常永芳 包鹏甲 褚敏 吴晓云 梁春年 阎萍，3

（1. 中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，兰州 730050；2. 甘肃省牦牛繁育工程重点实验室，兰州 730050；3. 西北民族大学生命科学与工程学院，兰州 730030）

皮肤是哺乳动物机体最大的器官，具有抵御环境侵害（寒冷、强辐射和沙尘暴）、感觉、新陈代谢和体温调节等多种功能。毛囊作为皮肤的一种可再生微小器官，在毛纤维的产生中起重要作用，其生长发育表现出周期性［1-3］。毛囊的这种周期性循环是由众多刺激和抑制因子及信号通路之间严格控制的平衡和相互作用来调节的，是一个复杂的空间互作系统［4-6］。长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一类存在于真核生物中长度大于200 nt、无长阅读框，但具有帽子结构和poly A尾巴的RNA分子［7-8］。在整个基因组中存在普遍的转录调控现象，涉及表观遗传调控、细胞周期调控和细胞分化调控等生命活动，已成为遗传学研究的热点。大量研究表明，lncRNA在皮肤毛囊发育过程中充当重要角色，参与调控毛囊及毛发纤维生长相关基因的表达；且与毛囊发育和周期性变化密切相关，可通过与众多生长因子和信号通路相互作用来发挥其生物学功能。本文综述了近年来lncRNA在哺乳动物毛囊形态结构、生长发育和周期性变化过程中的调控作用，以及通过与其他调控因子和信号通路之间的互作对毛囊及毛发生长的影响，为经济动物毛品质的提高和研究哺乳动物毛囊生长相关lncRNA的作用及调控机制提供理论基础。

1 lncRNA的发现、分布及生物学功能

lncRNA是一类最早在鼠全长cDNA的高通量测序中发现的长度超过200 nt的RNA分子，自身不编码蛋白［10-13］。最初由于lncRNA不编码蛋白质，被认为不具备生物学功能，视其为“转录噪音”［14-15］。之后的研究表明，lncRNA参与X染色体沉默、染色体修饰和基因组修饰、转录激活、转录干扰、核内转运等生物过程，对其调控机制的研究越来越广泛［16］。目前lncRNA在全基因组水平上的研究已经涉及动植物、真菌、原核生物，甚至病毒［17］。基于基因组中lncRNA的方向和位置，可分为不同的亚型：基因间（Intergenic）、内含子（Intronic）、反义（Antisense）、重叠（Overlapping）、双向（Processed）和加工（Transcript）［17-22］。lncRNA 是非编码 RNA亚型中最大的一类，据统计，包含人类近30 000种不同的转录本，是非编码转录本的主要组成部分，超过了编码蛋白RNA；哺乳动物蛋白编码基因占总RNA的1%，lncRNA占总RNA的比例可达4%-9%，主要分布在细胞核内，也有部分存在于细胞质中［16-19，24］。lncRNA 不同于 miRNA，其作用机制复杂，可以通过多种不同的方式调控基因表达和蛋白质合成［19］，这与其复杂的空间结构和lncRNA所处的位置密切相关。研究发现，lncRNA可以通过特定的序列以碱基互补配对的方式与靶基因结合，从而直接或间接的调控基因的转录与翻译。lncRNA复杂的空间结构是其生物学功能和生物过程调控的中心。目前发现的大部分lncRNA都具有保守的二级结构及一定的剪切形式和亚细胞定位［16，25-26］。lncRNA存在于生命的每一个分支中，机体的复杂性与非编码RNA表达序列的多样性和相关性远比与蛋白编码基因的相关性强得多［27］。其生物学功能涉及表观遗传、mRNA降解和转录翻译调控、细胞周期调控、剪切调控、胞内物质运输和染色体重塑以及参与细胞分化和发育模式、疾病发生、细胞结构维护等多种生物学过程［8，17，28-29］。此外，lncRNA 作为支架、诱饵、信号及引导分子从不同层面通过基因组靶向、顺式或反式和反义干扰发挥作用［30-31］。在哺乳动物基因组中，lncRNA的重要性已引起了研究人员的高度关注，随着研究深入，已鉴定的lncRNA数量快速增加，但仍有很多未知的lncRNA，尤其与毛囊发育相关lncRNA的鉴定甚少。

