Die Identifizierung der Nische Steuerung melanocyte differentiation

• Stammzellfaktor (SCF)
• Haarpigmentierung
• Haarschaft Vorläuferzelle
• Haarfollikel Stammzelle
• Haarmatrix
• KROX20

Melanozyten sind pigmentproduzierende Zellen, die die Hautepidermis vor UV-Schäden schützen und den Haaren Farbe verleihen., Melanozyten produzieren dazu Melanin, ein Pigment, das eine doppelte Funktion hat: Es absorbiert UV-Licht und schützt so vor DNA-Schäden durch UV-Strahlung und wirkt als antioxidativer Fänger gegen genotoxisch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) (Natarajan et al. 2014). Melanin wird insbesondere von endosomalen Organellen produziert, die Melanosomen genannt werden und nach ihrer Reife auf nahe gelegene epidermale Keratinozyten übertragen werden, wodurch Haut-und Haarpigmentierung induziert wird (Mort et al. 2015)., Die Haarpigmentierung beruht auf der Wirkung von Melanozyten, die sich in der Haarmatrix befinden und Melanosomen auf die Haarschaft-Vorläuferzellen übertragen, die sich wiederum terminal differenzieren, um die stark keratinisierte und pigmentierte Haarstruktur zu bilden. Haarfollikel (HFs) wechseln sich während des gesamten Lebens des Tieres mit Wachstums-und Degenerationszyklen ab (Blanpain und Fuchs 2009). In der Mausepidermis exprimieren die differenzierten Melanozyten des HFs c-Kit, den Tyrosinkinase-Rezeptor für das Stammzellfaktor-Zytokin (SCF) (Mort et al. 2015)., Frühere Studien identifizierten zwei verschiedene Populationen von Melanozyten basierend auf der Expression von c-Kit: c-Kit+ Melanozyten in der Haarmatrix und c-Kit− Melanozyten um den Ausbuchtungsbereich, die Lage von HF und Melanozyten Stammzellen (Nishimura et al. 2002; Blanpain und Fuchs 2009). Die Aufrechterhaltung der HF-Melanozyten hängt von c-Kit− unpigmentierten Melanozytenstammzellen ab, die sich in der HF-Ausbuchtung befinden (Nishimura et al. 2002). Spezifische Signale aktivieren die Melanozytenstammzellen, um in die Haarmatrix zu wandern und sich in melaninproduzierende Zellen zu differenzieren., Unter den am besten charakterisierten Signalwegen, die die Melanozytenfunktionen steuern, aktiviert die SCF/c-Kit-Signalgebung die Melanozytenvorläuferproliferation, – migration und-differenzierung in pigmentproduzierende Zellen (Botchkareva et al. 2001). Mäuse mit einer inaktivierenden Mutation in c-Kit zeigten Defekte der Haarfarbe (Reith et al. 1990) und monoklonale Antikörper, die die c-Kit blockieren, blockieren die Haarpigmentierung für mindestens einen Haarzyklus (Nishikawa et al. 1991; Botchkareva et al. 2001; Yoshida et al. 2001; Nishimura et al., 2002), Unterstützung der Bedeutung des SCF/c-Kit-Signalweges für die Melanozytenproliferation, Differenzierung und Pigmentierung des Haarschaftes.

Trotz der gut charakterisierten Funktion des SCF / c-Kit-Signalwegs bei der Regulierung der Melanozytendifferenzierung bleiben die zelluläre Quelle von SCF und die an der Melanozytendifferenzierung und Haarpigmentierung beteiligte Nische schwer fassbar. In dieser Ausgabe von Gene & Entwicklung, Liao et al., (2017) berichten Sie über die Identifizierung der Nachkommen von Haarschaftvorläufern, die den Transkriptionsfaktor Krox20 als Quelle für Scf exprimieren, der für die Melanozytendifferenzierung erforderlich ist und die Nische bildet, die für die Haarpigmentierung erforderlich ist (Abb. 1).

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Abbildung 1.

Die Nische für die Pigmentierung der Haarfollikel., Während der Melanozytenreifung wandern Melanozytenvorläufer aus ihrer ausbuchteten Stammzellnische in das Haarmatrix-Kompartiment. In der Matrix erzeugen Haarschaftsvorläufer (in Grün) eine Nische für die Melanozytendifferenzierung, indem sie SCF (in Blau) produzieren. Melanozytenvorläufer (in gelb) werden durch SCF aktiviert und differenzieren im oberen Kompartiment der Haarmatrix, begrenzt durch die Linie von Auber. Differenzierte Melanozyten (in gelb mit rotem Umriss) übertragen ihre Melanosomen, um die Haarschaftvorläufer (in Grün) zu pigmentieren., Während Sie Melanin erhalten, differenzieren pigmentierte Haarschaftsvorläufer (in Braun), um den pigmentierten Haarschaft zu bilden. Durch die Beeinträchtigung der SCF-Produktion in Haarschaftsvorläufern zeigten die Forscher die Blockade der Melanozytendifferenzierung in der Matrix, was zu einer fehlenden Pigmentierung des Haarschaftes führte.

