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脱发
成体干细胞在维持生命活动中扮演着举足轻重的角色，借助于它们更新和修复组织的能力，促进整体的健康与再生。这些细胞在特定的生态位内调控着组织的再生过程，而当伤害发生时，它们激发自身的潜能来加速恢复，进入一种称为谱系可塑性的适应性状态。
这种谱系可塑性指的是细胞在一定环境压力下，能改变自己的分化状态或功能的独特能力。这个特性对于引导干细胞流向受损组织最需要愈合的部位极为关键，帮助身体实现精准修复。然而，这项能力必须被严谨管理，否则，不受控制的谱系可塑性不仅可能导致组织长期处于修复状态，还有可能增加某些类型癌症的风险。
2024年3月8日，美国霍华德休斯医学研究中心的研究人员在 Science期刊上发表了一篇题为" Vitamin A resolves lineage plasticity to orchestrate stem cell lineage choices "的研究论文。该研究显示，维生素A是调节谱系可塑性的关键调节因子，控制维生素A的浓度才能改变小鼠毛囊干细胞的命运，从而使干细胞修复皮肤或生长头发。
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研究背景
成体干细胞在终身中负责组织的更新。受伤后，干细胞扩大其再生能力以加速修复，并进入“谱系塑性”状态，具备表达既有和新的命运的能力。理解干细胞如何被引导作出正确的命运决策在再生医学、伤口修复和癌症治疗中具有深远意义。
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研究发现
  • 维生素A（维A）通过限制谱系塑性来组织干细胞的谱系选择。
  • 小鼠毛囊干细胞（HFSCs）中维A必须被抑制以便于转换命运。
  • 在皮肤中和培养环境中操纵视黄酸可导向干细胞以促进伤口愈合或生成毛发。
  • 干细胞依赖维A代谢产物——全反式维甲酸（atRA）作为关键的微环境组分，平衡它们在稳态和修复期间对不同命运的贡献。
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临床意义
  • 维A代谢在皮肤再上皮化过程中作为一种强效的上游调节因子。
  • 临床操作中可能通过调节局部维A代谢来引导干细胞的各种命运选择。
  • 对干细胞生物学进行研究，克服体内环境中很多将影响结果的潜在变量。
  • 对再生医学、慢性伤口和癌症等领域有着重大的应用潜力。
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实验策略
研究者采用了小分子药物筛选、转录组和染色质景观分析并结合视黄酸受体与DNA相互作用，以审视atRA在HFSCs身份维持中的角色。通过体外细胞培养和体内小鼠遗传学实验，解析了atRA在组织再生中的角色，以及通过基因、饮食和局部干预措施确认了atRA在平衡干细胞对表皮修复和毛发再生贡献中的能力。
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数据解读
图1：体外筛选解决组织干细胞的系谱塑性
(A) 使用Klf5-EGFP报告系统稳定转导的毛囊干细胞（HFSCs）。流式细胞仪分析（中心）显示，血清替代减少了3D培养中的Klf5报告基因表达。在血清替代介质中，随着时间的推移，细胞群直径趋于稳定，而在富含血清的培养基中，细胞生长无限制地增长（右）。

(B) 筛选库中对伤口修复有影响的小分子后，发现几种小分子能够显著抑制Klf5-EGFP+细胞数量。抑制Klf5-EGFP表达的重要小分子包括all-trans视黄酸（atRA）、PKCa/b抑制剂Gö6976和ERK1/2的竞争性抑制剂FR180204。

(C 和 D) 免疫荧光（C）和免疫印迹（D）分析显示，血清替代和atRA与PKCi的处理解决了系谱塑性，表现为上调了HFSC的主要调节因子SOX9并降低了表皮干细胞（EpSC）的转录调节因子KLF5。不同角蛋白标记的表达反映了表皮分化的丧失、伤口引起的超基底标志物（KRT10，KRT6）、全皮肤祖细胞标记KRT14的均一表达，以及作为HFSC标志的KRT15的提高。
图2：视黄酸在染色质层面解决系谱塑性
(A) 使用视黄酸反应元件（RARE-RFP）检测了在体内HFSC微环境中的atRA-RAR-RXR活性。ALDH1A2免疫染色确认了该限速同工酶的共存。在磨损伤后，这些酶都会暂时丢失。流式细胞仪量化了伤口修复期间RARE-RFP活性的动态（左），并与系谱塑性重合（右；SOX9+KLF5+细胞百分比）。

