Кожа и её придатки гарантируют ряд критических функций, необходимых для выживания животных. Кожа защищает животных от потери воды, изменений температуры, радиации, травм и инфекций, и это позволяет животным воспринимать свою среду посредством тактильных ощущений. Благодаря камуфляжу кожа обеспечивает защиту от хищников и служит также декорацией для социального и репродуктивного поведения.

Взрослая кожа состоит из по-разному организованных наборов клеток, возникающих из разных эмбриональных источников. У млекопитающих вскоре после гаструляции клетки нейроэетодермы. которые остаются на поверхности эмбриона, становятся эпидермисом, который начинает как одиночный слой неспецифицированных клеток предшественников. Во время развития этот слой клеток формирует многослойный эпидермис (иногда называемый межфолликулярными эпидермисом), hair follicles (HRs), сальные железы и в безволосой части кожи, апокринные (потовые) железы. Клетки, производные мезодермы, вносят вклад в коллаген-секретирующие фибробласты подлежащего дермиса, сосудистая система кожи, которая доставляет питающие вещества в кожу, arrector pili мышцы, которые прикрепляются к каждому hair follicle (HF), подкожные жировые клетки и иммунные клетки, которые пропитывают и располагаются в коже. Клетки, производные нервного гребня, вносят вклад в меланоциты, сенсорные нервные окончания кожи и дермис головы. В целом около 20 типов разных клеток располагается в коже.

У взрослых функционирует множество разных типов stem cells (SCs), чтобы пополнять эти различные типы клеток в коже для её нормального гомостаза и заживления ран. Некоторые SCs (напр., те. что восполняют лимфоциты) располагаются в др. частях тела. Остальные (напр., melanoblasts и epidermal SCs) располагаются внутри саой кожи. В обзоре рассматриваются преимущественно эпидермальные SCs, которые обладают двумя существенными свойствами, общими всем SCs: они способны само-обновляться в течение длительных периодов времени и дифференцироваться во множественные клоны, происходящие из их тканевого источника (Weissman et al. 2001).

ESTABLISHMENT AND STRATIFICATION OF SKIN EPITHELIUM

Зрелый эпидермис является многослойным сквамозным эпителием, чей наиболее наружный слой является поверхностью кожи. Лишь самый внутренний (базальный) слой митотически активен. Базальный слой продыуцирует, секретирует и собирает extracellular matrix (ECM), который составляет большую часть подлежащей базальной мембраны, которая отделяет эпидермис от дермы. Наиболее выраженным компонентом базального ECM является laminin5, который использует α3β1-integrin для своей сборки. Т.к. клетки покидают базальный слой и движутся в направлении поверхности кожи, они выходят из клеточного цикла, выключают экспрессиию integrin и laminin и исполняют программу терминальной дифференцировки. На ранних стадиях продукции spinous и granular слоёы, программа остается транскрипционно активной. Однако, она заканчивается при продукции мертвых уплощенных клеток ороговевающего слоя (squames), который слущивается с поверхности кожи и постоянно замещается за счет внутренних клеток, перемещающихся кнаружи (Figure 1).

Основными структурными белками эпидермиса являются keratins, которые собираются в виде облигатных гетеродимеров в сеть из 10-nm кератиновых intermediate filaments (IFs) , которые соединяются с α6β4-integrin-содержащими hemidesmosomes, которые закрепляют основание эпидермиса на богатом laminin5 собранном ECM. Кератинвоые IFs соединяются также с межклеточными соединениями, называемыми desmosomes, состоящими в своей основе из desmosomal cadherins. Все вместе эти соединения с кератиновыми IFs создают обширный механический каркас для эпителия (rev. Omary et al. 2004). Базальный слой является специфицируется за счёт экспрессии кератинов K5 и K14 (также K15 у эмбрионов), в то время как промежуточные suprabasal (spinous) слои экспрессируют K1 и K10. Десмосомы, соединенные с K1/K10 IFs, особенно многочисленны в suprabasal клетках, в то время как базальные клетки обладают менее устойчивой сетью десмосом и K5/K14. Скорее базальные клетки используют более динамическую цитоскелетную сеть из микротрубочек и актиновых филамент, чем интерфейс, опосредованный β- b α-catenins для E-cadherin-опосредованных межклеточных (слипчивых) соединений, дополнение к αβ1-integrin-опосредованным соединениям клетка-ECM (rev. Green et al. 2005, Perez-Moreno et al. 2003). Filaggrin и loricrin продуцируются в гранулярном слое. Ороговевающая оболочка герметически закрывает эпидермальные чешуйки и создает барьер, который удерживает микробы снаружи, а существенные жидкости внутри (Candi et al. 2005, Fuchs 1995) (Figure 1). Программа терминальной дифференцировки в эпидермисе управляется рядом семейств транскрипционных факторов, включая AP2, AP1, C/EBPs, Klfs, PPARs, и Notch (rev. Dai & Segre 2004).

Хотя молекулярные механизмы, лежащие в основе процессов эпидермальной стратификации все ешё выясняюится, некоторые исследования выяснили, как это может происходить. Растут доказательтсва, указывающие на возможность вовлечения транскрипционного фактора p63. Мыши, нулевые по гену, кодирующему p63, характеризуются раннмм блоком программы эпидермальной стратификации (Mills et al. 1999, Yang et al.1999). Имеется несколько возможных механизмов, с помощью которых образование многослойности может быть достигнуто за счет внутреннего слоя митотически активных клеток и suprabasal дифференцирующихся слоёв. Согласно первому механизму, пролиферирующие базальные клетки прогрессивно ослабляют свое прикрепление к базальной мембране и к своим соседям и покидают базальный слой и проникают в spinous слой. In vitro исследования продемонстрировали, что этот процесс, названный расслоением (delamination), позволяет осуществляться стратификации (Vaezi et al. 2002, Watt & Green 1982). Возможной альтернативой расслоению является то, что базальные клетки в многослойной ткани могут ориентировать свои плосткости делений перпендикулярно подлежащей базальной мембране, в результате одна из дочерних клеток будет оказываться в suprabasal слое. Недавние исследования на мышах подтвердили, что во время эмбрионального развития в коже большинство митотических клеток внутри эпидермиса располагают свои веретена параллельно базальной мембране (Lechler&Fuchs 2005, Smart 1970). При таких перпендикулярных ориентациях митозов апикальная центриоля ассоциирует с комплексом, содержащим белок Nuclear Mitotic Apparatus, partitioning-defective protein 3, atypical protein kinase C, Inscuteable и партнера inscuteable. Ассоциация с этим кортикальным комплексом является интригующей, т.к. большинство из этих эволюционно законсервированных белков, как было показано генетически, существенны для асимметричных клеточных делений, происходящих в нейробластах Drosophila и у эмбрионов Caenorhabditis elegans (Cowan&Hyman 2004,Wodarz 2005). Хотя многие свойства лежащего в основе механизма еще предстоит изучить, собственно ориентация веретена, по-видимому, нуждается в β1-integrin и α-catenin, что ещё больше подчеркивает важность базальной мембраны

Epidermal development and hair follicle morphogenesis. The surface of the early embryo is covered by a single layer of ectodermal cells that adheres to an underlying basement membrane of extracellular matrix. As development proceeds, the epidermis progressively stratifies and acquires layers of terminally differentiating cells that are required to establish a functional barrier. During embryonic development, some of the undifferentiated basal cells are instructed by the underlying dermis (signal 1) to adopt a hair follicular fate. Subsequently, the epidermis sends a message to the dermis (signal 2) to make the dermal papilla (DP). Finally, the DP sends a message to the developing follicle (signal 3), allowing its growth and differentiation to form the discrete lineages of the hair follicle and its hair. Encased by a basement membrane, the basal layer of the follicle is referred to as the outer root sheath (ORS). At the base of the mature follicle is the highly proliferative compartment called the matrix (Mx). Matrix cells differentiate to form the concentric rings of differentiating cells that give rise to the hair shaft, its channel (the inner root sheath, IRS), and the companion layer. Hair follicles also contain sebaceous glands to ensure the water impermeability of the hair and lubricate the hair channel and skin surface.

n слипчивых соединений в уставновлении полярности эпидермиса м тканевой архитектуры (Lechler & Fuchs 2005).

EMBRYONIC HAIR FOLLICLE MORPHOGENESIS AND THE ADULT HAIR CYCLE

Развитие HFs нуждается во временной серии эпителиально-мезенхимных взаимодействий (rev. Hardy 1992) (Figure 1). Сначала сигналы от дермы к покрывающему ее эпидермису делают придатки. В ответ затем эпидермис передает сигнал, чтобы инструктировать подлежащие клетки дермы конденсироваться и формировать dermal papilla (DP). Др. сигнал затем отсылается из DP, чтобы способствовать пролиферации и и осуществленю дифференцировки, необходимых для образования эпидермального придатка.

Процесс развития HF подразделяется на дискретные стадии, различаемые по морфологическим и биохимическим отличиям (Paus et al. 1999). Первым морфологическим признаком развития HF является образование волосяной плакоды, в которой базальный эпителий становится удлинённым и инвагинирует в месте, где формируется дермальный конденсат. Когда развивающийся фолликул увеличивается вниз и оказывается укутанным DP, клетки в его основании сохраняют состояние высокой пролиферативности. Во время созревания фолликула эти пролиферативные (матричные) клетки начинают дифференцироваться во inner root sheath (IRS), который будет покрывать будущий стержень волоса и который маркируется экспрессией транскрипционного фактора GATA3 и структурным белком trichohyalin (Kaufman et al.2003, O’Guin et al. 1992). Наружный слой клеток становится outer root sheath (ORS), который является продолжением эпидермиса и окружен снаружи базальной мембраной. ORS экспрессирует K5 и K14, как и межфолликулярный эпидермис. Т.к. фолликул продолжает расширяться, то появляются новые клетки внутренней сердцевины и начинают экспрессировать гены волосяных кератинов, характерные для стержня волоса (rev. Omary et al. 2004). На 8-й день после рождения у мышей фолликулы полностью врастают и в течение следующих 7 дней матричные клетки пролиферируют и дифференцируются в 6 концентрических слоёв из IRS и стержня волоса (Figure 1).

