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在《Science》期刊发表的这篇文章中，Tierney等研究者探讨了维生素A在调控干细胞谱系可塑性中的作用。研究发现，维生素A的代谢产物全反式视黄酸（atRA）能够限制小鼠毛囊干细胞的谱系可塑性，从而在受伤后促进细胞命运的转变。这一发现通过操控皮肤和培养环境中的类维生素A物质含量，使研究人员能够引导干细胞进行伤口愈合或毛发再生。研究揭示了干细胞如何在组织再生中做出正确的命运选择，对再生医学、伤口修复和癌症治疗具有重要意义。
研究背景
成人干细胞通常位于特定的微环境中，这些微环境严格控制组织再生的类型和时间。然而，皮肤等屏障组织经常受到损伤，这可能破坏微环境的结构，释放干细胞以应对受损区域的需求。为了跨越这些稳态边界，干细胞进入一种短暂的谱系可塑性状态，在这种状态下，它们可以共表达先前和新的细胞命运。正确执行这种命运转换对于恢复组织健康至关重要，因为如果失败，可能导致谱系选择缺陷和慢性伤口修复问题。尽管人们越来越认识到谱系可塑性的重要性，但涉及的信号通路仍然知之甚少。研究利用皮肤上皮作为探索这一问题的理想模型，因为毛囊干细胞是皮肤损伤后重新上皮化的主要响应者。
研究发现
研究表明，维生素A通过抑制谱系可塑性，帮助小鼠毛囊干细胞在受伤后进行正确的细胞命运选择。具体来说，atRA在毛囊干细胞的生理环境中是必需的，它通过与WNT和BMP信号协同作用，促进毛囊的形成和伤口愈合。研究还发现，在伤口愈合过程中，atRA信号会暂时减少，以允许干细胞在伤口床中进行命运转换，随后在皮肤屏障修复后恢复，以促进毛发再生。
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小鼠毛囊干细胞（HFSCs）中维A必须被抑制以便于转换命运。
通过筛选小分子库，研究人员确定atRA是恢复毛囊干细胞生理身份的关键因子。atRA在体外和体内都表现出类似的效果，能够维持干细胞的谱系特异性。研究揭示了atRA通过调控染色质结构和基因表达，尤其是通过影响关键转录因子如SOX9的表达，来解决谱系可塑性的问题。atRA的可用性与谱系可塑性呈反比关系，在伤口愈合早期暂时减少以允许干细胞命运转换，随后恢复以支持毛发再生。这些发现为再生医学、伤口修复和癌症治疗提供了新的视角和潜在的应用。
临床意义
实验策略
1. 小分子筛选：通过筛选一系列小分子，研究者识别出atRA对培养中的小鼠HFSCs的谱系可塑性具有关键调控作用。2. 基因敲除模型：利用条件性基因敲除模型，证实在HFSCs中缺失视黄酸受体（如Rxra）会导致谱系可塑性的异常，进一步支持atRA在谱系决定中的作用。3. 多组学数据整合分析：通过转录组学和染色质景观数据结合视黄酸受体–DNA相互作用，识别出在谱系可塑性中受atRA调控的下游靶基因网络。4. 体内和体外实验结合：通过体外培养体系优化以及体内小鼠伤口愈合实验，研究了atRA在不同条件下对HFSCs命运决策的影响。5. 单细胞RNA测序：通过单细胞RNA测序，研究者分析了不同处理条件下HFSCs的转录组变化，揭示了atRA与其他信号（如WNT和BMP）如何协同调控HFSCs的命运。6. 染色质可及性分析：使用ATAC-seq技术，探讨了atRA在染色质水平上对HFSCs命运的影响。
数据解读
图1：体外筛选解决组织干细胞的系谱塑性该实验旨在通过筛选小分子化合物，研究体外培养的组织干细胞的谱系可塑性。A. 为了研究培养的毛囊干细胞（HFSCs）的谱系可塑性，作者使用慢病毒Klf5-EGFP报告基因稳定转导HFSCs。流式细胞术定量分析显示，在3D培养中，血清替代物减少了Klf5报告基因的表达。与血清补充培养基中的无限制生长相比，血清替代培养基中的克隆直径随时间趋于稳定。B. 通过筛选与伤口修复相关的小分子化合物库，定量分析Klf5-EGFP+细胞，发现几种小分子化合物显著抑制了Klf5-EGFP的表达。显著的抑制剂包括全反式维甲酸（atRA）、PKCa/b抑制剂Gö6976和ERK1/2的竞争性抑制剂FR180204。虚线表示B-27培养基中仅含载体对照的EGFP基线水平。C和D. 免疫荧光（C）和免疫印迹（D）分析显示，血清替代物和atRA及PKCi处理通过提高HFSC主调节因子SOX9的表达和抑制表皮干细胞（EpSC）转录调节因子KLF5的表达，解决了谱系可塑性问题。角蛋白谱反映了表皮分化和伤口诱导的上基底标记物（KRT10, KRT6）的丧失，泛皮肤祖细胞标记物KRT14的均匀表达，以及HFSC标记物KRT15的获得。皮肤矢状切片的表皮-真皮界面由虚线标出。E. 通过UMAP表示和无监督的k近邻聚类分析3757个培养的HFSCs的单细胞转录组，显示RA-PKCi联合处理使细胞在接近均匀的簇中聚集，与伤口样和表皮细胞类型明显不同。使用从体内HFSCs、EpSCs和伤口修复中间阶段分离的谱系追踪HFSCs的独立批量测序获得的基因特征进行注释的簇分配，确认atRA+PKCi处理的细胞具有强烈的HFSC特征，并减少了EpSC和伤口特征。结论：通过对小分子化合物的筛选和分析，研究发现atRA和PKCi处理可以有效解决体外培养的HFSCs的谱系可塑性，增强HFSC特征并抑制表皮和伤口特征。
图2：视黄酸在染色质层面解决系谱塑性A. 为了检测维甲酸在体内的活性，作者使用了维甲酸反应元件报告基因（RARE-RFP）在成年皮肤上皮中的表达作为指示，同时通过ALDH1A2免疫标记确认了该限速酶的存在。结果表明，在皮肤擦伤后，这些标记暂时消失。通过流式细胞术测定伤口修复期间RARE-RFP活性的动力学，并叠加了谱系可塑性（即HF中SOX9+KLF5+细胞的百分比）的数据。B. 在Sox9-CreER+ HFSCs中条件性去除Rxra基因导致异位KLF5表达。通过双重免疫标记显示SOX9+KLF5+细胞，反映了谱系可塑性，并在右侧进行了量化。C. 通过ATAC-seq分析了在FBS或atRA+PKCi培养基中培养的野生型和Rxra cKO HFSCs中atRA刺激的染色质峰的信号强度。HOMER基序分析显示，Rxra依赖的染色质区域在atRA+PKCi培养基中差异性开放，且atRA敏感峰高度富集SOX基序。Venn图展示了ATAC-seq中Rxra依赖的染色质峰与RNA-seq中差异表达基因的重叠情况，其中Sox9等基因在这些Rxra依赖、atRA调控的基因中显著。D. Venn图显示了对atRA和RXRa敏感且被RARγ和RXRa共同结合的转录本和开放染色质峰。右侧展示了直接atRA靶基因的代表性ATAC峰和RARγ及RXRa的CNR结合谱。结论：维甲酸通过影响染色质结构和基因表达，调节了谱系可塑性，特别是在毛囊干细胞中，Rxra的作用对于维甲酸的效应至关重要。
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。
