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详解鸡皮疙瘩产生的真正原因

2020-07-29

如果你曾经想知道为什么我们会起鸡皮疙瘩(goosebump),那么有很多人和你一样---查尔斯-达尔文也是这样想的,他在他的进化论著作中思考过鸡皮疙瘩。起鸡皮疙瘩可能会保护皮毛厚实的动物免受寒冷的侵袭,但我们人类似乎并没有从这种反应中得到多少好处,那么为什么它一直会在进化过程中被保留下来呢?

在一项新的针对小鼠的研究中,来自美国哈佛大学和中国台湾大学等研究机构的研究人员发现了其中的原因:引起鸡皮疙瘩的细胞类型对于调节再生毛囊和毛发的干细胞也很重要。在皮肤下面,通过收缩产生鸡皮疙瘩的肌肉---一种称为竖毛肌(arrector pili muscle)的平滑肌---是连接交感神经与毛囊干细胞所必需的。交感神经对寒冷的反应是在短期内收缩竖毛肌并引起鸡皮疙瘩,并在长期促进毛囊干细胞激活和新毛发生长。这些发现让这些研究人员更好地了解不同类型的细胞如何相互作用,从而将干细胞活性与外界环境的变化联系起来。相关研究结果于2020年7月16日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Cell Types Promoting Goosebumps Form a Niche to Regulate Hair Follicle Stem Cells”。

论文共同通讯作者、哈佛大学干细胞与与再生生物学副教授Ya-Chieh Hsu说,“我们一直对了解干细胞行为如何受外界刺激物调节感兴趣。皮肤是一种迷人的系统:它拥有多种被周围的不同细胞类型包围着的干细胞,并且是我们身体和外界的交界处。因此,它的干细胞可能会对来自微环境(niche)、整个身体甚至是外部环境的各种不同的刺激作出反应。在这项研究中,我们鉴定出一种有趣的双组分微环境(dual-component niche),它不仅能在稳定状态下调节干细胞,而且还能根据外界温度变化调节干细胞行为。”

一种调控毛发生长的系统

许多器官都是由三类组织组成:上皮(epithelium)、间质(mesenchyme)和神经(nerve)。在皮肤中,这三种组织以一种特殊的排列方式组装在一起。交感神经是我们神经系统的一部分,它控制着身体的平衡和我们对外界刺激的反应。交感神经与间质中的一种微小的平滑肌(即前面提及的竖毛肌)相连。这种平滑肌又连接到毛囊干细胞,其中毛囊干细胞是一种上皮干细胞,对毛囊的再生和伤口修复至关重要。

交感神经和这种平滑肌之间的联系已广为人知,这是因为它们是鸡皮疙瘩产生的细胞基础:寒冷引发交感神经元发出神经信号,这种平滑肌作出的反应就是收缩,使毛发竖起来。然而,当利用电子显微镜在极高的分辨率下检查皮肤时,这些研究人员发现,交感神经不仅与这种平滑肌相连接,而且还与毛囊干细胞形成了直接的联系。事实上,神经纤维像一条丝带一样缠绕着毛囊干细胞。

Hsu说,“我们可以真正在超微结构层面观察到交感神经和毛囊干细胞是如何相互作用的。神经元倾向于调节可兴奋细胞(excitable cell),就像其他神经元或肌肉与突触相互作用一样。但是,我们吃惊地发现,它们与毛囊干细胞形成类似突触的结构,毕竟毛囊干细胞并不是神经元的典型作用目标。”

接下来,这些研究人员证实了交感神经确实作用于毛囊干细胞。交感神经系统通常会持续低水平激活,以维持身体的平衡。这些研究人员发现,这种低水平的神经活动使得毛囊干细胞处于一种随时准备再生的状态。在长期寒冷的情况下,交感神经处于更高的激活水平,释放出更多的神经递质,使得毛囊干细胞迅速激活,再生毛囊,并长出新的毛发。

这些研究人员还研究了是什么维持了交感神经与毛囊干细胞之间的连接。当他们移除与毛囊相连的平滑肌时,交感神经回缩,交感神经与毛囊干细胞之间的连接丢失了,这表明这种平滑肌是连接交感神经与毛囊的必要支撑结构。

这种系统是如何产生的

除了研究完全形成状态下的毛囊,这些研究人员还研究了这种系统最初是如何产生的---平滑肌和交感神经如何首先到达毛囊。

论文共同第一作者、Hsu实验室博士后研究员Yulia Shwartz说,“我们发现这种信号来自于发育中的毛囊本身。它分泌的一种蛋白调节平滑肌的形成,随后吸引交感神经。在成年后,这种相互作用发生了逆转,交感神经和平滑肌一起调节毛囊干细胞以再生新的毛囊。这是在关闭整个循环--发育中的毛囊正在建立自己的微环境。”

对环境作出反应

通过这些实验,这些研究人员鉴定出一种调节毛囊干细胞的双组分系统。交感神经是通过神经递质激活毛囊干细胞的信号成分,而平滑肌是让神经纤维直接与毛囊干细胞连接的结构成分。

Shwartz说,“你可以用许多不同的方式调节毛囊干细胞,它们是研究组织再生的奇妙模型。这种特殊的反应对于将组织再生与外界的变化(如温度)偶联在一起很有帮助。这是一种两层反应:起鸡皮疙瘩是一种在短期内提供某种缓解的快速方法。但是当寒冷持续的时候,这就成了一种很好的让毛囊干细胞知道也许是时候再生新毛皮的机制。”

在未来,这些研究人员将进一步探究外部环境如何影响皮肤中的干细胞,无论是在稳态下还是在修复情况下,如伤口愈合。

Hsu说,“我们生活在一个不断变化的环境中。由于皮肤总是与外界接触,这让我们有机会研究我们体内的干细胞利用什么机制将组织产生与不断变化的需求结合起来,这对于生物体在这个动态的世界中茁壮成长至关重要。”

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