На постнатальный день 16, пролиферация матрикса затихает и нижние две трети HF быстро дегенерируют с помощью процесса, использующего апоптоз (стадия catagen). Эпителиальный канатик, окруженный retracting базальной мембраной пермещает DP вверх, где в backskin он находит упокоение непосредственно ниже основания этого перманентного сегмента HF, называемого выпячиванием (bulge). Эта стадия покоя называется telogen. В первом полосяном цикле telogen продолжается приблизительно 1 день, но во время последующих циклов эта фаза удлиняется, указывая на необходимость достижения биохимического порога прежде чем будет активирован следующий волосяной цикл. Новый цикл регенерации волоса (anagen) начинается с возникновения пролиферативного зародыша волоса и его прогрессии, чтобы сформировать зрелый фолликул, обнаруживающий сильное сходство с эмбриональным фолликулогенезом (Muller-Rover et al. 2001) (Figure 2). Периодические циклы роста и дегенерации волос сохраняются в течение всей жизни животного и указывают на существование SCs, чтобы возобновлять регенеративный процесс. Молекулярные механизмы, управляющие морфогенезом HF и циклами всё ещё недостаточно поняты, но генетические исследования на мышах показали важность Wnt/β-catenin, bone morphogenetic protein (Bmp), sonic hedgehog (Shh), fibroblast growth factor (Fgf ), epidermal growth factor receptor (Egf ), NFkB и Notch сигнальных путей (rev. Millar 2002, Schmidt-Ullrich & Paus 2005).

STEM CELLS WITHIN THE ADULT SKIN EPITHELIUM

Эпителий взрослой кожи состоит из молекулярных строительных блоков, каждый из которых состоит из pilosebaceous единицы (HF и сальная железа) и окружающего межфолликулярного эпидермиса (surrounding interfollicular epidermis (IFE)). IFE содержит свои собственные клетки предшественники, которые гарантируют обновление в отсутвтие повреждений, а HFs содержат мультипотентные SCs, которые активируются при старте нового волосяного цикла и при ранении, чтобы предоставить клетки для регенерации HF и репарации эпидермиса.

The Interfollicular Follicular Epidermis

Evidence for progenitor cells in interfollicular epidermis. IFE, который создает липидный барьер взрослой кожи, постоянно обновляется в течение всей жизни животного и подвергается реэпителизации после раневых повреждений. Эти активности по обновлению и репарации эпидермиса кожи указщывают на существование SCs, гаранитрующих эти критические функции. Гистологический анализ показал, что эпидермис мыши организован в массы клеток с гексогональной областью поверхности, лежащих на ложе из десяти базальных клеток (Mackenzie 1970; Potten 1974, 1981). Эта структура. как предполагается, функционирует как epidermal proliferative unit (EPU) с предположительно одной SC на единицу. Исследователи протестировали экспериментально существование EPUs, используя анализ отслеживания клонов. Сначала отслеживали с помощью инфицированных культивированных мышиных и человеских кератиноцитов с ретровирусами, экспрессирующими LacZ, и трансплантациями этих меченных кератиноцитов иммунодефицитным мышам. Или мыши непосредственно инфицировались с помощью LacZ-virus в кожу, после соскабливания кожи (Ghazizadeh & Taichman 2001, Kolodka et al. 1998, Mackenzie 1997). Анализ химерной кожи показал присутствие дискретных столбов из голубых клеток от базальных клеток к наиболее дифференцированным и расположенным выше слоям клеток. Эти нахдки продемонстрировали, что EPUs существуют в базальном IFE и могут поддерживаться индивидуально как отдельные единицы в течение длительных периодов времени. Такие домены могут быть

Figure 2 The hair follicle cycle. When matrix cells exhaust their proliferative capacity or the stimulus required for it, hair growth stops. At this time, the follicle enters a destructive phase (catagen), leading to the degeneration of the lower two-thirds of the follicle. The upper third of the follicle remains intact as a pocket of cells surrounding the old hair shaft (club hair). The base of this pocket is known as the bulge, which is the natural reservoir of hair follicle stem cells (SCs) necessary to form a new hair follicle. After catagen, the bulge cells enter a quiescent stage (telogen), in which the DP is now in close contact with bulge SCs. In the mouse, the first telogen lasts approximately one day, after which all the hair follicles synchronously enter a new cycle of regeneration and hair growth (anagen stage). The bulge as a structure develops when the new hair must emerge from the original orifice, which is often shared by the old club hair. Subsequent hair cycles involve increasingly longer telogen phases, resulting in considerably less synchronous hair cycles.

объяснены с помощью механизма, согласно которому базальные клетки делятся асимметрично относительно базальной мембраны, чтобы сохранять пролиферативную дочернюю клетки и давать дифференцирующуюся дочернюю клетку, лежащую поверх (Lechler & Fuchs 2005). Само-обновление внутри эпидермиса также изучалось с помощью генетического картирования судеб, которое обходило раневую реакцию, возникающую при трансплантационных экспериментах (Ro & Rannala 2004). В этом случае трансгенные мыши экспрессировали мутантную форму green fluorescent protein (GFP), которая не могла транслироваться из-за стоп кодона в EGFP-кодирующей последовательности. Затем мыши получали локальное воздействие мутагеном для индукции мутаций, которые могли бы удалять стоп кодон и восстанавливать экспрессию функционального GFP белка. Эти спорадические мутации давали участки GFP-позитивных клеток внутри IFE, это позволяло видеть столбы EPU. Однако, элегантность этих экспериментов не позволяла ответить на вопрос, сколько SCs присутствует в каждом EPU и где располагаются SCs внутри едеиницы.

В коже человека эпидермис толще и волнообразен, чтобы сформировать глубокие эпидермальные гребни (rete ridges), которые распространяются вниз в эпидермисе и помогают закреплять эпилдермис в дерме. Используемые очень экономно, SCs, как было предположено, делятся менее часто. Не часто делящиеся клетки внутри IFE располагаются в основании этих гребней, которым удобно в более защищенных местах, чем где-либо ещё в IFE (Lavker & Sun 1982).

Чтобы идентифицировать характеристики IFE SCs, исследователи обратились к экспериментам in vitro. Культивируемые IFE кератиноциты человека, экспрессирующие высокие уровни β1-integrin, обладали наивысшим пролиферативным потенциалом in vitro ( Jones & Watt 1993). Др. гены также, как было показано, преимущественно экспрессируются в кератиноцитах человека, обогащенных β1, что подчеркивало биохимическую самостоятельность этой популяции базальных клеток (Legg et al. 2003). Так, ожидалось, что богатые β1 клетки будут обнаруживаться в базальном слое, но что интересно, они располагались в кластерах ( Jones et al. 1995). Помимо β1-bright клеток они располагались в основании самых глубоких эпидермальных гребней ладонно-подошвенной кожи, что согласуется с локализацией медленно делящихся SCs, габлюдаемых Lavker & Sun (1982). А др. местах, однако, β1-bright кластеры располагались вне этих зон, на вид в менее защищенной позиции для SCs. Следовательно, степень, с которой уровни β1-integrin предопределяют отличительные свойства IFE SCs нуждаются в дальнейшем исследовании. Для этих целей необхоимы дополнительные маркеры, чтобы осуществлять очистку и анализ IFE клеток с высоким пролиферативным потенциалом. Такие маркеры д. также помочь в определении локализации и количества IFE SCs внутри своих функциональных EPU столбов и в распознавании степени, с которой менее часто делящиеся клетки позволи ли бы определять уровень стволвых клеток в IFE популяции. Финальный вопрос, который д.б. решен, степень, с которой клетки с высоким пролиферативным потенциалом в базальном слое IFE способны вносить влкад в др. клеточные клоны, такие как сальные железы и HF.

Interfollicular epidermis stem cell selfrenewal in vitro: Clinical potential and clonogenicity studies. Rheinwald & Green (1975) установили культуральные условия, позволяющие расти IFE SCs человека in vitro. Это важное открытие позволило размножать кератиноциты от пациентов с тяжелыми ожогами и затем трансплантировать их как слои аутологически культивируемых клеток, которые оказались функциональными в ре-эпителизации поврежденной кожи (Gallico et al. 1984, O’Connoret al. 1981, Pellegrini et al. 1999, Ronfard et al. 2000). В последние 25 лет эта технология спасла множество жизней. Хотя эпителий репарированной кожи пациентов не регенерирует потовые железы или HFs, он дает нормальный эпидермис, который способен к заживлению ран. Будучи помещенным в низкую плотность клеток культивируемые кератиноциты человека могут формировать три типа колоний: (a) высоко пролиферативные колонии (holoclones) небольших округлых клеток, которые представлены недифференцированной морфологией и которые можно пассировать длительное время, (b) абортированные колонии (paraclones), обнаруживающие крупную плоскую морфологию, типичную для окончательно дифференцированных клеток и (c) относительно небольшие гетерогенные колонии (meroclones) с ограниченным пролиферативным потенциалом, которые становятся старыми после немногих раундов разведения (Barrandon & Green 1987). Хотя термин holoclone означает только пролиферативную способность колонии, потомство одиночного эпидермального holoclone in vitro может ре-формировать функциональный и обновляемый эпидермис in vivo (Rochat et al. 1994). Это указывает на то, что, по крайней мере, некоторые клетки внутри holoclones обладают фундаментальными характеристиками SC, тем что они могут самообновляться и дифференцироваться в функциональную ткань. Напротив meroclones связывают с т.наз. временно-амплифицирующимися клетками, т.е. клетками с ограниченным количеством клеточных делений прежде чем они приобретут окончательную дифференцировку. Хотя точное физиологическое значение этих культивируемых популяций клеток еще предстоит определить, описание in vitro их клональных свойств служит в качестве пригодного основания для анализа SCs in vivo.

The Bulge Stem Cell Niche

В волосяных фолликулах SCs располагаются в дискретных микроусловиях, называемых вздутием (bulge), расположенным в основании той части фолликула, которая возникает во время мерфогенеза, но не дегенерирет во время циклов волос. Bulge SCs более молчаливы. чем др. клетки внутри фолликула. Однако, во время цикла волоса bulge SCs понуждаются к выходу из SC ниши, пролиферации и дифференцировке, чтобы сформировать разные типы клеток зрелых HFs. Помимо предоставления клеток во время регенерации HF regeneration bulge SC являются резервуаром мультипотентных SCs, которые могут быть рекрутированы во время заживления ран, чтобы помочь репарировать эпидермис.

