10.1038/ncomms14684
4. Mao Y, Tournier AL, Hoppe A, Kester L, Thompson BJ, Tapon N. Differential proliferation rates generate patterns of mechanical tension that orient tissue growth. EMBO J. 2013;32(21):2790–2803. doi:10.1038/emboj.2013.197
5. Mesa KR, Kawaguchi K, Cockburn K, et al. Homeostatic Epidermal Stem Cell Self-Renewal Is Driven by Local Differentiation. Cell Stem Cell. 2018;23(5):677–686.e4. doi:10.1016/j.stem.2018.09.005
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