У взрослых стволовые клетки (SCs) важны для нормального гомеостаза и репарации ткани. Кожный эпителий состоит из стратифицированного эпидермиса, который выполняет барьерную функцию кожи и её придатков, таких как волосяные фолликулы, жировые и потовые железы (Blanpain and Fuchs, 2006). Hair follicle stem cells (HFSCs) располагаются в нише, называемой вздутием, расположенным непосредственно ниже сальной железы. Большинство клеток вздутия делятся медленно и поддерживают пропорцию делящихся волосяных фолликулов (HF) во время обычного оборота волоса (Cotsarelis et al., 1990; Morris et al., 2004; Tumbar et al., 2004). Кроме того, в ответ на ранение они могут быть моблизованы к месту раны и регенерировать стратифицированный эпидермис (Tumbar et al., 2004; Ito et al., 2005). HF представлен концентрическими слоями эпителиальных клеток, окружающих ость волоса. Потомки SCs из вздутия дают временно амплифицирующиеся клетки в матриксе HF, которые дифференцируются во все внутренние слои HF, включая и стержень волоса.
В течение взрослой жизни HFs циклически дегенерируют и регенерируют и нуждаются в циклической активации SC для поддержания их гомеостаза (Schneider et al., 2009). После фазы роста (anagen), HFs вступают в деструктивную фазу (catagen), во время которой клетки в нижней части HFs подвергаются апоптозу. HFs затем проходят через фазу покоя (telogen) прежде чем свтупить повторно в ледующую фазу роста. На определенных стадиях волосяного цикла, HFSCs получают или ингибирующие или активирующие сигналы от микро- и макро-окружения, чтобы или остаться покоящимися или стать пролиферативными (Lee and Tumbar, 2012; Sennett and Rendl, 2012).
Два сигнальных пути, которые играют ключевую роль в управлении волосяным циклом во время telogen и anagen, это bone morphogenetic protein (BMP) и β-catenin/Wnt пути (Plikus, 2012). Во время фазы telogen, высокий уровень передачи сигналов BMP удерживает HFSCs в покоящемся состоянии (Plikus et al., 2008). Делеция BMP рецептора Bmpr1a во взрослых HFs ведет к преждевременной активации HFSCs (Kobielak et al., 2007). Сходным образом, избыточная экспрессия BMP антагониста noggin активирует рост HF и укорачивает фазу telogen (Botchkarev et al., 2001; Plikus et al., 2008). Напротив, избыточная экспрессия BMP задерживает рос HF и тем самым удлиняет фазу telogen.
Во время перехода от telogen к anagen, подавление BMP совпадает с активацией передачи сигналов β-catenin/Wnt, которая, как полагают, способствует активации стволовых клеток и росту HF (Plikus, 2012). Избыточная экспрессия β-catenin вызывает пролиферацию HFSC и способствует преждевременному вступлению в фазу anagen (Lowry et al., 2005). Напротив, устранение β-catenin dj взрослых HFs предупреждает активацию HFSCs и ингибирует вступление в (Lowry et al., 2005).
Недавно было показано, что передача сигналов Tgfβ2 и FGF также регулирует переход от telogen к anagen. Активация передачи сигналов Tgfβ2 или Fgf7 может индуцировать инициацию anagen (Greco et al., 2009; Oshimori and Fuchs, 2012).Напротив, передача сигналов Fgf18 поддерживает HFSCs в фазе покоя (Blanpain et al., 2004; Hsu et al., 2011). Устранение Fgf18 резко укорачивает фазу telogen способом, подобным таковыому при делеции рецептора BMP (Kimura-Ueki et al., 2012). Несмотря на идентификацию этих критических регуляторов фазы telogen и anagen, детали того, как эти регуляторы контролируются, пока неизвестно.