Label-retaining cells and their movements during the hair cycle and in response to injury. Многие годы считалось, что SCs, которые регенерируют HFs во время цикла волос являются высоко пролиферативными матричными клетками (Kligman 1959). Эта модель позднее была оспорена, когда Montagna & Chase (1956) обнаружили, что рентгеновское облучение убивает матричные клетки, но волосы всё ещё могут возникать снова из клеток внутри ORS. Способность верхних ORS действовать сочетанно с DP, чтобы создать HFs, была в дальнейшем подтверждена путем вычленения и трансплантаций ( Jahoda et al. 1984; Oliver 1966, 1967).

Математическое моделирование подтвердило мнение, что SCs могут использоваться редко и делятся менее часто, чем их потомство (Potten et al. 1982). Это мнение было поддержано с помощью применения повторных доз маркированных аналогов нуклеотидов, таких как BrdU или 3[H]-thymidine для мечения S-фазы делящихся клеток кожи (pulse period) и затем путём отслеживания судьбы инкорпорированных меток с течением времени (chase period). Дифференцированные клетки слущивались с поверхности кожи, а более пролиферативные клетки, растворяли свои метки по мере своего деления, маркируя менее пролиферативные клетки как label-retaining cells (LRCs) (Bickenbach 1981).

Чтобы локализовать HFLRCs, Lavker и др. (Cotsarelis et al. 1990) применяли BrdU у недельных новорожденных мышей и размем анализировали сохранение метки в коже после 4-х недель слежки. Большинство LRCs кожи располагалось в специализированной области в основании постоянного сегмента HF. Известная как bulge, эта область была описана более ста лет назад гистологом (Stohr 1903). Внутри ORS bulge располагается непосредственно ниже сальной железы в месте, где прикрепляется мышца arrector pili к фолликулу (Figure 2). Хотя его происхождение было легко отслежено с ранних стадий эмбриогенеза HF, bulge приобретает свой отличительный вид, когда возникает зародыш первого постнатального волоса перед тем как ость волоса будет укрыта (Figure 2). Во время первой фазы telogen одиночный слой молчащих клеток окружает старую ость (club) волоса; когда начинается новый волосяной цикл, bulge приобретает второй слой клеток (Blanpain et al. 2004).

Хотя обычно молчащие bulge клетки могут быть заставлены пролиферировать искуственно в ответ на митогенные стимулы, такие как phorbol esters (TPA), или естественно в начале каждого волосяного цикла. В элегантном исследовании с двойной меткой, чтобы продемонстрировать соотношение предшественник-продукт, Taylor et al. (2000) показали, что когда BrdU-меченные LRCs в bulge подвергали кратковременному пульсовому воздействию второй нуклеотидной метки, то они инкорпорировали 3[H]-thymidine, т.к. они выходили и пролиферировали, чтобы сформировать новый зародыш волоса. Чтобы непосредственно определить, может ли регион bulge содержать SCs, Barrandon и др. (Kobayashi et al. 1993) вычленяли HFs крыс и людей и оценивали потенциал роста разных сегментов HF in vitro. В фолликулах усов крыс 95% произвтодных holoclones происходило из клеток сегментов bulge, тогда как менее 5% растущих колоний происходили из матричной области. В коже взрослых людей кератиноциты с высоким пролиферативным потенциалом также обнаруживались внутри сегментов bulge, но зона колоногенных клеток была шире, распространяясь от bulge до нижних частей ORS (Rochat et al. 1994). В этой связи необходимо отметить, что во взрослой коже человека bulge является менее определенной структурой, чем у грызунов.

Ранние исследования по ре-эпителизации во время заживления ран привели исследователей к предположению, что HFs могут обладать способностью регенрировать эпидермис после повреждения (Argyris 1976). Чтобы оценить, обладют ли bulge LRCs такой, Taylor et al. (2000) усовершенствовал свою технику двойного мечения для экспериментов по заживлению ран. В самом деле, после ранения BrdU-меченные клетки, происходящие из bulge, могут обнаруживаться пролиферирующими в эпидермисе вблизи HF отверстия (infundibulum). Fuchs и др. (Tumbar et al. 2004) недавно адаптировали эксперименты по отслеживанию nucleotide pulse к белковому уровню путем создания мышей, экспрессирующих регулируемый tetracycline гистоновый H2B-GFP белок в их кожном эпителии. В отсутствие тетрациклина все эпителиальные ядра кожи были зелеными с экспрессией H2B-GFP, но когда применяли тетрациклин, то ген выключался и после 4-х недель, только bulge клетки всё ещё широко метились H2B-GFP белком (Figure 3a). После ранения, H2B-GFP-позитивные клетки обнаруживались в эпидермисе и воронке, подтверждая способность bulge LRCs ре-эпителизировать эпидермис в ответ на повреждения (Tumbar et al. 2004). После активации волосяного типа возникающий зародыш волоса обладал H2B-GFP-позитивными клетками с более слабой флюоресценцией, чем bulge, указывая тем самым, что они произошли от bulge LRCs. Эти находки подтверждают исследования Barrandon, показавшего способность bulge клеток регенерировать HF во время нормального волосяного цикла.

Несколько линий доказательств подтвеждают, что имеется постоянный приток bulge клеток в течение всей стадии роста волосяного цикла. Во время фазы anagen backskin волосяного цикла Tumbar et al. (2004) выявил следы H2BGFP-позитивных клеток среди нижней части ORS. Хотя эти клетки были менее bright, чем их bulge LRC аналоги, результаты оказались интригующими, в свете rat-whisker bulge трансплантационных и клоногенных экспериментов, осуществленных Barrandon и др. (Oshima et al. 2001). Базируясь на этих плодотворных исследованиях, исследователи предположили, что SCs мигрируют из bulge вдоль базального слоя ORS в матрикс, где они пролиферируют и дифференцируются, чтобы сформировать волос и IRS. Хотя волосяной цикл фолликулов усов отличается от такового для backskin на той же стадии роста, он длиннее и фолликулы переходят от средины ст. catagen непосредственно к anagen, остаются общие движение и активация SC, характерные для HFs, независимо являются они дляфолликулов усов или волосяного покрова.

Методы выделения и очистки клеток, сохраняющих метку bulge: Evidence for self-renewal of stem cells. В последние 10 лет исследователи достигли существенных успехов в выделении и очистке клеток из HF bulge. Учитывая сложность кожи, очистка клеток bulge с использованием flow cytometry (FACS) в основном сконецентрирована на выделении bulge клеток из наиболее простых в фазе telogen фолликулов, в которых молчащие bulge маркируют основание. Kaur и др. (Li et al. 1998) использовали

Figure 3 The bulge stem cells (SCs). Bulge (Bu) SCs are more quiescent than are other keratinocytes with proliferative potential in the skin. Tumbar et al. (2004) developed a strategy for conducting fluorescent pulse-chase experiments in mice engineered to express a tetracycline-regulatable H2B-GFP transgene. After labeling all the skin epithelial cells with H2B-GFP, a four-week chase resulted in significant H2B-GFP-label retention only in the bulge (a). Label-retaining cells (LRCs) could be found along the basal layer of cells that express б6в4-integrins, as well as in a suprabasal location within the bulge (b). Bulge SCs express a high level of the cell surface protein CD34, which has been used with б6-integrin to isolate basal and suprabasal bulge cells, using flow cytometry (Blanpain et al. 2004, Trempus et al. 2003). [The approximate fluorescence of the outer root sheath (ORS) and interfollicular epidermis (IFE) cells is also indicated on the FACS profile.] Tissues were counterstained with Dapi (blue) to mark the nuclei. Abbreviations used: Cb, club hair; HF, hair follicle; SG, sebaceous gland.

конъюгированные антитела против α6-integrin и anti-CD71 (antitransferin Ab или 10G7), чтобы показать, что α6-bright, CD71-dim клетки из кожи обладают сходной колонии-формирующей эффективностью, но более высоким долговременным потенциалом, чем остальная часть популяции. Bulge LRCs обладают подобным паттерном экспрессии и приблизительно вдвое более богаты α6-bright, CD71-dim популяцией (Tani et al. 2000). Др. маркеры, такие как S100A4 и S100A6 белки (Ito & Kizawa 2001), K19 (Michel et al. 1996), K15 (Lyle et al. 1998) и CD34 (Trempus et al. 2003) также, как сообщалось, обнаруживают преимущественную экспрессию в bulge. Хотя большинство из этих антител не используются для выделения живых bulge клеток с помощью FACS, CD34 является исключением. CD34-позитивные клетки в 10 раз более многочислены в LRCs и они формируют более крупные колонии, чем не фракционированный эпидермис (Trempus et al. 2003).

Когда трансгенная экспрессия базального эпидермального маркера (K14-GFP) используется вместе с антителами против α6-integrin b CD34, то очистка bulge существенно увеличивается (Blanpain et al. 2004). На базе дифференциальной экспрессии α6, CD34/K14-GFP-позитивные клетки из внутреннего и наружного слоёв зрелых bulge также могут быть фракционированы (Figure 3b). Bulge клетки были также очищены из K15-GFP-трансгенной кожи в сочетании с α6-integrin fynbntkfvb (Morris et al. 2004), и когда использовались способные к регуляции тетрациклином H2B-GFP мыши для очистки bulge, то можно было достигнуть 70-кратного обогащения LRCs по-видимому, сравнению с клетками нефракционированного эпителия кожи (Tumbar et al. 2004). Во всех трех из этих методов для получения bulge клеток высокой очистки, клетки bulge формировали крупные колонии, которые могли пассироваться in vitro (Morris et al. 2004, Tumbar et al. 2004). Это верно как для внутреннего, так и наружного слоёв bulge (Blanpain et al. 2004) (Figure 3). Исследования клоногенности далее продемонстрировали, что крупные колонии, происходящие из одиночныех bulge клеток, могут давать множественные крупные колонии после пассирования, указывая на появление способности само-обновления SC in vitro (Blanpain et al. 2004, Claudinot et al. 2005).

