Волос является сильно кератинизированной тканью, дифференцирующейся из стволовых клеток волосяного фолликула (HF), которые располагаются преимущественно в дискретном резервуаре, наз. вздутием (bulge) (Cotsarelis et al. 1990; Blanpain et al. 2004; Tumbar et al. 2004). Цикл роста волоса и инволюции протекает в три фазы: anagen (рост), catagen (регрессия) и telogen (отдых) (Blanpain and Fuchs 2009; Shimomura and Christiano 2010;Plikus et al. 2012; Solanas and Benitah 2013; Watt 2014). Волос обычно пигментирован из-за присутствия меланина в стержне волоса, который в свою очередь синтезируется фолликулярными меланоцитами и затем переносится в соседние предшественники волоса, которые дают стержень волоса (Nishimura et al. 2002, 2005; Lin and Fisher 2007). Несмотря на недавние успехи в нашем понимании биологии стволовых клеток HF, механизмы, регулирующие пигментацию, остаются плохо изученными, особенно в отношении клеточных взаимодействий между клетками волосяных предшественников и меланоцитами, которые присутствуют в матриксе HF.

Stem cell factor (SCF, известен также как KIT ligand или Steel factor) является фактором роста, регулирующим многие физиологические гомеостатические события, включая поддержание гематопоэтических стволовых клеток (Ding et al. 2012), мастоцитов (Lennartsson and Ronnstrand 2012) и меланоцитов (Lennartsson and Ronnstrand 2012). Критическая роль SCF и его рецептора, KIT, для пигментации волос была предположена, из-за отсутствия волосяного пигмента у некоторых лишенных SCF и KIT животных (Copeland et al. 1990; Reith et al. 1990; Kunisada et al. 1998b; Botchkareva et al. 2001; Nishimura et al. 2002). Очевидно, что меланоциты являются важными клетками мишенями при этом типе гипопигментации, поскольку они являются меланин-продуцирующими клетками, а также превалирующими KIT-экспрессирующими клетками в HF. Однако, источники в SCF, которые поддерживают активность меланоцитов в HF до конца не охарактеризованы, хотя экспрессия SCF клетками в дермальном сосочке, как полагают, способствует дифференцировке меланоцитных стволовых клеток (Chang et al. 2013).

Матрикс HF состоит из эпителиальных клеток, окружающих дермальный сосочек. Матричные клетки HF пролиферируют и дифференцируются в структуру стержня волоса и внутреннее эпителиальное влагалище корня волоса (Driskell et al. 2011). Существуют также меланоциты, располагающиеся в той же самой нише, чтобы снабжать меланином клетки предшественники стержня волоса для пигментации волоса. Подавляющая популяция матричных клеток является временно амплифицирующимися клетками. Они быстро пролиферируют в течение нескольких делений и затем прогрессируют, чтобы стать детерминированными предшественниками, которые дифференцируются в центральный стержень волоса (medulla, cortex и cuticle), окружающий его канал или внутренние оболочки корня волоса (cuticle, Henle и Huxley слои) , которые направляют стержень волоса в направлении поверхности кожи и сопровождающего слоя (самого внутреннего слоя наружного слоя коня волоса) (Hsu et al. 2011,2014). В противоположность HF стволовым клеткам в выпуклости, характерные детерминированные клетки предшественники, которые дают непосредственно стержень волоса (медулла, кортекс и кутикула) на сегодня достаточно хорошо охарактеризованы. Помимо формирования волоса он пигментируется, что обеспечивается меланоцитами стержня волоса. Реципрокные взаимодействия между меланоцитами и клетками предшественниками волоса, также являющихся источником SCF, которые регулируют пигментацию волос, охарактеризованы недостаточно.