Foxp1 является членом подсемейства Foxp из сверхсемейства Fox (forkhead box) транскрипционных факторов, который характеризуется высоко консервативным forkhead доменом, связывающим ДНК (Benayoun et al., 2011). Известно, что он действует как репрессор и активатор транскрипции, Foxp1 регулирует развитие многих тканей, включая пищевод, легкие, сердце, тимус и спинной мозг (Wang et al., 2004; Hu et al., 2006; Shu et al., 2007; Dasen et al., 2008; Feng et al., 2010; Zhang et al., 2010; Feng et al., 2011; Li et al., 2012). Устранение Foxp1 нарушает развитие B клеток (Hu et al., 2006), а также развитие лёгких и пищевода (Shu et al., 2007). Потеря Foxp1 увеличивает пролиферацию кардиомиоцитов (Wang et al., 2004; Zhang et al., 2010) и нарушает поддержание покоящегося состояния нативных T клеток (Feng et al., 2010; Feng et al., 2011). Foxp1 также подозревается как супрессор опухолей, поскольку его экспрессия снижается в разнообразных опухолях (Banham et al., 2001). Кроме того его потеря ассоциирует с с плохим исходом при некоторых типах рака (Feng et al., 2012).
В данном исследовании мы идентифицировали Foxp1 в качестве ключевого транскрипционного фактора, который поддерживает HFSCs в состоянии покоя. Делеция Foxp1 в эпителии кожи приводит к преждевременной активации SC, это проявляется в неспособности нокаутных волосяных фолликулов оставаться в фазе telogen (покоя). Посредством изучения избыточности и потери функции мы установили, что Foxp1 контролирует экспрессию fibroblast growth factor 18 (Fgf18) и cyclin-dependent kinase (CDK) ингибитора p57KIP2(Cdkn1c - Mouse Genome Informatics). Поскольку потеря Fgf18 также приводит к укорочению фазы покоя, а экзогенный FGF18 устраняет потерю покоящихся SC у
Foxp1 нулевых животных, наши данные строго подтверждают, что Foxp1 является ключевым регулятором Fgf18 состояния покоя SC в нише HFSC .
DISCUSSION
Транскрипционный фактор forkhead Foxp1 регулирует многие различающиеся процессы развития от спинного мозга, лёгких и сердца до развития B и T клеток (Wang et al., 2004; Hu et al., 2006; Shu et al., 2007; Dasen et al., 2008; Feng et al., 2010; Zhang et al., 2010; Feng et al., 2011; Li et al., 2012). В данном исследовании мы показали, что Foxp1 важен для поддержания покоящегося состояния HFSCs. Мыши, лишенные экспрессии Foxp1 в эпителиальных клетках кожи, всё ещё развивают нормально HFs во время морфогенеза и обладают интактной популяцией стволовых клеток, экспрессирующих обычные маркеры. У Foxp1 cKO мышей, однако, HFSCs не поддерживают фазу покоя во время фазы отдыха 2цикла волоса, и поэтому повторно вступают в фазу anagen вскоре после фазы catagen.
В соответствии с ролью Foxp1 в поддержании покоящегося состояния стволовых клеток, мы установили, что избыточная экспрессия Foxp1 в кератинцитах вызывает арест клеточного цикла, при этом наблюдается повышенная экспрессия CDK ингибитора p57KIP2. Напротив, HFSCs из Foxp1 cKO кожи обнаруживают пониженные уровни p57KIP2. Наше наблюдение, что Foxp1 регулирует состояние покоя, согласуется с предыдущими сообщениями в д. тканях. Напр., устранение Foxp1 ведет к увеличению пролиферации кардиомиоцитов, которое сопровождается снижением CDK ингибитора p27KIP1 (Wang et al., 2004). Сходным образом, потеря Foxp1 ведет к утере состояния покоя в тимоцитах и нативных T клетках взрослых (Feng et al., 2010).
Роль p57KIP2 в поддержании клеток в фазеG0/G1 клеточного цикла хорошо известна (Sherr and Roberts, 1995). Наши находки, что уровень p57KIP2 снижается в HFSCs из Foxp1 cKO кожи и увеличивается в кератиноцитах после избыточной экспрессии Foxp1, подтверждает, что Foxp1 может контролировать состояние покоя HFSCs посредством регуляции уровня p57KIP2. Большинство p57KIP2-нулевых мышей погибает вскоре после рождения из-за нарушений клеточной пролиферации и дифференцировки, это приводит к онтогенетическим дефектам разных органов (Yan et al., 1997; Zhang et al., 1997). Хотя некоторые p57KIP2-дефицитные мыши выживают, фенотипические отклонения кожи у них не были отмечены.