Multipotency of bulge stem cells. Двумя основными свойствами SCs являются их способность самообновляться и дифференцироваться во множественные клоны. Для исследования потенциала дифференцировки bulge SCs, исследователи использовали различные методы, включая (a) трансплантационные исследования микроразмелченых HF сегментов, (b) прямая трансплантация и клональный анализ изолированных bulge клеток и (c) картирование генетических судеб у мышей.

В пионерских исследованиях Oshima et al. (2001) получали химерные фолликулы усов грызунов путем удаления немеченных bulge из дикого типа фолликул вибрисс, замещая их lacZ-экспрессирующими микроизмельчёными bulge от трансгенных фолликулов усов мышей и трансплантируя химерные фолликулы в капсулу почки и/или эмбриональную кожу спины (backskin) иммунодейицитных мышей. 30 дней спустя после трансплантации lacZ-маркированные клетки выявлялись в эпидермисе, сальных железах и HFs (Oshima et al. 2001). Morris et al. (2004) получили сходные результаты, используя 105-FACS изолированные K15-GFP-нагруженные bulge клетки, трансплантированные в иммунодефицитных мышей.

В экспериментах Barrandon и д., временной анализ anagen-фазных химерных фолликулов усов выявил направленный вниз ток lacZ-позитивных клеток, происходящих из трансплантированных bulge, мигрирующих в матрикс и затем дифференцирующихся в один из 6 концентрических кругов IRS и клон ости волоса. При пониженной частоте клетки, располагающиеся в нижней части HF были способны дифференцироваться во множественные клоны клеток кожи (Oshima et al. 2001). Эти находки подтверждают мнение, что SCs мигрируют из bulge к основанию фолликула прежде, чем они будут дифференцироваться и терять свой потенциал. Как отмечалось выше, всё ещё остается нерешенным вопрос, происходит ли непрерывный ток вниз bulge клеток только в whiskers или человеческих HFs, в которых волосяной цикл характеризуется длительной фазой anagen или это общее свойство всех HFs.

Приведенные выше исследования подчеркивают потенциал клеток в области bulge дифференцироваться в направлении трех разных клонов, представляющих кератиноциты кожи. О они не отвечают, состоят ли bulge из множественных типов однопотентных предшественников, каждый из которых способен дифференцироваться только в один клон, или индивидуальные клетки bulge обладают мультипотентностью, способностью дифференцироваться в любой из трех клонов. Кстати, технические препятствия пресекали тестирование мультипотентности, используя клональный анализ in vivo. О в последнее время исследователи осуществили клональный анализ in vitro, чтобы продемонстрировать с определенностью мультипотентность клеток из bulge при пассировании их in vitro (Blanpain et al. 2004, Claudinot et al. 2005). В первом исследовании, Fuchs и др. (Blanpain et al. 2004) помещали изолированные K14-GFP-нагруженные bulge клетки в культуру, чтобы получить индивидупльные holoclones. После кратковременной экспансии производные одиночных bulge клеток трансплантировали на спину мышей nude. Потомство одиночного происходящего из bulge holoclones давало GFP-позитивные HFs, IFE, сальную железу и даже bulge SCs (Blanpain et al. 2004). Сходные результаты были получены Barrandon с сотр. (Claudinot et al. 2005), которые оказались способными получить тысячи HFs от потомства одиночной культивирумой whisker SC крысы. Эти эксперименты предоставили исчерпывающие доказательства в поддержку мнения, что клетки внутри bulge в фолликулах взрослых обладают классическими критериями bona fide мультипотентных SCs. Что внутренний слой bulge также обладает подобной способностью лишь подтвердило, что даже если bulge клетки отсоединены от базальной ламины и, по-видимому, подвергаются раннему предопределению в HF клон, процесс обратим, по-видимому, крайней мере, после культивирования in vitro (Blanpain et al. 2004).

Unipotent progenitor ensuring renewal of the interfollicular epidermis. В нормальных условиях bulge действует как резервуар фолликулярных SCs и только в ответ на повреждения, как было показано, мобилизируются и функционируют как резервуар мультипотентных SC. Имеются ли др. мультипотентные SCs во взрослой коже, предстоит установить. Однако, имеются убедительные доказательства, что однопотентные SCs существуют в др. местах кожи. Эксперименты по-видимому, картированию судеб с использованием Cre recombinase, которая постоянно маркирует bulge клетки, показали, что при физиологических условиях IFE содержат лишь редкие участки β-galactosidase-позитивных клеток. происходящих из bulge клеток. Эти данные подкрепляют мнение, базирующееся на EPU столбах: нормальный гомеостаз IFE контролируется за счет присутствия однопотентных предшественников, которые располагаются внутри IFE (Ito et al. 2005, Levy et al. 2005, Morris et al. 2004). То, что bulge SCs не обязательны дя эпидермального гомеостаза говорит тот факт, что кожа ладоней и подошв лишена HFs, хотя при ряде генетических нарушений волос, может происходить эпидермальный гомеостаз и репарация ран (Montagna et al. 1954).

Microarray analysis of bulge stem cells. Чтобы определить, какие гены и сигнальные пути оперируют внутри bulge SCs, исследователи определяли транскрипционные профили изолированных в фазе telogen bulge клеток (Blanpain et al. 2004, Morris et al. 2004, Tumbar et al. 2004). В большинстве случаев эти профили сравнивали с таковыми для базальных эпидермальных клеток, которые обладают пролиферативной способностью, но, как полагают, содержат мало если вообще содержат мультипотеные SCs. Отметим, что большинство транскриптов, активированных в массивах или Tumbar или Morris, которые соответствовали очень крупным наборам генов по-видимому, сравнению с двумя более ранними исследованиями. Blanpain et al. (2004) выявили список из 56 транскриптов, которые рассматриваются как активируемые в bulge клетках независимо от методов выделения, стадии волосяного цикла или прикрепления к базальной ламине и которые могут рассматриваться как молекулярная signature of bulge клеток. Интересно, что 14% генов, активируемых и в др. типах SCs (hematopoeitic SC, neuronal SC и embryonic SC) (Ivanova et al. 2002, Ramalho-Santos et al. 2002), были также обнаружены как часть bulge signature (Blanpain et al. 2004), указывая тем самым, что определенные гены внутри этого списка скорее всего участвуют в уникальных свойствах, общих большинству, если не всем SCs. Важным является и недавно открытое сходство между этими bulge SC профилями мышей и людей (Ohyama et al. 2006). Хотя некоторые отличия и были отмечены (CD34, напр., распространяется в нижнюю часть ORS в фолликулах человека), это важно для будущих клинических исследований с целью улучшения потенциала кожных SCs для терапевтических целей.

Bulge signature сегодня предоставляет созвездия маркеров, которые д. позволить исследователям изучить степень, с которой bulge клетки сохраняют свою програаму экспрессии генов, т.к. они отвечают на естественные стимулы, напр., во время цикла волос и после повреждений и т.к. они покидают нишу, чтобы мигрировать и/или дифференцироваться в определенный клон. Список д. быть также пригоден для проверки, как bulge клетки меняют свои свойства в ответ на различные генетические манипуляции. Благодаря подобным исследованиям в будущем ученые д. начать открывать степень, с которой bulge signature отражает латентность этих SCs, и идентифицировать субнаборы этих генов, участвующих в само-обновлении и в супрессии клональной детерминации независимо от того, являются ли кожные SCis покоящимися или пролиферирующими.

хотя эти исследования находятся в младенческом возрасте, некоторые важные уроки уже извлечены. Одним из интригующих аспектов транскрипционнных профилей, передаваемых на bulge, к стати, является высокая степень, с которой bulge signature поддерживается как на стадии anagen, так и telogen цикла волос и в базальном и suprabasal слоях bulge (Blanpain et al. 2004). Эти находки подчеркивают мощное влияние, которое микроусловия bulge ниш оказывает на своих постояльцев. В свою очередь, для bulge SC, чтобы мобилизоваться и выйти из ниши, это доминирование д. быть преодолено.

Хотя исследователи проводят дополнительные эксперименты, чтобы выяснить молекулярное значение bulge signature, заманчиво высказать предположения о роли различных транскриптов, которые позитивно или негативно регулируются преимущественно в bulge. Кстати ряд генов bulge signature кодирует клеточную адгезию, цитоскелет и компоненты ECM. Мы предполагаем, что эти гены могут отражать специализированные микроусловия, которые д. быть подходящи не только для поддержания их SC характеристик внутри ниши, но и также позволять bulge SCs покидать свои ниши и мигрировать во время заживления ран и/или возобновления роста волос. Bulge signature представляет также целую батарею генов кандидатов, скорее всего играющих роль в поддержании в латентном состоянии SC. Очевидно, что многие позитивно регулируемые гены, кодирующие факторы, ингибирующие клеточный цикл, такие как Cdkn1b (p27), Cdkn1c (p57) и Cdkn2b (p15), и многочисленные подавляемые гены, кодирующие факторы, способствующие клеточному циклу, такие как Ki67, proliferating cell nuclear antigen, cyclins (Cyclin D1, D2, A2, B1) и cyclin-зависимые киназы и гены. связанные с циклами клеточных делений, (Cdc2a, 2b, 6, 7, 25c) (Blanpain et al. 2004, Morris et al. 2004, Tumbar et al. 2004). Хотя, как обычно полагают, клеточный цикл д. регулироваться в основном на пост-трансляционном уровне, транскрипционная регуляция этих генов клеточного цикла подтверждает, что латентная природа bulge управляется уникальными операционными контрольными механизмами.

Наконец. др. интересный набор генов bulge signature содержит гены, которые скорее всего участвуют в поддержании SCs в недифференцированном, состоянии подавленного роста. Из этих генов особенно интересны те, которые являются компонентами сигнального пути Wnt/β-catenin (Tcf3; Tcf4; Dkk-3; sFRP1; Fzd 2, 3, 7; Dab2; Ctbp2) и TGF-β/Bmp сигнального пути (Ltbp1, 2, 3; Tgf-β2; Gremlin), которые позитивно контролируются в bulge.

