Гипертрихоз определяется как избыточный рост волос на определенных местах тела или у пациентов в возрасте, не зависимый от гормонов. Гипертрихоз характеризуется по многим критериям: причине (генетический или приобретенный), возрасту начала, степени распределения волос (универсальное или локальное) и затрагиваемым местам. Наследуемый гипертрихоз очень редок у людей, менее одного на 1 биллион индивидов [1]. В то время как дополнительные аномалии ассоциируют с гипертрихозом, лишь субнабор нарушений, связанный с врожденным гипертрихозом, присутствует в качестве первичного клинического признака. Сюда входят hypertrichosis universalis (OMIM 145700) [2], Ambras type (OMIM 145701) [3], X-сцепленный гипертрихоз (OMIM 307150) [4] и генерализованный гипертихоз terminalis с или без гиперплазии десен (OMIM 135400) [5].

Ранее мы продемонстрировали, что позиционный эффект на zinc-finger транскрипционный фактор TRPS1 ассоциирует с двумя моделями гипертрихоза, Ambras syndrome (AS) у человека и Koala фенотипом у мышей [6]. В согласии с причинной ролью Trps1 в гипертрихозе, белок экспрессируется в ядрах происходящих из мезенхимы клетках дермальных сосочков и в пролиферативных эпителиальных клетках волосяных фолликулов человека и мыши [7].

Гетерозиготные зародышевой линии мутации в TRPS1 на хромосоме 8q23 у человека ведут к аутосомно доминантному наследованию trichorhinophalangeal синдрома типов I и III (TRPS1 I, OMIM 190350; TRPS III, OMIM 190351) [8], [9], которые характеризуются редкими и медленно растущими волосами скальпа, а также черепно-лицевыми и скелетными аномалиями [10]. Соотв., гомозиготные мутантные мыши, у которых GATA-типа zinc-finger домен в Trps1 был делетирован (Trps1^-gt/-gt), были описаны как имеющие ряд дефектов волосяных фолликулов, черепно-лицевые и скелетные дефекты, которые отражают фенотипические характеристики у людей с синдромом TRPS [11]. Trps1^-gt/-gt мыши погибают в течение 6 ч после рождения из-за респираторной недостаточности, возникающей из-за дефектов торакального скелета. Гомозиготные мутантные мыши, как было установлено, полностью лишены фолликулов вибрисс во время позднего периода беременности. Кроме того, новорожденные Trps1^-gt/-gt мыши имели приблизительно 50% редукцию плотности фолликулов в дорсальной части волосяного покрова по сравнению с сибсами дикого типа, тогда как гетерозиготные мыши имели промежуточный фенотип волосяного покрова [11]. Trps1^-/- нулевые мыши были впоследствии генерированы и сходным образом было установлено, что обладают тяжелыми аномалиями волосяных фолликулов [12].

Был проведен детальный гистологический анализ раннего морфогенеза фолликулов вибрисс у Trps1^-gt/-gt эмбрионов E12.5-E13.5 [13]. Мы установили, что мутантные вибриссы уменьшены в числе, нерегулярно расположены и с задержкой развития по сравнению с их аналогами дикого типа [13]. Дополнительный анализ выявил, что эти дефекты, скорее всего, обусловлены нарушением передачи сигналов Wnt и неправильной экспрессией некоторых транскрипционных факторов и белков внеклеточного матрикса, регулируемых с помощью Trps1 в мутантных подушках вибрисс (whisker pads) [13]. Поскольку эти исследования коллективно выявляют потребность в Trps1 во время раннего образования фолликулов вибрисс, но они не установили механизмы, лежащие в основе дегенерации фолликулов, наблюдаемой позднее у этих эмбрионов.

Гипертрихоз был описан ранее в случает частичной трисомии 17q22-qter, ассоциированной с de novo несбалансированной транслокацией [14], подтверждая, что дистальная часть хромосомы человека 17q может содержать чувствительный к дозе ген, который вносит вклад в избыточный рост волос. Недавно серия микроделецией на участке хромосомы 17q24.2-q24.3 привела к трем случаям семейного врожденного генерализованного гипертрихоза с гиперплазией десен (CGHT), также de novo микродупликация внутри той же самой области в случае спорадической CGHT болезни [15]. Минимальный регион, общий каждому из трех случаев расположен 2.5 Mb выше SOX9, гена, как известно, необходимого для спецификации и поддержания стволовых клеток волосяного фолликула у мышей [16], [17].

Здесь мы открыли новую транскрипционную иерархию в волосяном фолликуле, в котором Trps1 регулирует Sox9, чтобы контролировать эпителиальную пролиферацию в развивающихся фолликулах вибрисс у мышей. Более того, мы идентифицировали вариации в числе копий менее чем в 1 Mb выше SOX9 в семье с CGHT, в которой достоверно снижена экспрессия этого гена в волосяных фолликулах, предоставляя важную информацию о патологии гипертрихоза у человека.