Помимо p57KIP2, мы обнаружили, что Fgf18 также является нижестоящей мишенью для Foxp1. Fgf18 обнаруживает выраженное подавление в HFSCs из Foxp1 cKO кожи, тогда как его уровень увеличивается в клетках с избыточной экспрессией Foxp1. Fgf18 ранее был открыт как критический регулятор покоя в HFSCs. Fgf18 экспрессируется во вздутии (bulge), особенно им богат внутренний слой (Blanpain et al., 2004). Удаление или устранение Fgf18-экспрессирующих клеток внутренней части вздутия заставляет фолликулы вступать в фазу anagen, но этот эффект блокируется применением экзогенного FGF18 (Hsu et al., 2011). Сходным образом, генетическая делеция Fgf18 в эпителии кожи коренным образом укорачивает фазу telogen (Kimura-Ueki et al., 2012). Поскольку Fgf18 стоит ниже Foxp1, а устранение или Foxp1 или Fgf18 приводит к укорочению, мы предположили, что Foxp1 поддерживает состояние покоя в HFSCs за счет регуляции Fgf18.
Хотя изменения в экспрессии Foxp1 ведут к изменениям в экспрессии Fgf18, мы полагаем, что Fgf18 является единственной косвенной мишенью для Foxp1. Биоинформационный анализ не выявил консервативных Foxp1-связывающих сайтов в промоторе Fgf18 (data not shown). Принимая во внимание, что члены семейства Foxp прежде всего известны как транскрипционные репрессоры, мы полагаем, что Foxp1 индуцирует экспрессию Fgf18 путем репрессии негативного регулятора(ов) Fgf18.
Хотя наши данные показывают, что Foxp1 поддерживает состояние покоя HFSCs, тот факт, что Foxp1 экспрессируется также в пролиферативных временно амплифицирующихся клетках в матриксе волоса подтверждает, что экспрессия только Foxp1 не является универсальным детерминантом покоящегося состояния. Очень вероятно, что др. факторы, присутствующие в одном или др. типе клеток предопределяют функциональный исход активности Foxp1. Сходное заключение было сделано в отношении Foxp1 регуляции двигательных нейронов (Dasen et al., 2008). Дифференциальные реакции на потерю Foxp1 в разных клонах одной и той же ткани, уже были описаны в сердце; делеция Foxp1 вызывала снижение пролиферации в эндокарде и увеличивала пролиферацию в кардиомиоцитах (Zhang et al., 2010). В эндокарде Foxp1 непосредственно репрессирует Sox17, чтобы регулировать экспрессию Fgf16 и Fgf20, тогда как в кардиомиоцитах Foxp1 регулирует экспрессию Nkx2.5 (Zhang et al., 2010).
В дополнение к его эффектам на на состояние покоя HFSC, мы также наблюдали изменения в количестве разных типов волос у Foxp1 cKO мышей. Пока мы не знаем, как потеря Foxp1 ведет к изменению частот типов волос awl и auchene, поскольку мало известно о том, как волосы awl и auchene дифференицально специфицируются. Auchene волосы отличаются от волос awl только по отличающемуся изгибу (kink). Мы также не знаем, как делеция Foxp1 вызывает уменьшение длины ости волоса, хотя мы подозреваем, что это связано с ролью Foxp1 в клетках матрикса. Длина ости волоса, как полагают, специфицируется продолжительностью фазы anagen или скоростью пролиферации и дифференцировки в луковице волоса. Т.к. продолжительность anagen была сходной у Foxp1 cKO и в контрольной коже, возможно, что потеря Foxp1 в матриксе изменяет баланс пролиферации и дифференцировки клеток матрикса. Сегодня мы исследуем, как потеря Foxp1 влияет на матричные клетки.
Итак, мы установили, что Foxp1 является критическим регулятором состояния покоя в стволовых клетках волосяного фолликула, действуя косвенно посредством активации Fgf18 и p57KIP2.