SIGNALING AND STEM CELL FATE SPECIFICATION IN THE SKIN

Wnt/β-Catenin Signaling

Сигнальный путь Wnt/β-catenin законсервирован в царстве эукариот, где он контролирует мириады различных клеточных решений во время эмбрионального и постнатального развития (Figure 4a). Дизрегуляция Wnt ведет к дисбалансу пролиферации и дифференцировки, часто приводя к раку (Reya et al. 2001).

Wnts составляют большое семейство богатых цистином секретируемых гликопротеинов, которые активируют Frizzled рецепторы, которые в свою очередь стимулируют каскад событий, кульминацией которого является стабилизация и накопление цитоплазматического β-catenin. Обычно клеточный β-catenin находится в комплексе с E-cadherin и α-catenin в слипчивых соединениях, а свободный цитоплазматический β-catenin деградируется с помощью протеосом. Благодаря передаче сигналов Wnt избыток β-catenin больше не деградирует и он свободен для образования комплексов с и активации членов семейства Tcf/Lef1 транскрипционных факторов (Logan & Nusse 2004)(Figure 5).

В коже Wnt и β-catenin играют разнообразные роли в морфогенезе HF, поддержании и/или активации SC, дифференцировке стержня волоса и также в формировании pilomatricoma опухолей у мышей и людей (Alonso & Fuchs 2003). Активация передачи сигналов Wnt/β-catenin является критической первой стадией морфогенеза HF, это демонстрируетя отсутствием образования плакод при условном устраненении β-catenin (Huelsken et al. 2001) или конституитивной экспрессии растворимого Wnt ингибитора (Dkk1) (Andl et al. 2002). Хотя источник и идентификация предполагаемого Wnt сигнала, необходимого для индукции образования плакод, остаются неизвестными, это может быть первый сигнал от дермы, инструктирующий эпидермальные клетки делать волос. В согласии с этим мнением находится активация как в плакодах, так и в постнатальных зародышах волос Wnt репортерного гена, управяемого lacZ под контролем энхансера, состоящего из мультимеризованных связывающих сайтов для Lef1/Tcf ДНК-связывающих белков, которые взаимодействуют с и активирубются за счет ассоциации с β-catenin (DasGupta & Fuchs 1999, Reya & Clevers 2005) (Figure 4b). Экспрессия ядерного β-catenin и Lef1 также обнаруживаются в эмбриональных плакодах и постнатальных зародышах волос в это время (Merrill et al. 2004, van Genderen et al. 1994, Zhou et al. 1995). Noggin, растворимый ингибитор Bmps, экспрессируется с помощью мезенхимного конденсата и необходим для ранней стадии морфогенеза и циклов HF. Он, по-видимому, действует, по крайней мере частично, обеспечивая экспрессию Lef1 (Botchkarev et al. 2001, Jamora et al. 2003).

Исследования трансгенных мышей подтверждают роль передачи сигналов Wnt в спецификации развития HF. Мыши, экспрессирующие конституитивно сбабилизированный β-catenin (ΔNβ-catenin), демонстрируют de novo HFs (Gat et al. 1998) (Figure 4c), в то время как мыши, лишенные Lef1 (van Genderen et al. 1994) или β-catenin (Huelsken et al. 2001) или избыточно экспрессирующие Wnt ингибитор Dkk1, обнаруживают очень мало фолликулов (Andl et al. 2002).

Постнатально наиболее сильный Wnt сигнал ассоциирован с окончательно дифференцированными кортикальными клетками ости волоса (DasGupta & Fuchs 1999) (Figure 4b). Гены кератинов волос обладают Lef1/Tcf DNA-связывающими доменами и являются bona fide мишенями для Wnt обеспечиваемой экспрессии генов (Merrill et al. 2001, Zhou et al. 1995). Эти клоны матричных клеток, по-видимому, обособлены для сильной передачи сигналов Wnt, т.к. K14-ΔNβ-catenin трансгенные мыши дают pilomatricomas, которые представлены чистыми опухолевыми массами из кортикальных клеток (Gat et al. 1998). Сходным образом, большинство человеческих pilomatricomas содержат N-терминальные стабилизирующие мутации в кодирующей последовательности гена β-catenin (Chan et al. 1999, Xia et al. 2006).

В противоположность кортикальным клеткам, bulge в основном молчащие по отношению к активности Wnt репортера (DasGupta & Fuchs 1999). Данные по микромассивам подтверждают, что bulge находятся обычно в Wnt-ингибированной среде, показывая на активацию генов, кодирующих предположительно Wnt-ингибирующие факторы (sFRP1, Dkk3, Wif ), и подавление генов, кодирующих способствующие Wnt факторы в bulge (Wnt3, Wnt3a). Однако, bulge SCs экспрессируют ряд frizzled поверхностных рецепторов (Fz2, 3 и 7 ), позволяющих им воспринимать Wnt сигналы, а также связаныые с предачей сигналов Wnt транскрипционные факторы (Tcf3, Tcf4, Tle1, Ctbp2), позволяющие им передавать сигналы Wnt (see Tumbar et al. 2004). В этом отношении, Tcf3 очень интересен, т.к. он, как было установлено, действует как репрессор в отсуствие передачи сигналов Wnt (Merrill et al. 2001, 2004). Всё это указывает на то, что bulge SCs являются латентными, находятся в состоянии ингибирования Wnt и что передача сигналов Wnt играет ключевую роль в направлении этих клеток по пути дифференцировки клона волоса (Figure 4d). Некоторые исследования показывают, что роль передачи сигналов Wnt в постнатальных HF может быть даже более широкой. Участие Wnts в морфогенезе HF указывает на то, что передача сигналов Wnt может быть важной для активации bulge SCs. Согласуется с этим мнением присутствие немногих Wnt-reporter-driven, LacZ-позитивных, bulge клеток в начале волосяного цикла (DasGupta & Fuchs 1999). Ряд активированных bulge клеток может быть существенно улучшен путем разведения Wnt-reporter мышей на фоне K14-ΔNβ-catenin мышей; на большинстве стадий волосяного цикла, однако, bulge остаются молчащими в отношении активности Wnt-reporter (DasGupta&Fuchs 1999, Merrill et al. 2001).

Путем индукции экспрессии стабилизированного β-catenin в telogen-фазе фолликулов, некоторые группы наблюдали преждевременную активацию регенерации волос (Lo Celso et al. 2004, Lowry et al. 2005, Van Mater et al. 2003), по способу, напоминающему морфогенез фолликула de novo, который происходит в IFE (Gat et al. 1998). Несмотря на преждевременный переход от ст. telogen к anagen, K14-ΔNβ- catenin bulge повторно входят в свое относительное состояние молчания, как только фолликул врастает вниз (Lowry et al. 2005). Эти находки показывают, что некоторые дополнительные факторы необходимы в дополнение к усилению передачи сигналов Wnt, чтобы изменить статус Lef1/Tcf-регулируемых генов (включая TopGal) и активировать bulge SCs. Можно предположить, что этот сигнал исходит из DP, учитывая тесную близость DP к bulge перед началом цикла волоса. Одним из кандидатов может быть Bmp-ингибитор Noggin, продуцируемый DP, и как было показано. необходимый для экспрессии Lef1 в эмбриональной волосяной плакоде и в матричных клетках также (Andl et al. 2004, Botchkarev et al. 1999, Jamora et al. 2003, Kobielak et al. 2003). Fgf7 и Fgf10 являются дополнительными кандидатами, как известно, экспрессирующими в bulge и оказывающие влияние на морфогенез фоликулов (Guo et al. 1993, Petiot et al. 2003).

Несмотря на постоянное присутствие повышенного уровня стабилизированного β-catenin, размер SC ниш не меняется с течением времени (Lowry et al. 2005). Это означает, что если повышенный уровень β-catenin способствует самообновлению bulge SCs, то это д. сопровождаться увеличением скорости, с которой SCs покидают ниши. Два фактора согласуются с этим мнением, этот то, что удержание BrdU-метки

Figure 4 The Wnt/β-catenin signaling pathway during hair follicle (HF) morphogenesis and regeneration. (a) Schematic of the canonical Wnt pathway (for more details, see http://www.stanford.edu/%7Ernusse/). In the absence of aWnt signal, the excess of cytoplasmic β-catenin is targeted for degradation through its association with a multiprotein complex. Upon binding Wnt, its activated receptor complex recruits certain key components of the β-catenin degradation targeting machinery. Stabilized free cytoplasmic β-catenin is now translocated to the nucleus, where it can associate with transcription factors of the LEF/TCF family to transactivate the expression of their target genes. (b) Loss- and gain-of-function studies in mice have highlighted the different functions of Wnt/β-catenin signaling during morphogenesis and adult skin homeostasis. During HF morphogenesis, Wnt/β-catenin is required to specify the HF (placode) fate in the undifferentiated basal epidermis. During the adult hair cycle, Wnt/β-catenin is required to maintain HF stem cell (SC) identity. As judged by aWnt reporter transgene, an increase in Wnt signaling promotes SC activation to initiate the growth of a new hair during the telogen-to-anagen transition. An even stronger signal appears to be involved later at the transition of matrix cells to commit to terminally differentiate specifically along the hair shaft lineage. (c)When a constitutively active form of β-catenin is expressed for sustained periods in skin epidermis, mice develop de novo HFs from the interfollicular epidermis (IFE), outer root sheath (ORS), and sebaceous glands (SGs). Eventually, these mice develop HF tumors called pilomatricoma, which consist of immortalized matrix-like cells at the periphery, and pure hair cells in the centers (no inner root sheath or companion layer cells). Visualization was enhanced by breeding the K14-N mice on a background of K14-GFP mice. (d ) The different signal strengths of Wnt reporter gene activity, combined with the β-catenin dosage dependency associated with these different outcomes in mice, can be explained by a model whereby the effective strength of Wnt signaling controls the behavior and fate of the follicle SC. Note: The so-called gradient of Wnt activity refers to the status of Tcf/Lef/β-catenin transcriptional activity within the cell, which in fact could be achieved as a gradient, without even involving aWnt per se. DP, dermal papilla.