2 哺乳动物毛囊生长发育

2.1 毛囊发生及形态结构

毛囊在哺乳动物整个生命过程中不断更新，通过激素、神经肽和免疫细胞之间复杂的相互作用来调节毛发的生长。这种复杂的相互作用诱导毛囊产生高度角质化组织及不同类型的毛发。根据毛囊所处位置，其大小和长度也存在一定的差异，但其结构基本相似。毛囊的形成发生于胚胎阶段，主要依赖于真皮细胞和上皮细胞间发生的一系列信号传导，真皮产生的初始信号（“第一真皮信号”）诱导胚胎表皮增厚形成基板［32］，毛母质细胞在基板下局部凝结（真皮凝结），形成“真皮凝聚物”，真皮凝聚物中产生的“第二真皮信号”和基板之间的信号交换使上皮细胞增殖分化并向下生长至真皮，最终包裹真皮凝聚物，形成毛乳头细胞［33］，在毛乳头细胞的刺激下上皮细胞进一步增殖和分化导致内根鞘和毛干的形成［34］。毛囊由三个同心闭合的圆柱体结构构成，最外层的为外根鞘，外根鞘可以将毛囊的整个结构与真皮层隔开；位于中间的是内根鞘，它是决定最内层毛干外形及其向体表生长的关键部位，毛干位于该结构的最内层，根据毛囊类型可产生初级毛发和次级毛发。毛囊可分为初级毛囊和次生毛囊（次级毛囊），初级毛囊发生早，其毛球部位较大，毛囊整体结构较粗较长，有汗腺和皮脂腺，毛干有髓质，主要生产粗毛；次级毛囊发生较晚，毛球直径相对较小，深度浅，主要围绕初级毛囊分布，没有汗腺和竖毛肌等完整的附属结构，毛干无髓质，多产生绒毛［35］。不同物种或同一物种不同部位的毛囊发育及其毛囊密度也存在一定的差异，如美利奴羊个体毛囊密度可达107-108个，而人的只有500万个［36］。

2.2 毛囊的周期性生长

毛囊的周期性生长发育是其最为重要的特征，这种周期性的模式形成是由上皮细胞和真皮细胞之间的分子和细胞交流产生的结果［37］，变化主要集中在毛囊底部的毛乳头形态结构的改变以及新毛干的产生和旧毛干的脱落。哺乳动物的毛囊生长周期一般经历三个阶段，即生长期、退行期和休止期。

2.2.1 生长期 生长期是毛囊生长最活跃的阶段［38］，也是牛、羊等大部分哺乳动物周期经历最长的一个阶段，在此阶段，毛囊凸出区域的干细胞迅速增殖，毛囊根部的毛乳头不断增大并开始向皮肤深处生长，此时毛母质细胞由于受到毛乳头的调控快速增殖分化出新的毛干和内根鞘［39］。对于有色毛发来说生长期是黑色素生成阶段。不同部位的毛囊产生的毛发长短不一，其长度与生长期的持续时间成正比。如人的头皮毛囊生长期通常持续2-8年，产生长毛；而眉毛及睫毛等毛囊生长期只维持2-3个月，因此产生短毛［40］。

2.2.2 退行期 退行期是毛囊从生长期过渡到休止期的一个动态变化过程，此时随着毛母质细胞数目减少，毛干和内根鞘分化速度减慢，毛球和外根鞘开始凋亡，毛乳头细胞处于缩聚状态，毛囊变小，开始从真皮乳头脱落。