Discussion

Ранее мы продемонстрировали, что позиционный эффект у TRPS1 ассоциирует с гипертрихозом как у человека, так и у мыши [6], предоставив первое доказательство, что позиционный эффект ассоциирует с аномалиями развития волосяных фолликулов. Здесь мы установили, что позиционный эффект у Trps1 воздействует на ген SOX9 и, скорее всего, участвует в патологии гипертрихоза у человека. Наши находки предоставили первый пример непосредственной вышестоящей регуляции спецификации гена Sox9 в стволовых клетках волосяных фолликулов, выявив его роль в регуляции эпителиальной пролиферации нижестоящих Trps1 и Shh путей в развивающемся фолликуле.

Наши данные показывают, что экспрессия Trps1 и передача сигналов Shh обеспечивают сбалансированную регуляцию экспрессии Sox9 в пролиферирующих эпителиальных клетках волосяных фолликулов, при этом Shh и его нижестоящие эффекторы действуют как позитивные регуляторы экспрессии Sox9, а Trps1 репрессирует транскрипцию Sox9. Gli2 является основным медиатором передачи сигналов Shh в коже и волосяных фолликулах [24] , а эктопическая избыточная экспрессия постоянно активной формы Gli2, ΔNGli2, в базальном слое кожи достаточна, чтобы индуцировать экспрессию Sox9, подтверждая прямую активацию экспрессии Sox9 с помощью Gli2 [17]. Мы не смогли идентифицировать, указывает ли описанный консенсус GLI связывающего сайта [25], [26] внутри промотора в 3 kb SOX9, который мы анализировали, что Trps1 может регулировать экспрессию SOX9 с помощью иного сайта, отличного от такового для Gli белков. В соответствии с нашей моделью, мы продемонстрировали, что Shh нулевой аллель способен полностью восстанавливать фенотип вибрисс у Trps1^+/-gt эмбрионов от компаундных гетерозиготных мышей и восстанавливать экспрессию Sox9 до уровня дикого типа.

В соответствии с нижестоящей конвергенцией сигнальных путей Trps1 и Shh в волосяном фолликуле, Trps1^-gt/-gt фолликулы обнаруживают ряд общих фенотипических сходств с мутантными Shh^-/- и Gli2^-/- фолликулами, наиболее заметна уменьшение числа фолликулов и арест фолликулов вскоре после индукции [24], [27], [28]. Поскольку у Shh^-/- эмбрионов описано развитие фолликулов вибрисс несмотря на обширные черепно-лицевые дефекты, Gli2^-/- мыши имеют меньше и недоразвитые вибриссы [24]. Более того, ряд фолликулов шерстяного покрова у Shh-/- и Gli2^-/- мутантных мышей уменьшен на 25 - 60%. Фолликулы шерстяного покрова, которые образуются, имеют небольшие волосяные зачатки, которые вскоре арестовываются после индукции, при этом присутствуют доказательства как эпителиальной инвазии дермиса, так и дермальные конденсаты мезенхимы в основании зачатка [24], [27], сходный фенотип наблюдается у Trps1^-gt/-gt мутантных эмбрионов. Будучи трансплантированными immunocompromised мышам nude, вся дорсальная эмбриональная кожа Shh^-/- обнаруживала повышенную пролиферацию фолликулярного эпителия [27], [28], сравнимую с повышенной пролиферацией, наблюдаемой во всех фолликулах вибрисс Trps1^-gt/-gt.

Обусловленное устранение Sox9 в эпидермальном компартменте акожи и волосяных фолликулах во время эмбриогенеза (K14-Cre;Sox9fl/fl) приводит к 80% уменьшению количества фолликулов вибрис при рождении и к отсутствию наружного волосяного покрова самое ранее на ст. P6 [16], похожие редкие вибриссы и волосяной покров наблюдались у Trps1^-gt/-gt мышей. Сходным образом, постнатальное удаление Sox9 в эпителии кожи (Y10-Cre;Sox9fl/fl) давало в результате небольшие, атрофичные волоски волосяного покрова каудальной части тела, многие из которых дегенерировали после первого волосяного цикла [17], подчеркивая потребность в Sox9 для поддержания волосяных фолликулов после раннего развития. Более того, как гомозиготные мутанты Y10-Cre;Sox9fl/fl, так и K14-Cre;Sox9fl/fl мыши обладают пониженным числом пролиферативных матричных клеток [16], [17]. Нами показано, что Trps1 репрессирует экспрессию Sox9, это снижение пролиферации аналогично противоположному фенотипу усиления пролиферации во всех Trps1^-gt/-gt вибриссах.