Figure 5 The sonic hedgehog (Shh) signaling pathway during hair follicle morphogenesis and adult hair cycle. (a) Schematic of the Shh pathway. In the absence of Shh, its receptor Patched (Ptch) inhibits Smoothened (Smo) activity. Upon Shh binding, Ptch can no longer repress Smo, which activates the translocation of Gli into the nucleus, allowing it to transactivate its target genes. (b) The role of Shh in the hair follicle. Loss-of-function studies in mice have revealed the importance of Shh in sustaining proliferation in the embryonic and adult hair germ. Gain-of-function studies underscore the striking relation between basal cell carcinomas and deregulation of the Shh pathway. (c) Shh is not expressed in the quiescent bulge stem cells. During hair regeneration, there is a lag before Shh is strongly activated in the developing hair germ. Sustained expression of Shh seems to rely on close association with the dermal papilla (DP). Both in embryonic development and the adult, Shh appears to act downstream of the Wnt/β-catenin signaling pathway. Bu, bulge; HG, hair germ.

редуцируется, а уровень инкорпорации BrdU-метки усиливается в K14-ΔNβ-catenin bulge. Это говорит о том, что это увеличение пролиферации, по-видимому, проявляется при преждевременной активации SC, т.к. оно не сопровождается заметным увеличением в длину волоса или количества клеток в HFs.

Чтобы понять, как повышение β-catenin может способствовать активации SC в bulge, Lowry et al. (2005) осуществляли анализ микромассива для telogen- или anagen-фазных SCs, выделенных из ΔNβ-catenin или дикого типа фолликулов. Интересно, что некоторые telogen-фазные bulge гены, испытывающие влияние со стороны ΔNβ-catenin, оказывались затронутыми сходным образом в нормальных anagen-фазных bulge, это подтверждает, что трансгеном-индуцированные изменения могут отражать естественные изменения, которые происходят при переходе telogen-to-anagen волосяного цикла. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы оценить степень, с которой это происходит, и гены, которые на поверхности в этих массивах, и какую роль могут они играть в Wnt-обусловленной активации bulge SC, включая Cyclin D2 (Ccnd2), Sox4 и Biglycan (Lowry et al. 2005). Др. белком, активируемым в ранних anagen bulge, по-видимому, является транскрипционный корепрессор Hairless, который2, как было предположено, функционирует, блокируя экспрессию растворимого Wnt ингибитора Wise, который в свою очередь, может приводить к Wnt-обусловленной активации SC (Beaudoin et al. 2005). Интересным поворотом является недавнее исследование, показавшее, что Shh является нижестоящей мишенью Wnt-обусловленной активации фолликулярных SCs (Silva-Vargas et al. 2005). Shh является особенно интригующим в качестве Wnt кандидата, т.к. он может интегрировать эти два ключевые сигнальные пути, существенные для морфогенеза HF. На базе дифференциальной экспрессии прямых для Wnt генов мишеней и Shh, кажется маловероятным, что Shh является непосредственной мишенью для пути передачи сигналов Wnt в bulge клетках (Lowry et al. 2005).

Итак, эти находки выявляют последовательные роли передач сигналов Wnt в регулируемых по времени фолликулярных SC клонах, вообще-то по способу, который зависит от уровня сигнала: (a) стабилизация β-catenin способствует активации, пролиферации bulge SC и индукции регенерации фолликулов; (b) стабилизация β-catenin способствует спецификации матричных клеток в терминально дифференцированные вместе с волосяным (кортикальным) клеточным клоном; (c) стабилизация β-catenin способствует de novo морфогенезу HF; и (d) постоянно активная экспрессия активного β-catenin вызывает pilomatricoma волосяные опухоли. Определенная судьба. выбираемая фолликулярной клеткой, по-видимому, зависит от сочетания внутренних и внешних факторов, которые вместе влияют на статус Tcf/Lef1-регулируемых генов. На Wnt-ингибируемом конце спектра находится латентность SC, а на др. Wnt конце туморогенез (Figure 4d ).

Shh Signaling

Подобно Wnt/β-catenin, Shh является древним сигнальным путем, участвующим в спецификации клеточных судеб и пролиферации во время развития животных (Taipale & Beachy 2001). Shh трансмембранным рецептором является Patched (Ptch), который активен в отсутствие Shh (Figure 5a). Ptch функционирует, ингибируя Smoothened (Smo), который является существенным для трансдукции Shh сигнала посредством транскрипционных факторов из семейства Gli, чтобы индуцировать экспрессию генов мишеней. Ptch сам по себе является геном мишенью для Shh в результате локальной секвестрации Shh и ограничения дально-действующей передачи сигналов (Casali & Struhl 2004).

Учитывая выдающееся положение Shh пути в развитии и пролиферации, неудивительно обнаружить, что дисрегуляция этого пути ведет к туморогенезу. Rubin et al. (2005) подтвердили его важность для кожи, обнаружив, что мутации гена Ptch1 вызывают синдром basal cell nevus, наследственную предрасположенность к basal cell carcinomas (BCCs), наиболее частому типу рака кожи у людей. В коже Ptch действует как опухолевый супрессор, т.к. потеря гетерозиготности по локусу Ptch (хромосома 9q22.3) наблюдается при спорадических BCC и в BCCs, выделенных от пациентов с синдромом basal cell nevus (Gailani et al. 1996, Hahn et al. 1996, Johnson et al. 1996, Unden et al. 1996). Активирующие мутации Smo также были выявлены в спорадических BCCs (Xie et al. 1998), а избыточная экспрессия Shh, Smo, Gli1 или Gli2 ведет к BCCs у мышей (Dahmane et al. 1997, Grachtchouk et al. 2000, 2003; Hutchin et al. 2005; Oro et al. 1997; Xie et al. 1998). Недавно Vidal et al. (2005) продемонстрировали, что HMG транскрипционный box фактор, Sox9, также активирован в BCC, а эксперименты по epistasis подтвердили, что Sox9 является нижестоящим в Shh сигнальном пути в коже.

BCCs, как полагают, возникают из HFs, и в согласии с этим мнением Shh экспрессируется в волосяных плакодах эмбриональной кожи (St-Jacques et al. 1998) (Figure 5b). Как выясненео с помощью экспрессии Ptch, Shh скорее всего является сигналом как в эпителиальном зародыше волоса, так и в подлежащем мезенхимном конденсате, подтвержая его потенциальную роль в эпителиально-мезенхимном взаимодействии, существенном для формирования фолликула (Oro & Higgins 2003, Oro et al. 1997). Мутации потери функции в Shh всё ещё пермиссивны для формирования зародыша волоса, что помещает Shh генетически ниже передач сигналов Wnt и Noggin (Figure 5c). Однако, плакоды неспособны развиваться дальше, т.о., это ставит Shh выше пролиферативного каскада, существенного для HF морфогенезе (Chiang et al. 1999, St-Jacques et al. 1998,Wang et al. 2000). Мыши, дефицитные по Gli2 имеют фенотип, сходный с таковым Shh-нулевых мышей, следовательно, Shh действует в основном посредством Gli2 в HF(Mill et al. 2003).

Передаача сигналов Shh также важна для регенерации фолликулов во время волосяного цикла у взрослых. Хотя и не экспрессируется в bulge, но Shh экспрессируется в матриксе и в разивающемся зародыше, когда он становится поляризованным на одну сторону во время хода фазы anagen (Figure 5b). Механизмы, лежащие в основе этой изящной рестрикции экспрессии, не изучены, но передача сигналов Shh скорее всего затрагивает матрикс, как показывает экспрессия Ptch (Gat et al. 1998, Oro & Higgins 2003). Т.к. было предсказано, исходя из относительных ролей передач сигналов Shh и Wnt в эмбриональной коже, анти-Shh антитела, поступающие в постнатальные фолликулы, блокируют ход фазы anagen (Wang et al. 2000), и сходным образом ингибитор Shh cyclopamine блокирует регенерацию волос (Silva-Vargas et al. 2005). Напротив, Shh или низко-молекулярный Shh агонист ускорят процесс перехода от telogen к anagen (Paladini et al. 2005, Sato et al. 1999).

В то время как Shh играет роль в пролиферации клеток матрикса в волосяном цикле, Indian hedgehog (Ihh) экспрессируется в салных железах. Кроме того, обе сальные опухоли у мышей и людей избыточно экспрессируют Ihh, но не Shh. В нормальных сальных железах, Ihh экспрессируется в дифференцирующихся sebocytes, a ядерный Gli1 присутствует в предшественниках sebocyte (Niemann et al. 2003). In vitro ингибирование передачи сигналов hedgehog ингибирует рост и стимулирует дифференцировку sebocytes, указывая тем самым на паракринный механизм, с помощью которого Ihh секретируется дифференцированными sebocytes, стимулируя пролиферацию предшественников sebocyte (Niemann et al. 2003). Избыточная экспрессия трансгена др. членов семейства Shh показывает, что Desert hedgehog является функциональным гомологом Shh в коже (Adolphe et al. 2004).

Bone Morphogenetic Protein Signaling

Bmps являются секретируемыми белками, которые активируют передачу сигналов путем связывания трансмембранного рецепторного комплекса, состоящего из Bmpr1a и Bmpr1b рецепторов. После связывания лиганда Bmpr1b фосфорилирует цитоплазматический конец Bmpr1a, который в свою очередь фосфолрилирует R-Smad ДНК-связывающий белок (Smad 1, 5, и 8), которые в свою очередь формируют комплексы с одним из своих партнеров Smads (обычно с Smad 4), чтобы транслоцироваться в ядро и обеспечить экспрессию генов мишеней (Shi & Massague 2003) (Figure 6a).

Bmpr1a экспрессируется в большинстве развивающегося эпителия кожи. Паттерн экспрессии Bmp особенно тщательно изучен для HF. В раннем развитии кожи Bmp2 экспрессируется в эпителии плакод, тогда как Bmp4 экспрессируется в подлежащей мезенхиме (Kratochwil et al. 1996; Lyons et al. 1989, 1990; Wilson et al. 1999). Во взрослых HFs Bmps также, по-видимому, функционируют в эпителиально-мезенхимных взаимодействиях. В DP, Bmp4, -6 и -7 экспрессируются (Kratochwil et al. 1996; Lyons et al. 1989, 1990; Rendl et al. 2005;Wilson et al. 1999), хотя Bmp6 может также действовать в bulge SC для молчания и/или поддежания (Blanpain et al. 2004). Кроме тоого, Bmps дифференциально экспрессируются в различных клонах HF, с Bmp7 и -8 в IRS и Bmp2 и -4 в предшественниках ости волоса.