2.2.3 休止期 在休止期，细胞终止凋亡，此时的毛囊活动基本处于休眠状态［36］。毛囊形态结构及循环周期见图1。

图1 毛囊组织形态结构及循环周期（改自Zhang等［58］）

毛囊的生长周期因毛囊类型（初级和次级）、部位和动物种类的不同而不同。在人毛囊发育周期中各个部位生长期存在显著差异，例如，头发生长期可持续2-8年，而眉毛生长期只维持2-3个月［40］。美利奴细毛羊生长期可维持2年或更久，其毛囊发育长时间处于生长期，几乎没有毛囊循环周期。但其驯化品种，威尔特郡羊毛囊生长周期表现出季节性，有明显的周期性［40］。绒山羊生长期持续不及6个月［41］。此外，研究发现，绒山羊（辽宁绒山羊、河西绒山羊、内蒙古阿尔巴斯绒山羊等）、细毛羊（敖汉细毛羊、甘肃高山细毛羊等）等品种初级毛囊周期性发育不明显，没有明显的界限；而次级毛囊发育呈周期性，周期通常为一年［42-46］。小鼠、兔子、豚鼠的毛囊发育经历生长、退化，静止阶段，呈波浪式生长［47］，而人和羊毛囊循环则贯穿一生［35］。雪兔的毛囊不同于鼠、羊等物种，其结构复杂，为多级复合毛囊，初级毛囊和次级毛囊发生和生长周期不同步，其毛色变化随季节性改变，一年可经历两次毛囊生长周期［48-52］。贾志海等［53］和 Mitchell等［54］研究认为短光周期和褪黑激素处理可显著提高山羊绒的产量，而山羊粗毛不依赖光照和褪黑激素的影响。表明山羊次级毛囊生长周期依赖于季节性，同时研究发现褪黑激素可延长毛囊生长期早期，使毛囊从休止期快速进入生长初期，延长整个毛囊发育生长期［55-57］。

3 lncRNA在毛囊发育中的作用

3.1 皮肤毛囊生长发育相关lncRNA的鉴定

研究表明，真皮乳头细胞中部分lncRNA参与了毛发相关基因调控［59］，在真皮乳头的形成、毛囊的增殖和分化、真皮凝聚物和毛囊基板的形成中发挥重要作用，尤其是在次级毛囊的生长阶段扮演重要角色［26，60-61］。郭杨等［62-63］在羊绒周期性生长特异性lncRNAs的筛选中发现，生长期和休止期有6 127个lncRNAs表达，其中54个表达存在显著差异（上调32个，下调22个），对差异表达的lnc5479进行靶向敲除发现与毛囊的生长期密切相关，并且参与角蛋白的形成。Nie等［64］研究lncRNAs和miRNA在绵羊胎儿皮肤初级毛囊诱导中的作用时，发现差异表达的lncRNA中36个上调、26个下调，下调的lncRNA与角蛋白（KRT 14和KRT 15）、BMP信号（SOSTDC 1）、WNT信号（WNT 16和SFRP 1）和层粘连蛋白（LAMA 1）相互作用，主要影响表皮和羊毛基板的发育。Bai等［65］对绒山羊次级毛囊休止期和生长期之间转录模式的研究中发现了13个差异表达的lncRNAs，其中6个（lnc RNA-599618，-599556，-599554，-599547，-599531和-599509）在生长期上调，4个（lncRNA-599528，-599518，-599511和-599497）在休止期上调。Zhou等［37］运用多组学的方法对生长期、退行期两个时期的绒山羊皮肤组织进行研究，构建了6个lncRNA文库和6个 miRNA 文库，鉴定出1122个已知的和403个新的 lncRNA，其中173个在生长期和退行期表达存在差异，进一步研究发现 miR-873 和lncRNA-108635596 在毛囊的周期性生长过程中具有协同作用，退行期诱导因子（TGFβ1和BDNF）在lncRNA-miRNA-mRNA网络中受到miR-873和lnc-108635596的调控。这一发现丰富了绒山羊和其他哺乳动物中 lncRNA 的内容，更有助于理解lncRNA在毛囊生长和退化阶段的分子调控机制，同时也为进一步阐明 lncRNA在绒山羊次级毛囊和羊绒纤维生长发育中的作用和调节机制奠定了基础。Yue等［29］通过测序分析lncRNA和编码RNA在绵羊皮肤中的作用，发现只有WNT2和FGF20在Wnt、SHH、Notch、BMP信号途径中存在显著差异，同时在绵羊皮肤表达谱中发现了884个新的lncRNA。进一步研究表明差异表达的lncRNA_XLOC002437和靶基因COL6A6之间可能通过正反馈调节和减少VIα6在皮肤中的沉积，来抑制皮肤纤维化并促进基板的形成和沉积。推测这些差异表达的关键基因和lncRNA为调控毛囊发育起始阶段潜在候选基因。Zheng等［66］通过ceRNA网络分析，从绒山羊次级毛囊中鉴定出lncRNA-000133，进一步研究分析表明，lncRNA-000133影响真皮乳头细胞诱导特性，此外，lncRNA-000133在绒山羊次级毛囊生长期表达水平显著高于休止期，说明lncRNA-000133可能参与次级毛囊的发生及羊绒纤维的形成和生长。

