撰文 | Victoria
在过去的几年，发育学研究的重点已经从胚胎发育转向了对成体组织稳态（tissue homeostasis） 的机制研究，并取得了很大进展，其中很大程度上依赖于细胞谱系追踪（Lineage-tracing）和clonal analysis等技术的发展。但是迄今为止，对于个体从出生到成年这个过程中的发育学机制很少为人知，新兴的细胞谱系追踪技术在这些领域同样可以发挥其独特优势。
皮肤是保护动物免受外界环境伤害的第一道屏障，由于其组织解剖结构及细胞生物学表征明确等特点，可以用作此项研究的良好工具。表皮由毛囊（hair follicles, HFs）及其周围的毛囊间表皮（interfollicular epidermis, IFE）组成。而IFE则由一层表达K14/K15的基底细胞（basal cell，BC）和表达K1/K10多层终端分化的上基底细胞层构成。小鼠尾部表皮由两个不同的区域交互组成：scale 和interscale（鳞片和鳞片间区域）。关于这两个区域在成年个体中的发育学研究已经非常完善，但是对其在从出生后直至性成熟的发育过程还知之甚少。
2020年4月6日，来自布鲁塞尔自由大学的Cédric Blanpain团队在Cell杂志上发表题为Defining the Design Principles of Skin Epidermis Postnatal Growth的研究论文，他们以小鼠尾巴和脚掌的皮肤作为研究对象，对其从出生到成年这个过程中的现象及机制做了全新的解读。此前，Cédric Blanpain教授曾因证实癌症干细胞的存在而入选了2012年Nature年度十大人物。他利用遗传细胞标记技术追踪了小鼠的乳头瘤（一种皮肤癌的前兆）的增殖情况，指出大部分的肿瘤生长来自于类似保持皮肤健康的干细胞【1】。
在这篇论文中，作者发现：
1）出生后的发育过程中表皮呈线性生长；
2）自我更新和增殖减少的持续失衡导致IFE增长；
3）发育前体细胞中有较高的分子同质性；
4）细胞分裂的空间模式是由潜在的胶原纤维方向决定的。这项研究揭示了器官生长的一个简单设计原理，即前体细胞和分化细胞与周围组织协调生长。
首先，通过从宏观和微观尺度对小鼠尾部尺寸及IFE尺寸的测量，作者发现二者在从出生到60日龄间，增长曲线高度一致，且在P1-P30呈拟线态（quasi-linear）增长。
进一步作者通过细胞谱系追踪确定了其中关键的发育前体细胞群（developmental progenitor，DP）。该细胞群的克隆扩增模式与小鼠尾部以及IFE尺寸的增长均高度吻合。
通过FACS分析和使用EdU/BrdU进行双标的细胞增殖动力学实验，作者对不同年龄的小鼠DP细胞的倍增时间进行了计算，发现的这些DP细胞的细胞周期随着小鼠年龄的增长而不断延长，提示它们增殖在逐渐减慢。而且体外分离的DP细胞的增殖实验也得到了一致的结论。这些结果说明，从出生以后，DP细胞的增殖能力就在不断地降低。
图1. DP细胞增殖减慢
关于这些DP细胞在小鼠出生后如何影响尾部皮肤的发育，作者进行了数学建模及测量，发现其发育过程采用的是常量非平衡（constant imbalance）模式，即在整个发育过程中，1）前体细胞DP与分化后细胞的比例保持不变；2）不同时间点上，DP细胞增殖和分化的能力成比例地变慢。这样的设计确保了表皮中基底细胞密度以及基底细胞/基底上细胞比率的恒定，以确保皮肤的完整屏障功能。
图2. 常量非平衡（constant imbalance）模式图
文章还进行了深度的单细胞测序研究等，发现这种出生后发育过程中的特征与Hedgehog信号介导的肿瘤发生高度相似【2】，而与伤口愈合过程中报道的克隆动力学则恰恰相反【3】，因此，有必要进行进一步的实验，以研究特定的信号通路在控制细胞命运决定中的作用。另一个有趣的发现是，作者还观察到DP形成克隆的方向与组织内胶原的走向（orientation）有关，这与过去关于果蝇翼盘的形态发生非常相似【4】。但值得注意的是，这种微观次度的走向与组织器官宏观次度走向是否存在关联，以及如何关联的机制还并不清楚。
总而言之，作者的研究结果表明，出生后表皮的生长依赖于三个关键参数：非平衡的细胞命运（cell fate imbalance）、细胞分裂速率（cell division rate）和细胞分裂的方向性（orientation of cell division）。
这些参数部分由细胞内在因素决定，部分由细胞外信号所约束。而此前也有相关研究表明，在表皮内稳态过程中最近邻互作（nearest-neighbor interactions）在耦合基底分裂与分化中发挥关键作用【5】，后者提供了基底细胞（BC）密度调节的天然机制。这些外源性的调节机制对于实现DP细胞在增殖与分化过程中的非平衡调节也应该发挥着至关重要的作用，这些涉组织大小、局部密度、厚度、分裂率和非平衡调控的机制研究将在后续进一步开展。本文中，作者针对皮肤进行研究，那么在其他组织和器官中，是否存在类似或者截然不同的机制呢？看来还是有很多开放的空间让大家大展拳脚的。
图3. 总结图
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.015
参考文献
1. Mascré G, Dekoninck S, Drogat B, et al. Distinct contribution of stem and progenitor cells to epidermal maintenance. Nature. 2012;489(7415):257–262. doi:10.1038/nature11393
2. Sánchez-Danés A, Hannezo E, Larsimont JC, et al. Defining the clonal dynamics leading to mouse skin tumour initiation. Nature. 2016;536(7616):298–303. doi:10.1038/nature19069
3. Aragona M, Dekoninck S, Rulands S, et al. Defining stem cell dynamics and migration during wound healing in mouse skin epidermis. Nat Commun. 2017;8:14684. doi:10.1038/ncomms14684
4. Mao Y, Tournier AL, Hoppe A, Kester L, Thompson BJ, Tapon N. Differential proliferation rates generate patterns of mechanical tension that orient tissue growth. EMBO J. 2013;32(21):2790–2803. doi:10.1038/emboj.2013.197
5. Mesa KR, Kawaguchi K, Cockburn K, et al. Homeostatic Epidermal Stem Cell Self-Renewal Is Driven by Local Differentiation. Cell Stem Cell. 2018;23(5):677–686.e4. doi:10.1016/j.stem.2018.09.005
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