Роль передачи сигналов Bmp в развитии кожи начинается в нейроэпителии, когда передача сигналов Bmp специфицирует недетерминированные эктодермальные клетки в направлении эпидермиса (Nikaido et al. 1999). Как только эмбриональные кожные SC клетки предшественники специфицируются, то следующим перекрёстком для передачи сигналов становятся

Figure 6 Bone morphogenetic protein (BMP) signaling pathway during hair follicle morphogenesis and differentiation. (a) Schematic of the BMP pathway. The extracellular availability of BMP proteins is tightly regulated by soluble BMP inhibitors such as Noggin. BMP dimers bind a heterodimeric receptor complex (BMPR-I and BMPR-II) that phosphorylates and activates R-Smad (Smads 1, 5, and 8), which then associates with its co-Smad (Smad 4) partner. Once activated, the R-Smad/co-Smad complex is translocated into the nucleus, where it transactivates its target genes. (b) Role of BMPs in hair follicle morphogenesis. BMP signals are transmitted to and from the overlying epidermis to underlying dermal condensates. Although the role these BMP signals play is not fully understood, this exchange of signaling is thought to play a role in the early specification of sites of hair follicle morphogenesis. As dermal condensates form, they express the BMP-inhibitor Noggin, which is required for normal follicle development and permissive for Lef1 expression and Wnt signaling. Later, as follicle maturation has progressed, the activation of BMP receptor signaling is essential for the matrix cells to differentiate to form the hair shaft and its inner root sheath (IRS) channel. BMP signaling also regulates epidermal proliferation in the skin. DP, dermal papilla.

узловые точки образования волосяных плакод. В процессе, сходном с формированием нервной трубки, образование плакод зависит от Noggin, растворимого ингибитора передачи сишналов Bmp (Botchkarev et al. 1999, Jamora et al. 2003). Условное устранение гена Bmpr1a также приводит к накоплению больших масс недифференцированных, экспрессирующих Lef1, плакода-подобных клеток, что еще больше подчеркивает роль ингибирования Bmp на ранних стадиях морфогенеза HF (Andl et al. 2004, Kobielak et al. 2003). Условное целенаправленое нарушение гена Bmpr1a также выявляет позитивную роль передачи сигналов Bmp для дифференцировки матричных клеток в IRS и клоны ости волоса (Andl et al. 2004, Kobielak et al. 2003, Ming Kwan et al. 2004, Yuhki et al. 2004). Некоторые маркеры дифференцировки матричных клеток (FoxN1/nude, Hoxc13, Msx2, and GATA3) строго редцуировались или отсутствовали после устранения Bmpr1a. Заметно и в резком контрасте экспрессия Shh и Lef1 расширялась, как это наблюдалось и у трансгенных мышей, экспрессирующих Noggin под контролем промотора Msx2 (Kulessa et al. 2000). Ядерный β-catenin также уменьшался в Bmpr1a-дефицитных матричных клетках, демонстрируя, что передача сигналов Bmp находится иерархически выше передачи сигналов β-catenin во время дифференцировки матричных клеток. Эти находки подтверждают мнение, что ингибирование сигналов Bmp необходимо для активации SC , чтобы специфицировать судьбы HF клеток, в то время как передача сигналов Bmp необходима для дифференцировки активированных SCs, чтобы воспринять судьбу одного или более из 6 различных клонов, составляющих зрелые HF (Kobielak et al. 2003).

Несколько др. линий доказательств указывают на то, что ингибирование передачи сигналов Bmp способствует активации SC. При завершении нормального цикла волоса пролиферация затухает и HF вступает в деструктивную фазу (catagen). Напротив, Bmpr1a-нулевой ORS продолжает пролиферировать и врастать вниз, приводя к накоплению матричных клеток и к формированию фолликулярных опухолей (Andl et al. 2004, Ming Kwan et al. 2004). Напротив, обработка культивируемых bulge SCs с помощью BMP6 ингибирукет их пролиферацию и ведет к временному выходу из клеточного цикла (Blanpain et al. 2004, Botchkarev et al. 1999).

Notch Signaling

Одинаково с др. сигнальными путями передача сигналов Notch участвует в принятии решений разнообразных клеточных судеб во всем животном царстве. Трансмембранные Notch рецепторы (Notch1–4 у млекопитающих) связывают трансмембранные лиганды или Jaggeds (2) или deltas (3). После соединения с лигандом мембранные Notch рецепторы последовательно расщепляются, сначала с помощью metalloproteinase, а затем с помощью γ-secretase, в результате высвобождается активный Notch intracellular domain (NICD), что позволяет ему транслоцироваться в ядро и ассоциировать с ДНК-связывающим белком RBP-Jк. После соединения с NICD, RBP-Jк превращается из транскрипционного репрессора в активатор, приводя к индукции нижестоящих генов мишеней для Notch (Artavanis-Tsakonas et al. 1999) (Figure 7a).

Множественные компоненты пути передачи сигналов Notch экспрессируются в эмбриональном и взрослом эпидермисе. Во время ранней стадии стратификации эпидермиса, Notch1 экспрессируется и активирует базальные и suprabasal клетки эпидермиса и сальных желез (Okuyama et al. 2004, Rangarajan et al. 2001) (Figure 7b). На более поздних стадиях эпидермальной стратификации активность Notch1 снижается в базальном слое и становится более ограниченной spinous слоем (K1-позитивными клетками) (Okuyama et al. 2004). Потеря функции Notch1 приводит к дефектам дифференцировки IFE (Rangarajan et al. 2001).

В HF, Notch1–3 экспрессируется в пролиферативных матричных клетках и в дифференцирующихся HF клетках (Kopan & Weintraub 1993, Pan et al. 2004) (Figure 7b). Когда и Notch1 и Notch2 или PS1 и PS2 гены, участвующие в пройессинге Notch, условно устраняются в матриксе, то HFs уменьшаются в количестве и возникают эпидермальные кисты, это подчеркивает роль пердачи сигналов Notch в созревании и дифференцировке фолликул (Pan et al. 2004). Последствия делеции Notch1 являются непосредственно наиболее повреждающими для сальных желез, которые уменьшаются у одиночных условно нокаутных особей; в отсутвтвии Notch1 и Notch2, сальные железы совершенно отсутствуют (Pan et al. 2004). Условный таргетинг гена RBP-Jк также вызывает потерю волос и образование эпидермальных кист (Yamamoto et al. 2003).

Связанная с естественной ролью передачи сигналов Notch в коже, потеря Notch 1 потенциирует формирование кожных опухолей после химически индуцированного канцерогенеза (Nicolas et al. 2003). Напротив, NICD избыточная экспрессия в культивируемых

Figure 7 Notch signaling pathway during epidermal stratification and hair follicle differentiation. (a) Schematic of canonical Notch signaling. Upon ligand ( Jagged or Delta) binding, the Notch transmembrane receptor is cleaved by proteases (ADAM protease and г-secretase), releasing the Notch intracellular domain (NICD), which can then translocate into the nucleus and associate with the DNA-binding protein RBP-Jk to permit transcription of target genes. (b) Role of Notch1 in skin development. Notch1 is cleaved and generates its active form, NICD1, which controls epidermal stratification and differentiation. Early, NICD1 is present in basal cells but later it is found primarily in suprabasal cells. Loss-of-function studies suggest that Notch1 acts as a tumor suppressor in skin epidermis to restrict proliferation to the basal layer. Notch1 also plays a role in the hair follicle, where it has been demonstrated to play a critical role in the differentiation of the inner root sheath and the hair shaft.

клетках ингибирует пролиферацию кератиноцитов, частично путем позитивной регуляции гена мишени p21, который обладает функциональным сайтом связывания RBP-Jк внутри своего промотора (Rangarajan et al. 2001).Хотя эти исследования подчеркивают роль Notch в дифференцировке волос и ингибировании пролиферации, устойчивая активация передачи сигналов Notch посредством избыточной экспрессии NICD1 в предшественников волосяного остова неожиданно способствовала пролиферации матричных клеток и нарушала дифференцировку ости волоса (Lin & Kopan 2003, Lin et al. 2000). Эти находки показывают возможность, что роли передачи сигналов Notch в эпидермисе и в HF могут быть различными.

Дальнейшая информация о передаче сигналов Notch в коже получена в исследованиях формирования перьев у птиц. Как и у мышей, Notch1 экспрессируется в эпидермальных плакодах кур, а delta экспрессируется в подлежащей мезенхиме. Избыточная экспрессия Delta на небольших эпидермальных участках ведет к ускорению развития перьев, в то время как массивная избыточная экспрессия в эпидермисе ведет к снижению развития перьев (Crowe et al. 1998). Эти находки подтверждают модель, согласно которой передача сигналов Notch способствует развитию HF в предсуществующих плакодах, но ограждает соседние клетки от адаптирования сходной судьбы. Обобщение этой модели для развития др. придатков у др. видов нуждается в дальнейших исследованиях, но модель отражает предачу сигналов Notch в спецификации эпидермальной и нейральной судеб у Drosophila.

Хотя потеря Notch1 в эпидермисе не влияет на ранний морфогенез фолликулов, она прогрессивно снижает поличество HFs со временем (Vauclair et al. 2005). Пока всё ещё неясно, какие существуют нижестоящие гены, регулируемые с помощью предачи сигналов Notch в эпидермисе, и как эти гены осуществляют свои клеточные функции. Предстоит также установить, как передача сигналов Notch действует в нишах bulge SC, как Notchрегулирует клеточный цикл и как путь передачи сигналов Notch связан с др. сигнальными путями, влияющими на поддержание и активацию SC.

