«Гусиная кожа» стимулирует активность стволовых клеток

Исследователи обнаружили, что появление «мурашек по коже» играет важную роль в регуляции стволовых клеток, регенерирующих волосяные фолликулы и волосы.

Гусиная кожа (или мурашки по коже) — это так называемый пиломоторный рефлекс (ПМР), или пилоэрекция. Данный рефлекс у животных помогает им выживать в дикой природе: когда шерсть встает дыбом, они кажутся сопернику больше и страшнее, чем есть на самом деле. Другая функция ПМР — дополнительная термоизоляция, поскольку вздыбленная шерсть лучше сохраняет тепло. Однако люди, похоже, не очень выигрывают от этой реакции — так почему же она сохранялась в течение эволюции все это время?

В новом исследовании ученые из Гарвардского университета обнаружили причину: типы клеток, которые связаны с ПМР, также важны для регуляции стволовых клеток, регенерирующих волосяные фолликулы и волосы.

Поднятие волоса происходит за счёт сокращения расположенной в коже мышцы. Она соединяет симпатический нейрон со стволовыми клетками волосяных фолликулов. Симпатический нейрон реагирует на холод, сокращая мышцы и вызывая «гусиную кожу» в краткосрочной перспективе, а также стимулируя активацию стволовых клеток и рост новых волос — в долгосрочной.

Полученные результаты исследования, проведённого на мышах, были опубликованы в журнале Cell. С их помощью учёные расширили понимание взаимодействия различных типов клеток и открыли связь активности стволовых клеток с изменениями во внешней среде.

«Нас всегда интересовал вопрос регуляции поведения стволовых клеток с помощью внешних стимулов. Кожа — удивительная система: в ней существует множество стволовых клеток, окруженных различными типами клеток, и она является границей между нашим телом и внешним миром. Таким образом, её стволовые клетки потенциально могут реагировать на различные стимулы, поступающие из их собственной ниши, из организма в целом, или даже из внешней среды», — сказала доцент Я-Чи Хсу (Ya-Chieh Hsu), руководившая исследованием в сотрудничестве с профессором Сун-Ян Линем (Sung-Jan Lin) из Национального Тайваньского университета.

«В данном исследовании мы выявили интересную двухкомпонентную систему, которая не только регулирует стволовые клетки в стационарном состоянии, но и модулирует их поведение в соответствии с изменениями температуры снаружи».

Механизм регулирования регенерации волос

Многие органы состоят из трех типов тканей: нервной, эпителиальной и мезенхимы. В коже эти три линии организованы в особом порядке. Симпатический нейрон, часть нервной системы, контролирующей гомеостаз организма и реакции на внешние раздражители, соединяется с крошечной гладкой мышцей в мезенхиме.

Эта гладкая мышца, в свою очередь, соединяется со стволовыми клетками волосяного фолликула, типом эпителиальных стволовых клеток, критически важных для регенерации волосяного фолликула, а также для заживления ран.

Связь между симпатическим нейроном и мышцей хорошо известна, поскольку они являются клеточной основой пиломоторного рефлекса: холод заставляет симпатические нейроны посылать сигнал, а мышца реагирует, сокращаясь и заставляя волосы вставать дыбом.

Однако при исследовании кожи под чрезвычайно высоким разрешением с помощью электронной микроскопии исследователи обнаружили, что симпатический нейрон связан не только с мышцей, но также образует прямую связь со стволовыми клетками волосяного фолликула. На самом деле, нервные волокна обернуты вокруг них подобно ленте.

«Мы смогли увидеть на ультраструктурном уровне, как взаимодействуют нейрон и стволовая клетка. Нейроны, как правило, регулируют возбудимые клетки, такие как другие нейроны или мышцы с синапсами. Но мы были удивлены, обнаружив, что они также образуют сходные синапсоподобные структуры с эпителиальной стволовой клеткой, которая не является типичной мишенью для нейронов», — сказала Хсу.

В дальнейшем исследователи подтвердили, что нейрон действительно связан со стволовыми клетками. Обычно активность симпатической нервной системы постоянно находится на низком уровне для поддержания гомеостаза организма. Учёные обнаружили, что это также необходимо для поддержания стволовых клеток в состоянии готовности к процессу регенерации.

При длительном воздействии холода нейрон активировался на гораздо более высоком уровне и высвобождалось больше нейротрансмиттеров, что заставляло стволовые клетки быстро активироваться, регенерировать волосяной фолликул и создавать новые волосы.

Учёные также определили, что поддерживает нейронные связи со стволовыми клетками волосяных фолликулов. Когда они удалили мышцу, соединенную с волосяным фолликулом, симпатический нерв втянулся, и нейронная связь со стволовыми клетками волосяного фолликула была потеряна, продемонстрировав, что мышца была необходимой структурной единицей для связи симпатического нейрона с волосяным фолликулом.

Формирование системы на ранних стадиях развития

В дополнение к изучению полностью сформированного волосяного фолликула, исследователи наблюдали, как система развивается с самого начала — в первую очередь, как мышцы и нервы достигают волосяного фолликула.

«Мы обнаружили, что сигнал исходит непосредственно от развивающегося волосяного фолликула. Он выделяет белок, регулирующий образование гладкой мускулатуры, которая затем притягивает симпатический нейрон. Далее у взрослого человека взаимодействие изменяется в противоположном направлении. При этом нейрон и мышца сообща регулируют стволовые клетки волосяного фолликула, чтобы регенерировать новый волосяной фолликул. Это замыкает весь круг — развивающийся волосяной фолликул создает свою собственную нишу», — говорит Юлия Шварц (Yulia Shwartz), аспирантка лаборатории Хсу.

Реакция на внешнюю среду

С помощью данных экспериментов исследователи обнаружили двухкомпонентную систему, регулирующую стволовые клетки волосяных фолликулов. Нейрон является сигнальным компонентом, который активирует стволовые клетки с помощью нейромедиаторов, в то время как мышца является структурным компонентом, который позволяет нервным волокнам непосредственно соединяться со стволовыми клетками волосяных фолликулов.

«Можно регулировать стволовые клетки волосяных фолликулов множеством различных способов. Кроме того, они являются замечательными моделями для изучения регенерации тканей», — сказала Шварц. «Конкретно данная реакция помогает увидеть связь между регенерацией тканей и изменениями во внешнем мире, такими как температура. Это двухуровневая реакция: гусиная кожа является быстрым способом обеспечить некоторое краткосрочное облегчение. Однако при длительном воздействии холода, подобный механизм сообщает стволовым клеткам, что, возможно, пришло время создавать новый волосяной покров».

В будущем исследователи планируют продолжить изучение влияния внешней среды на стволовые клетки кожи, как в условиях гомеостаза, так и в ситуациях регенерации, таких как заживление ран.

«Мы живем в постоянно меняющейся среде. Поскольку кожа всегда находится в контакте с внешним миром, это дает нам возможность изучить, какие механизмы используют стволовые клетки в нашем организме для того, чтобы при производстве тканей учитывать меняющиеся требования, необходимые организму для успешного развития в этом динамичном мире», — сказала Хсу.