Liao et al., (2017) entdeckte, dass der bedingte Knockout (cKO) von Scf (Scf fl/GFP) in den Krox20-abgeleiteten Zelllinien unter Verwendung einer konstitutiv exprimierten CRE-Rekombinase unter der Kontrolle des Krox20-Promotors (Krox20CRE) eine vorzeitige postnatale Haarvergrauung ab ∼2 mo verursacht. As Krox20 wird in verschiedenen Linien in der Haut exprimiert, einschließlich Schwann-Zellen und HF-Keratinozyten (Gambardella et al. 2000) verwendeten die Forscher verschiedene CRE-Mäuse, um Scf unabhängig in diesen verschiedenen Linien zu löschen., Die Deletion von Scf in Schwann-Zellen oder Melanozyten hat keinen Einfluss auf die Haarpigmentierung und schließt aus, dass die Quelle von SCF, die die Haarpigmentierung fördert, von diesen Linien stammt. Die Deletion von Scf unter Verwendung von K14Cre-Mäusen, die auf alle Keratinozyten im frühen Stadium der epidermalen Entwicklung abzielt, induziert jedoch einen vollständigen Pigmentierungsverlust in der ersten Welle der HF-Morphogenese, was die Vorstellung unterstützt, dass die Scf-Expression in Keratinozyten erforderlich ist, um die Haarpigmentierung nicht zellulär-autonom zu induzieren.,

Um einen besseren Einblick zu erhalten, welche spezifischen Zellsubpopulationen innerhalb der Hautepidermis für die Haarpigmentierung verantwortlich sind, führten die Forscher eine sorgfältige zeitliche Analyse der Krox20-Abstammung mit den Krox20CRE/Rosa26-lacZ-Mäusen durch. Sie fanden heraus, dass Krox20CRE am postnatalen Tag 0 (P0)/P2 den oberen Teil des HF markiert, der dem Infundibulum entspricht, das den HF mit der interfollikulären Epidermis verbindet., Später, während der postnatalen Entwicklung um P12, markiert Krox20CRE zusätzlich die äußeren Wurzelhüllenzellen (ORS) und die Zellen der Matrix und des Präkortex, die den terminal differenzierten Haarschaft hervorrufen. Die relativ späte Expression von Krox20 während der ersten Welle der HF-Morphogenese erklärt die Diskrepanz im zeitlichen Erscheinungsbild des haargrauen Phänotyps zwischen K14CRE Scf cKO-Mäusen, die in der ersten Welle der Haarbildung beginnt, während der Beginn des haargrauen Phänotyps während des zweiten Haarzyklus bei Krox20CRE Scf cKO-Mäusen auftritt.,

Mit Scf-GFP-reporter-Mäusen kombiniert mit Krox20-CRE/Rosa26-LacZ-lineage tracing, Liao et al. (2017) zeigte überzeugend, dass Scf in den Haarschaftzellen und nicht in ORS-Zellen exprimiert wird, was stark darauf hindeutet, dass die Krox20+ – abgeleiteten Haarschaftzellen die Hauptquelle für Scf bei erwachsenen Mäusen sind und die Nische für die Haarpigmentierung darstellen., In Übereinstimmung mit dieser Vorstellung kann die Überexpression von Scf unter Verwendung von K14-Scf—transgenen Mäusen, die membrangebundenes Scf in allen K14-exprimierenden Zellen exprimierten und die basalen Keratinozyten aus der interfollikulären Epidermis und allen oberen und unteren ORS-Zellen, nicht jedoch die Haarmatrix—und Haarschaftzellen umfassten, den haargrauen Phänotyp in K14CRE-und Krox20CRE-Scf-cKO-Mäusen nicht retten.

Um festzustellen, ob die Scf-Deletion die Aufrechterhaltung, Migration oder Differenzierung von Melanozyten beeinträchtigt, Liao et al. (2017) untersuchte das Vorhandensein und die Differenzierung von Melanozyten im HF in Abwesenheit von Scf., Dct, ein Marker für Melanozyten, fehlt bei den K14CRE/Scf cKO-Mäusen vollständig und ist bei Krox20CRE/Scf cKO-Mäusen im unteren HF, einschließlich der Haarmatrix und des Haarschaftes, stark reduziert, was die wesentliche Rolle von SCF bei der Förderung der Dct-Expression in Melanozyten unterstützt. Bei Wildtyp-Mäusen markiert c-Kit sowohl reife (obere Matrix und Haarschaft) als auch unreife (untere Matrix) Melanozyten., Interessanterweise fehlten in Abwesenheit von SCF in allen epidermalen Linien (K14CRE/Scf cKO) differenzierte c-Kit+ Melanozyten im differenzierten Melanozytenkompartiment vollständig, während die unreifen c-Kit+ Melanozytenvorläufer nicht von der Abwesenheit von Scf betroffen waren, was zeigt, dass Scf für die melanozytenterminale Differenzierung notwendig ist, aber keine wesentliche Rolle bei der Förderung des Überlebens und der Migration von Melanozytenvorläufern aus ihrer Ausbuchtungsnische in das Matrix-Transit-amplifizierende Kompartiment spielt.,

Abschließend charakterisiert diese Studie gründlich die Nische und die Quelle von Scf, die für die HF-Pigmentierung erforderlich sind, und zeigt, dass Haarschaftzellen die Hauptquelle von Scf sind, die für die melanozytenterminale Differenzierung erforderlich ist., Zukünftige Studien werden wichtig sein, um die molekularen Mechanismen, die die Aufrechterhaltung von Melanozytenstammzellen in ihrer Ausbuchtungsnische regulieren, und die Signale, die diese Zellen in jeder Runde des Haarzyklus aktivieren und die anfängliche Migration und Expansion von Melanozytenvorläufern regulieren, bevor sie die neu entdeckte Haarschaftnische erreichen, die ihre endgültige Reifung fördert.

• © 2017 Zocco und Blanpain; Veröffentlicht von Cold Spring Harbor Laboratory Press