KROX20 (известен также как EGR2) является транскрипционным фактором с цинковыми пальчиками, регулирующим сегментацию заднего мозга (Schneider-Maunoury et al. 1993), миелинизацию Шванновских клеток (Topilko et al. 1994), и лимфоцитарную иммунную реакцию (Li et al. 2012). Кроме того, KROX20 экспрессируется в субпопуляции клеток HF (Gambardella et al. 2000). Однако, роль клеток, экспрессирующих KROX20, в развитии HF неизвестна. Здесь мы показали, что транскрипционный фактор KROX20 обеспечивает качественные особенности субклона эпителиальных клеток HF, способствуя их дифференцировке в стержень волоса во время морфогенеза HF. Мы наблюдали, что они являются источником SCF, необходимого для поддержания зрелых меланоцитов в матриксе волоса, чтобы обеспечить пигментацию волоса, на что указывает факт полной потери пигмента, когда Scf делетирован из Krox20 клеточного клона. Мы также продемонстрировали, что делеция клона клеток Krox20 in vivo приводит к полному аресту роста новых волос, демонстрируя критическую роль клона клеток Krox20 в ро и волоса.

Мы установили, что транскрипционный фактор KROX20 маркирует клеточный клон, дифференцирующийся в направлении стержня волоса и что SCF в этих клетках предшественниках стержня волоса действует как критический внутренне присущий реостат пигментации волоса путем обеспечения зрелыми меланоцитами верхней части матрикса HF. Устранение Scf в клоне клеток Krox20 впоследствии ведет к полному отсутствию пигментации волоса, обнаруживая незаменимый клеточно-неавтономный вклад SCF в меланоциты и этот клон Krox20 клеток является главным источником SCF для фолликулярного созревания меланоцитов, чтобы продуцировать пигмент волос. Завершение регенерации волоса зависит от присутствия в HF клеток клона Krox20, т.к. эти клетки дают непосредственно стержни волос (Fig. 7I).

Продукция SCF в кератиноцитах, по-видимому, лишь одна регулирует генерацию пигментации волос меланоцитами, поскольку не обнаруживается дефектов развития кожи или волос у Scfflox/gfp; Krox20Cre или Scfflox/gfp; K14Cre мышей (Figs. 1D, 2G). Критическая роль передачи сигналов SCF/KIT для пигментации волос известна давно (Copeland et al. 1990; Reith et al. 1990; Okura et al. 1995); однако, лишь впервые сообщается об идентификации Krox20 клона предшественников стержня волоса определенно, как источника SCF, чтобы контролировать этот процесс. Это открытие может привести к дополнительным исследованиям, чтобы охарактеризовать их вклад в др. сигнальные события, которые являются критическими для развития меланоцитов, включая эффекты Notch (Schouwey et al. 2007), TGFβ (Nishimura et al. 2010), и β-catenin (Rabbani et al. 2011). Во время развития меланоцитов стволовые клетки нервного гребня генерируют меланобласты, которые впоследствии становятся стволовыми клетками меланоцитов. Хотя стволовые клетки меланоцитов в выпячивании (bulge) не нуждаются в SCF, их дифференцировка в зрелые меланоциты зависит от SCF (Nishimura et al. 2002), это согласуется с нашей находкой, что потеря SCF в клетках предшественниках стержня волоса сказывается только на зрелых меланоцитах в матриксе, но не в недифференцированных предшественниках меланоцитов.