Shh является морфогеном, который играет ключевую роль в регуляции пролиферации и подавлении роста фолликулярного эпителия во время позднего морфогенеза [27]-[29], и способствует инициации anagen во время постнатальных циклов волосяных фолликулов [30], [31]. Временная эктопическая экспрессия Shh в дорсальной части кожи может инициировать anagen в покоящихся telogen фолликулах и ускорить рост волос [30]. Особенно, избыточная активация Shh сигнального пути имеет общую природу во многих опухолях волосяных фолликулов, включая basal cell carcinomas (BCC) [32]-[34]. Избыточная экспрессия Shh, Gli1, Gli2 или активированный мутантный аллель Smo в эпидермисе мыши оказывается достаточной, чтобы индуцировать возникновение BCC [32], [34]-[36], это дальнейшее подтверждение роли пути Shh в регуляции пролиферации клеток в эпителии волосяных фолликулов. Экспрессия Sox9 усиливается как в мышиных, так и человеческих BCC опухолях [17] и , как было установлено, является общим маркером человеческих BCC и дополнительных опухолей, происходящих из волосяных фолликулов [37], это согласуется с его активацией нижестоящей передачей сигналов Shh.

Мы установили, что Trps1 колокализуется с клетками, экспрессирующими Shh в матричном и футляре внутренних корешков слоях фолликулов вибрисс, более того, что Sox9 экспрессируется также в этих клетках, начиная с середины морфогенеза. Высоко пролиферативные матричные эпителиальные клетки в основании фолликула дают по-разному дифференцирующиеся слои футляра внутреннего корешка во время морфогенеза волосяного фолликула [38]. Постнатально взаимодействия между происходящими из мезенхимы дермальными сосочками и клетками эпителиального матрикса сходным образом приводят к росту ости волоса во время ст. anagen [39]. Совместная экспрессия Trps1, Shh и Sox9 в матричных клетках и их производных в виде футляра внутреннего гребешка подтверждает роль Trps1 в регуляции пролиферации фолликулов вибрисс во время эпителиального роста благодаря его непосредственно регуляции Sox9.

Sox9, как было установлено ранее, необходим для спецификации стволовых клеток волосяного фолликула [16]. Более того, техника генетического маркирования продемонстрировала, что потомство, происходящее из Sox9, дает все эпителиальные клетки волосяного фолликула [16]. Мы предположили, что нарушение регуляции Sox9 в отсутствие Trps1 д. приводить к дефекту в активности клеток предшественников в волосяном фолликуле. После увеличения экспрессии Sox9 в Trps1^-gt/-gt мутантных вибриссах специфицируются дополнительные клетки предшественники волосяных фолликулов. Однако в отсутствие репрессии Sox9 с помощью Trps1, эти клетки д. пролиферировать преждевременно, тем самым истощая фолликулярные медленно делящиеся клетки предшественники с долговременным пролиферативным потенциалом. В соответствии с этой гипотезой, Trps1^-gt/-gt эмбрионы обнаруживают повышенную пролиферацию во всех фолликулах вибрисс перед их дегенерацией. В отсутствие клеток предшественников, чтобы поддержать эпителиальную пролиферацию необходимо завершить морфогенез, арестовав эти Trps1^-gt/-gt фолликулы. Подтверждением этого мнения является обусловленное устранение Smo в эпителии волосяных фолликулов (K14-Cre;Smofl/fl), приводящее к снижению передачи сигналов Shh и экспрессии Sox9 в этих клетках. Важно, что эти изменения сопровождались снижением пролиферации в матриксе и истощением ниш стволовых клеток волосяных фолликулов [40].

Ряд мутаций в и вокруг гена SOX9 человека приводит к снижению фенотипического сходства с TRPS типами I и III. Особенно, два пациента с CGHT, описанные здесь, обладают многими фенотипическими сходствами с AS пациентами, включая гипертрихоз лица, ушей и верхней части туловища, луковицеобразный кончик носа, толстые крылья носа и длинный выдающийся фильтр с глубокой бороздой [3], это также доказывает, что SOX9 и TRPS1 действуют на том же самом онтогенетическом пути.

Позиционные эффекты были описаны ранее для ряда генов мишеней для Trps1, включая SOX9 [41], [42], это приводило к редким генетическим скелетным нарушениям. Итак, наши данные показывают, что позиционные эффекты на TRPS1 также как и для его гена мишени SOX9, могут играть причинную роль в гипертрихозе человека. Т.о., поскольку внутригенные мутации или делеции каждого из этих генов приводят к аномалиям волос и костей, они также предметом долговременной регуляции, которая вследствие нарушений может генерировать уникальные фенотипы в местах тела, где эти гены экспрессируются.

Trps1 and Its Target Gene Sox9 Regulate Epithelial Proliferation in the Developing Hair Follicle and Are Associated with Hypertrichosis Katherine A. Fantauzzo, Mazen Kurban, Brynn Levy, Angela M. Christiano PLoS Genet 8(11): e1003002. doi:10.1371/journal.pgen.1003002

Trps1 and Its Target Gene Sox9 Regulate Epithelial Proliferation in the Developing Hair Follicle and Are Associated with Hypertrichosis
Katherine A. Fantauzzo, Mazen Kurban, Brynn Levy, Angela M. Christiano
PLoS Genet 8(11): e1003002. doi:10.1371/journal.pgen.1003002