3.2 lncRNA调控动物毛囊发育

lncRNA 的作用方式多种多样，但目前研究发现调节毛囊发育的lncRNA 大部分集中在调控相关信号通路、相关基因的甲基化水平及调控褪黑激素介导毛囊发育等方面。在人类和小鼠上研究表明，Wnt信号通路在维持毛囊诱导能力和形成新发纤维方面起关键作用［67-68］。同时，Wnt信号通路的抑制将会导致毛囊结构维持受损［68］。Wnt抑制因子-1（WIF-1）是Wnt的关键拮抗剂，也是真皮凝聚的标志物［69-70］，可负调控毛囊的生长发育。Kim等［71］研究发现，WIF-1基因启动子区甲基化影响WIF-1 mRNA和蛋白水平的下调，认为这是激活Wnt /β-catenin途径的重要机制。此外，HOTAIR通过在启动子区域促进组蛋白H3K27发生甲基化，然后激活Wnt /β-catenin信号直接降低WIF-1表达［72］。Lin等［73］通过 lncRNA 微阵列研究表明Wnt途径中一些差异表达的lncRNA可能通过表观遗传修饰来调节WIF-1和BMP，从而抑制毛乳头细胞中的Wnt信号传导，降低毛乳头细胞诱导毛囊重建的能力。研究发现，lncRNA-000133［66］、lncRNA-H19［74］、lncRNA-HOTAIR［75］在绒山羊毛囊发育生长期的表达水平显著高于休止期，结合启动子甲基化分析表明，休止期lncRNA-H19、lncRNAHOTAIR、lncRNA-000133这三个基因启动子区的高度甲基化可能参与了绒山羊次级毛囊的表达抑制。Jin等［76］使用RNA-Seq分析褪黑激素处理的辽宁绒山羊成纤维细胞中lncRNA和mRNA差异表达发现，褪黑激素可通过调节lncRNAMTC表达促进成纤维细胞增殖，当lncRNAMTC过表达时，它刺激具有相同作用的NF-κB信号通路。因此，褪黑激素通过促进lncRNAMTC表达来激活NF-κB信号通路，从而控制毛囊发育和毛发生长。同样，Ge等［77］对体外培养的绒山羊次级毛囊干细胞进行褪黑激素处理并进行lncRNA测序，发现褪黑素的介导可引起lncRNA TCONS_00255106转录水平下调，lncRNA TCONS_00206163转录水平上调，其各自的靶基因COL4A2和THBS2是参与褪黑素调节山羊毛囊发育的潜在调节因子，说明lncRNA TCONS_00255106、lncRNA TCONS_00206163通过褪黑激素介导调控其靶基因表达，从而调节山羊毛囊发育。此外，王俊永等［78］和刘善博［79］等对细毛羊次级毛囊诱导期的差异lncRNA进行靶基因预测和鉴定发现，lncRNA也可能通过NOD样受体信号通路（NOD-like receptor signaling pathway）、利什曼病信号通路（Leishmaniasis）、NF-kappa B信号通路（NF-kappa B signaling pathway）参与调控细毛羊毛囊形态发生及发育周期。

4 总结与展望

被毛作为牛羊等哺乳动物重要的经济性状，具有潜在的研究价值，而毛囊作为产生毛发的主要器官，是皮肤的重要附属物，大多数牛羊品种一生中要经历生长期，退行期，休止期转变。在这种周期性活动中，不同的影响因子之间组成一个庞大而又复杂的调控网络，它们之间通过相互抑制或协同，参与毛囊形态结构的变化及周期性生长。近年来，lncRNA作为潜在和关键的生物调节层受到广泛关注，参与毛囊的产生、形态变化以及周期性循环，目前对于lncRNA在毛囊发育及毛发生长相关的研究主要集中在相关lncRNA的筛选、鉴定等方面，但对其作用机制的研究仍不明确。随着分子技术和基因编辑技术的飞速发展，更加深入、准确的揭示毛囊周期性生长的分子机制已经志在必得，也为家畜育种工作和经济动物毛品质的提高提供新的研究方向和思路。