Выясняя фенотип поседения волос у Scfflox/gfp; Krox20Cre мы шей, мы неожиданно установили, что такое изменение цвета волос ассоциирует с определенными стадиями в клетках, детерминированных продуцировать волосы. Клон Krox20 маркирует клетки предшественники стержня волоса только после ст. P6-P10 (Fig. 3A), это демонстрирует существование второй волны клеток предшественников для стержня волос и объясняет позднее начало гипопигментации волос и в конечном счете полную депигментацию у Scfflox/gfp; Krox20Cre мышей. Интересно, что позднее начало гипопигментации волос наблюдается также и у др. генетически модифицированных мышей. Bcl2-/- мыши (Veis et al. 1993) и Notch1flox/+; Notch2flox/flox; TyrCre мыши (Schouwey et al. 2007) обнаруживают поседение волос, сходное с таковым у Scfflox/gfp; Krox20Cre мышей. Потеря зависимых от BCL2 стволовых клеток меланоцитов начинается со ст. P8, что и вызывает поседение волос у Bcl2-/- мышей (McGill et al. 2002; Nishimura et al. 2005). С др. стороны, β-^catflox/-; K14Cre мыши (Huelsken et al. 2001) обнаруживают позднее начало потери волос. У них развиваются волосы после рождения, но большинство из них теряется у взрослых. Итак, это возникающее поздно фенотипическое отклонение может быть связано с нашей моделью второй волны роста волос. Более того, эта модель может пролить свет на классификацию эмбриональных и взрослых стволовых клеток, детерминированных к генерации одного и того же типа ткани.

KROX20 наиболее известен как транскрипционный фактор для Шванновских клеток во время дифференцировки их от состояния до к состоянию миелинизации (Topilko et al. 1994), это имеет место преимущественно во время раннего постнатального развития (Zorick et al. 1999). Этот феномен сходен с экспансией в HF Krox20 клеточного клона во время морфогенеза волос (Fig. 3A). Недавнее исследование показало, что индукция KROX20 в периферических нервах регулируется с помощью оси Lin28/Let-7 (Gokbuget et al. 2015). Lin28 является консервативным РНК-связывающим белком, экспрессирующимся на высоком уровне в эмбриональных стволовых клетках. Он быстро уменьшается после рождения и это изменение приводит к индукции микроРНК Let-7 (Shyh-Chang and Daley 2013). Интересно, что Lin28a трансгенные мыши обладают густым из-за увеличения продолжительности ст. anagen (Shyh-Chang et al. 2013). Эти результаты подтверждают, что KROX20 может быть нижестоящим регулятором для обеспечиваемого с помощью Lin28/Let-7 перинатального развития нервов и кожи.

Передача сигналов bone morphogenetic protein (BMP) и Wnt/β-catenin играет центральную роль в гомеостазе эпидермиса и развитии HF (Blanpain and Fuchs 2009; Solanas and Benitah 2013; Plikus and Chuong 2014). Мыши с K5promoter-управляемым BMP антагонистом noggin (K5-noggin) характеризуются увеличением зачатков HFs с густыми стержнями волос; этот признак ассоциирует с повышенной пролиферацией клеток волосяного матрикса, сопровождаемой 6-кратным снижением экспрессии Krox20 (Sharov et al. 2006). Сходным образом, K14-noggin мыши обнаруживают более быструю реакцию по регенерации волос (Plikus et al. 2008). Более того, активация Wnt приводит к усилению активности KROX20, и эта индукция может быть синергична с подавлением BMP с помощью noggin (Saint-Jeannet et al. 1997; Baker et al. 1999). Вместе с нашими находками все это указывает на участие KROX20 в развитии HF в качестве нижестоящего эффектора передачи сигналов Wnt/β-catenin и BMP, управляя тем самым дифференцировкой стволовых клеток HF.

Итак, данное исследование выявило источник экспрессии SCF в предшественниках волосяного матрикса, в качестве ниши для фолликулярных зрелых меланоцитов, и показало, что их SCF обязателен для пигментации волос. Кроме того, экспрессия SCFв матриксе выявляет непосредственные предшественники структурных клеток стержня волос и транскрипционный фактор KROX20 маркирует субклон эпителиальных клеток, дифференцирующихся в клетки предшественники стержня волоса. Необходимы дальнейшие исследования для установления SCF в нише матрикса и действительно ли гипопигментация может быть обратима. Более того, генетическое устранение Krox20 и получение глобального профиля KROX20 транскрипционных мишеней поможет выявить биологическую роль в дифференцировке эпидермиса и развитии HF.