CONCLUSIONS

In summary, the function of these four signaling pathways (Wnt/β-catenin, Shh, BMP, and Notch) is conserved during both HF morphogenesis and adult HF regeneration (Figure 8). Wnt/β-catenin acts to specify the hair placode and bulge SC identity, and it seems to function in SC activation. It is still unclear whether the activation of the Wnt/β-catenin pathway is caused by a decrease of a Wnt inhibitor and/or an increase of a Wnt activator. Shh acts genetically downstream of Wnt/β-catenin and is necessary for the proliferation of both embryonic and adult hair germs during HF progression. It remains to be determined whether Shh is a direct Wnt/β-catenin target in the adult SC or whether Shh is activated by an intermediary. HF differentiation into the IRS and hair shaft cells is controlled by bothBMPand Notch. It is currently unknown whether these two pathways intersect, but BMP is necessary for the expression of nuclear β-catenin found during terminal differentiation of the hair shaft precursor cells.

OTHER GENES IMPLICATED IN SKIN STEM CELL BIOLOGY

Концы хромосом, называемые теломерами, т.к. они состоят из коротких, тандщемных повторяющихся последовательностей ДНК, которые ассоциируют со специфическими белками и защищают концы хромосом от деградации и рекомбинации. Telomerase является обратной транскриптазой, которая синтезирует повторы ДНК, стобы обойти укорочение теломер во время репликации ДНК. Telomerase reverse transcriptase (TERT) является каталитической сбюуъединицей белкового комплекса, который создает telomerase. Telomerase позитивно регулируется во многих раковых опухолях людей, а TERT кооперирует с др. онкогенами, чтобы трансформировать нормальные клетки в опухолевые клетки (Blackburn 2001).

TERT, как полагают, увеличивает пролиферативный потенциал клеток и, следовательно, она, как предполагается, играет рольв биологии SC. Когда используется K5 промотор для упарвления избыточной экспрессией TERT в базальном эпидермальном слое трансгенных мцшей, то животные являются более чувствиетельными к туморогенезу кожи, когда подвергаются действию химических канцерогенов и они репарируют свои ранения более быстро (Gonzalez-Suarez et al. 2001). Напротив, мыши, дефицитные по TERC, др. ключевому компоненту telomerase, являются резистентными к канцерогенезу кожи с помощью химических соединений (Gonzalez-Suarez et al. 2000).

В bulge SCs, повышенная активность TERT вызывает пролиферацию и преждевременнрое вступление в стадию anagen (Flores et al. 2005, Sarin et al. 2005). Flores et al. (2005) полагают, что снижение эпидермальной пролиферации, обнаруживаемое у TERC-нулевых мышей, отражает важность telomerase и длины теломер в поведении bulge SC. Напротив, Sarin et al. (2005) неожиданно открыли, что TERC затрагивает

Figure 8 Summary of the signaling pathways involved in hair follicle morphogenesis and regeneration. This schematic summarizes many of the signaling pathways involved in hair follicle morphogenesis and hair follicle regeneration. Wnt/β-catenin signaling acts early in hair follicle specification and quiescent bulge stem cell (SC) activation. The sonic hedgehog (Shh) signaling pathway acts in the second step to promote embryonic and adult hair germ proliferation. Bone morphogenetic protein (BMP), Notch, and Wnt/β-catenin signaling pathways act further downstream to allow the normal differentiation of matrix cells into the hair shaft (HS) and its inner root sheath (IRS) envelope.

кожу способом, независимым от его роли в функции telomerase и длины теломер. Обе группыц постулировали, что TERT и TERC осуществляют свою функцию в латентных SCs внутри bulge. Однако, учитывая необходимость постоянной пролиферации в матричных клетках во время фазы роста их волосяного цикла, кажется наиболее правдоподобным, что необходимость в усиление конвенциональной активности д. сказываться на пролиферации матричного компартмента скорее, чем на не часто делящихся клетках в bulge. Необходимы дополнительные исследования, чтобы прояснить эти конфликтующие результаты и установить механизм, с помощью которого избыточная экспрессия telomerase делает возможной или облегчакт кожный канцерогенез и активацию SC.

Bulge SCs обладают повышенными уровнями нескольких связанных с цитоскелетом генов, как известно, регулируемых с помощью малых G белков из Rho семейства малых GTPases. Rac является плейотропным регулятором динамики актина, межклеточной адгезии и клеточной миграции и поэтому она экспрессируется широко в пролиферирующих клетках. Условное устранение гена Rac1 в пролиферирующих кератиноцитах кожи быстро истощает пролиферативный компартмент приводя к мобилизации и деплеции SCs (Benitah et al. 2005).

A priori, сходный исход можно ожидать при деплеции многих разного типа важных эпидермальных генов. Однако, Rac1 особенно интересен, Watt и др. (Arnold & Watt 2001, Braun et al. 2003, Frye et al. 2003,Waikel et al. 2001) благодаря тому, что он является негативным регулятором c-Myc, чья повышенная экспрессия, как сообщалось, истощает популяцию bulge LRCs. Было бы интересно в будущем посмотреть степень. с которой, как предполагают авт., Rac1 может действовать в узлах переходов между SC и их предетерминированным потомством (Benitah et al. 2005).

Принимая во внимание общее согласие, что избыточная экспрессия c-Myc истощает bulge SCs и направляет их на дифференцировку в направлении эпидермального клона (Arnold&Watt 2001, Braun et al. 2003, Frye et al. 2003, Waikel et al. 2001), стало неожиданностью, что условная потеря эндогенного c-Myc также ведет к потере bulge LRCs и преждевременной дифференцировке базальных эпидермальных клеток (Zanet et al. 2005). Хотя повреждения всё ещё отсутствиуют, одним из возможных объяснений кажущихся расходящимися результатов между избытой и потерей функции c-Myc является то, что c-Myc действует во многих точках в направлении bulge SC выделения клонов, а пердурбации одной или нескольких из этих ступеней могут косвенно влиять на поведение SCs. В согласии с этим мнением то, что исследования избыточной и недостаточной функции подчеркивают роль c-Myc в управлении клоном сальных желез, который как полагают также имеет отношшение к SCs.

SUMMARY POINTS

1. The skin epithelium is a complex tissue containing three distinct lineages that form the IFE, the HF, and the sebaceous gland.

2. The IFE constantly self-renews to provide a new protective layer at the skin surface, and HFs undergo a perpetual cycle of growth and degeneration to ensure the renewal of the hair pelage.

3. Different populations of progenitor cells contribute to lineage homeostasis, but to date, only bulge SCs have been demonstrated clonally to be multipotent with the ability to differentiate into all three differentiation lineages.

4. Bulge SCs can be activated and mobilized, at each cycle of hair follicle regeneration and after wound healing, to provide cells for tissue repair.

5. Recent progress in the isolation and molecular characterization of bulge SCs has provided new insights into the various mechanisms implicated in SC maintenance and activation.

6. Conserved signaling pathways regulating developmental decisions throughout the animal kingdom are reutilized during adult life to regulate the functions of skin epithelial SCs, and deregulation of these signaling pathways leads to the development of cancer in various tissues.

FUTURE DIRECTIONS

In this review, we try to highlight some of the significant advances made recently in skin stem cell biology, and we place them within the context of the historical foundations that made this current research possible. In closing, we offer a few of the unanswered questions in the field of skin stem cells that we think are likely to capture the attention of skin biologists in the years to come.

1. Do common molecular mechanisms govern the fundamental characteristics shared by adult skin SCs and other SCs, namely self-renewal and maintenance of the undifferentiated state? Comparisons of the transcriptional profiles of different types of SCs isolated directly from their respective tissues should help to identify possible candidates, as will the profiling of SCs residing in and out of their niches, and in quiescent and activated states. As candidate genes are identified, functional analyses of putative self-renewal or differentiation inhibitory SC genes in skin should reveal their importance and begin to unravel the pathways involved.

2. What is the mechanism by which quiescent bulge SCs are activated? Little is known about the signals needed to mobilize bulge SCs to reepithelialize epidermal wounds and to replenish the sebaceous gland. Even for the better understood process of SC activation during the hair cycle, a number of key issues remain unsolved. At the crux of the problem is whether follicle SC activation involves an intrinsic clock mechanism and/or whether it involves a signal from the DP. Although a change in the status of Lef1/Tcf/β-catenin-regulated genes has been implicated in follicle SC activation, it is still not clear where a Wnt signal is involved, where it comes from, how the pathway exerts its effects, how it converges with other key signaling pathways, and how the program of gene expression is established that leads to follicle formation.

3. What is the relationship between the bulge SCs and the proliferative compartments of the epidermis, sebaceous gland, and HF? Do proliferating skin keratinocytes retain unipotent or even multipotent SC properties, or are they committed to embark on a terminal differentiation program? The point of no return in the skin SC field is an important one. Lineage-tracing experiments and the recent studies on asymmetric cell divisions in the skin provide new insights into these issues, but additional studies are now needed to illuminate the molecular relations between these different proliferative populations within the skin.

4. What is the relationship between the multipotent progenitors of embryonic skin epidermis and the multipotent SCs of the bulge? Embryonic skin effectively begins as a single layer of multipotent progenitors, but they differ from bulge SCs in their proliferative status and their lack of an apparent niche. Are bulge SCs simple quiescent counterparts of their embryonic brethren, or are there intrinsic differences between them? As methods are honed to isolate and characterize the early embryonic SCs, this relationship should become clearer. Additionally, it will be helpful to trace the development of the bulge from its early origins to its site in the postnatal follicle.

5. Are SCs at the root of cancers in the skin? Cancer is the result of a multistep process requiring the accumulation of mutations in several genes. For most cancers, the target cells of oncogenic mutations are unknown. Adult SCs may be the initial target cells, as they self-renew for extended periods of time, providing increased opportunity to accumulate the mutations required for cancer formation. Certain cancers contain cells with SC characteristics with high self-renewal capacities and the ability to re-form the parental tumor on transplantation. However, whether the initial oncogenic mutations arise in normal SCs or in more differentiated cells that reacquire SC-like properties remains to be determined. The demonstrations that SCs are the target cells of the initial transforming events and that cancers contain cells with SC characteristics await the development of tools allowing for the isolation and characterization of normal adult SCs. For most epithelia in which cancer arises, such isolation techniques are not available. The new methods to isolate and specifically mark skin SCs make it now possible to test experimentally the cancer SC hypothesis in the skin.

Epidermal Stem Cells of the Skin Cґedric Blanpain and Elaine Fuchs Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2006. 22:339–73

Epidermal Stem Cells of the Skin
Cґedric Blanpain and Elaine Fuchs
Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2006. 22:339–73