(B) 在休止期激活Sox9-CreER+的HFSC中条件性灭活Rxra引起异位KLF5表达，暗示解决系谱塑性至关重要。

(C) ATAC-seq信号强度的线图和热图展示了在FBS或atRA+PKCi培养条件下，野生型和Rxra cKO HFSCs中的atRA-stimulated 的染色质峰值。

(D) 韦恩图显示了对atRA和RXRa敏感的转录物和可访问的染色质峰值，并由RARγ和RXRa共有结合。
图3：视黄酸与BMP和WNT剂量依赖性合作，影响HFSC的静止与激活平衡
(A) 在体内，SOX9+休眠的HFSCs中的BMP活性。红线框（右）表示EGFP+细胞。

(B) BMP6降低了HFSC的EdU+百分比。Nfatc1和与HFSC相关的Cxcl14-EGFP超增强子报告活性协同用BMP6和低剂量的RA诱导。

(C 和 D) TCF4:LEF1切换在atRA处理的培养HFSC中被Rspo暴露准确建模，伴随着SOX9下调。
图4：通过组合微环境信号视黄酸介导了指向HF谱系的分化
(A) 在毛发生长周期早期，WNT激活的HFSC中BMP信号与Lgr5-EGFP在ORS中相互排斥。

(B) BMP在Rspo刺激下的HFSC中上调Cux1。

(C) 在完全或晚期生长期，产生HOXC13+HS和GATA3+渠道（IRS）谱系。

(D) 当系谱塑性（FBS）解决（atRA+PKCi）时，HFSC才能够合作WNT和BMP信号，并激活这些下游毛发谱系。

(E) 描述在生长期毛囊中来源于HFSC的细胞命运的方案。

(F) 用atRA和PKCi处理的培养HFSC，并另外暴露于Rspo、BMP或RARi。
图5：视黄酸通过RAR-RXR动态在体内调控干细胞的命运转换
(A) 描述了atRA合成、降解和atRA–RAR-RXR 介导的转录活动的关键步骤。

(B) 在Sox9-CreER+老鼠的休止期HFSC中有条件的灭活Rxra于磨损伤前后，标记了与Rxra cKO 7天后的伤口修复明显变化。

(C) 通过携带编码atRA降解蛋白CYP26B1的转基因转导了Sox9CreER;Rosa26-LSL-YFP成年皮肤上皮。

(D) 在休止期喂食正常或维生素A缺乏饮食的老鼠受到伤害。修复完成后，评估了YFP+ HFSC在皮肤屏障恢复或HF再生中的贡献。
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主要结论
出现谱系塑性是干细胞应对压力的关键特性。碱基序列SOX9在HFSCs身份特征基因和表皮命运沉默中发挥作用，维A通过视黄酸受体的途径促进SOX9的表达，这一机制在去除线粒体内线粒体DNA的柱分离过程中得到确认。尽管视黄酸信号在维持HFSC身份中至关重要，但其相对水平决定了它在维持静止（低水平）或促进毛囊早期再生（高水平）中的最佳运作。
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讨论总结
维生素A缺乏是全球性健康问题之一，局部使用视黄酸在临床和美容应用中常用于活化皮肤。尽管维A对皮肤生物学有显著影响，目前对其如何在稳态或由伤口引起的再生过程中引导干细胞行为的认识仍然有限。我们的研究揭示了atRA水平对维护HFSCs身份在皮肤中的重要作用，表明了这种代谢物在干细胞生物学中所扮演的角色要比以前认为的更重要。我们的发现证实了在修复受损皮肤时，atRA水平和谱系塑性动态变化的重要性，为未来基础研究向临床实践的转化铺平了道路。
注：内容仅针对学术文献进行解读，无任何指导及建议
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撰文丨解螺旋
排版丨吱吱、豨莶
老师我想中译英一篇文章发两次可以吗？老师：如果你想让我在国自然通报中看到你的话
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