哈佛大學的科學家發現，起雞皮疙瘩的過程與毛髮生長有密切聯繫。
圖片來源：malehmann/Flickr
編譯 閆碩 魏瀟
編輯 魏瀟
我們為什麼會起雞皮疙瘩？如果你也曾好奇過這個問題，那你和查爾斯·達爾文想到一塊兒了。達爾文在他的進化論著作中也對雞皮疙瘩進行了思考。它也許能保護皮毛厚實的動物免受寒冷的侵襲，但我們人類似乎並沒有從這種反應中獲益太多。那麼，為什麼人類在演化過程中一直保留著起雞皮疙瘩的本能呢？
在一項新研究中，哈佛大學的科學家發現了原因：引發雞皮疙瘩的細胞對於調節促進毛囊和毛髮再生的幹細胞也很重要。在皮膚下方，收縮產生雞皮疙瘩的豎毛肌是連接交感神經和毛囊幹細胞的橋梁。交感神經對寒冷的反應是在短期內是造成肌肉收縮，產生雞皮疙瘩；從長期來看則是通過驅動毛囊幹細胞來激活和促進新毛髮生長。
大部分器官都是上皮、間充質和神經這三種組織構成的。在皮膚中，這三類組織以一種特殊的方式排列。交感神經是人類神經系統的一部分，它控制著人體的穩態調節和對外界刺激的反應。交感神經與間充質組織中的微小平滑肌相連，這種平滑肌（也就是豎毛肌）又與毛囊幹細胞相連。這是一種上皮幹細胞，對毛囊的再生和修復至關重要。
眾所周知，交感神經和肌肉之間存在神經肌肉接頭，這是產生雞皮疙瘩的細胞基礎：寒冷會觸發交感神經元發送信號，使豎毛肌收縮並導致毛髮豎立。然而，當用電子顯微鏡在極高解析度下觀察皮膚時，研究人員發現交感神經不僅與肌肉有聯繫，還與毛囊幹細胞之間存在直接聯繫——交感神經纖維就像一條絲帶一樣包裹在毛囊幹細胞周圍。
纏繞在毛囊幹細胞（紅色）周圍的交感神經（綠色）。圖片來源：論文。
領導該研究的哈佛大學教授 Ya-Chieh Hsu 表示：「通常情況下，神經元傾向於調節可興奮的細胞，例如其他神經元或帶有突觸的肌肉細胞。令人驚訝的是，神經元也可以與位於上皮的毛囊幹細胞形成類似突觸的結構，這可並不是神經元的典型靶點。」
這種聯繫令機體根據寒冷程度控制毛髮生長成為可能。研究人員發現，一般情況下，交感神經一般表現為穩定的低水平激活，這能夠使與之存在直接聯繫的毛囊幹細胞保持在一個「準備完全」的狀態，隨時可以再生。當個體長時間身處寒冷環境中時，交感神經活動增強，釋放出更多的神經遞質，這會促使幹細胞迅速激活，促進毛囊再生，從而長出新的毛髮。
對於大部分動物來說，這種在寒冷環境下長出新生毛髮的能力，是成功渡過秋冬季節的重要條件。但是在已經演化為「裸猿」的人類看來，毛囊再生的意義已經擺脫了保暖這一生存的基本需求。
比如，常在男性個體中出現的雄激素性脫髮，能靠這種「寒冷生發」的思路挽回嗎？答案可能沒那麼樂觀。2016 年，一項來自墨爾本大學的研究發現，男性脫髮者的頭皮毛囊與豎毛肌的連接被分泌過多的脂肪破壞，這不僅讓頭皮喪失了起雞皮疙瘩的能力，也讓毛囊幹細胞無法再生，導致毛髮無法再次生長。這和哈佛大學的新研究剛好互補：當研究者移除與毛囊相連的肌肉後，交感神經萎縮，它與毛囊幹細胞的連接也丟失了，說明肌肉是連接交感神經與毛囊的必要支撐結構。
不過，哈佛的這項研究還是為脫髮患者們提供了一絲希望：他們發現一種能夠調節平滑肌（豎毛肌）形成的蛋白質「音蝟因子」（Sonic Hedgehog, SHH）在推動毛囊小環境發育的過程中起重要作用。SHH 由發育中的毛囊細胞分泌，能夠調控平滑肌形成，吸引交感神經產生連接。當毛囊進入「成年期」後，神經和肌肉就可以反過來共同調節毛囊幹細胞活動，再生新的毛囊。這是一個閉環系統，讓發育中的毛囊為自己建立起了一個小生態。音蝟因子這種關鍵蛋白，或許能夠為未來毛髮的再生調控提供新的思路。
這篇論文的一作、哈佛大學博士後研究員 Yulia Shwartz 表示：「研究表明，人體可以利用很多不同的方法來調節毛囊幹細胞活性，這是研究組織再生的一種極好的模型。這種特殊的反應有助於將組織再生與外界的變化（如溫度）結合起來。這具有雙重意義：雞皮疙瘩是短期內緩解寒冷的快速方法；但當寒冷持續時，幹細胞就知道是時候再生新的毛髮了。」
未來，研究人員將進一步探索外部環境是如何影響皮膚中的幹細胞的。比如在機體處於穩態，或者處於傷口癒合等修復情況下的皮膚幹細胞活動。
Ya-Chieh Hsu 說：「我們生活在一個不斷變化的環境中。因為皮膚總是與外界接觸，所以我們有機會研究人體內的幹細胞利用什麼機制將組織再生與不斷變化的需求結合起來。這種機制對生物體在這個充滿活力的世界中茁壯成長至關重要。」
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【標題】Cell Types Promoting Goosebumps Form a Niche to Regulate Hair Follicle Stem Cells
【作者】Yulia Shwartz, Meryem Gonzalez-Celeiro, Chih-LungChen, H. AmaliaPasolli, Shu-Hsien Sheu, Sabrina Mai-Yi Fan, Farnaz Shamsi, Steven Assaad, Edrick Tai-Yu Lin, BingZhang, Pai-ChiTsai, Megan He, Yu-Hua Tseng, Sung-JanLin, Ya-Chieh Hsu
【期刊】Cell
【日期】16 July 2020
【DOI】10.1016/j.cell.2020.06.031
【摘要】
Piloerection (goosebumps) requires concerted actions of the hair follicle, the arrector pili muscle (APM), and the sympathetic nerve, providing a model to study interactions across epithelium, mesenchyme, and nerves. Here, we show that APMs and sympathetic nerves form a dual-component niche to modulate hair follicle stem cell (HFSC) activity. Sympathetic nerves form synapse-like structures with HFSCs and regulate HFSCs through norepinephrine, whereas APMs maintain sympathetic innervation to HFSCs. Without norepinephrine signaling, HFSCs enter deep quiescence by down-regulating the cell cycle and metabolism while up-regulating quiescence regulators Foxp1 and Fgf18. During development, HFSC progeny secretes Sonic Hedgehog (SHH) to direct the formation of this APM-sympathetic nerve niche, which in turn controls hair follicle regeneration in adults. Our results reveal a reciprocal interdependence between a regenerative tissue and its niche at different stages and demonstrate sympathetic nerves can modulate stem cells through synapse-like connections and neurotransmitters to couple tissue production with demands.
【連結】
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867420308084
主要參考資料：
https://eurekalert.org/pub_releases/2020-07/hu-trr072020.php
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