Биологи объяснили выбор клеток кожи между волосатостью и потливостью

Американские исследователи выяснили, каким образом кожа эмбриона «решает», что именно сформируется на каждом ее участке: потовые железы или волосяные фолликулы. Статья опубликована в журнале Science.

У большинства млекопитающих потовые железы и волосяные фолликулы разнесены по разным участкам тела, и потовые железы обычно развиваются только на подушечках лап и на морде. Однако у человека и других приматов потовые железы и волосяные фолликулы находятся на одних и тех же участках кожи. Особенно много потовых желез у человека, и по количеству выделяемого пота с ним могут сравниться только очень немногие млекопитающие — например, лошади. Способность к охлаждению тела, которую обеспечивает обилие потовых желез по всему телу, позволяет человеку выдерживать очень высокие температуры и, например, бегать марафоны.

В ходе эмбрионального развития потовые железы и волосяные фолликулы образуются сходным образом, в результате врастания эпидермальных почек в мезенхиму. Каким образом при этом решается судьба таких почек — то есть почему они становятся потовыми железами или волосяными фолликулами — до сих пор не до конца понятно. В 1960-х в экспериментах по пересадке зародышевых тканей было показано, что ключевую роль в этом играет мезенхима: например, при пересадке эпителия роговицы кролика в мезенхиму на спине из нее образуются волосяные фолликулы, а при пересадке эпителия в мезенхиму подушечек лап из нее образуются потовые железы.

Авторы новой статьи решили выяснить, какие молекулярные механизмы лежат в основе такой специализации. Для этого они воспользовались тем, что у мышей на спине развиваются только волосяные фолликулы, а на лапках — только потовые железы. Ученые отсеквенировали РНК в мезенхимальных клетках этих участков у эмбрионов в момент формирования эпителиальных почек — то есть непосредственно перед образованием потовых желез и волосяных фолликулов.

Оказалось, что судьба этих почек определяется экспрессией в мезенхиме костных морфогенетических белков (BMP) — факторов роста, регулирующих развитие тканей зародыша. В мезенхимальных клетках лап уровень экспрессии этих белков гораздо выше, чем в клетках спины. Экспрессия BMP в мезенхиме запускает синтез факторов роста фибробластов (FGF). Белки BMP и FGF затем активируют сигнальные пути, которые в конечном итоге подавляют синтез в них белка SHH (sonic hedgehog) — еще одного важного регулятора эмбрионального развития. Подавление синтеза SHH и определяет судьбу эпителиальной почки: из нее развивается потовая железа.

В мезенхимальных клетках спины, напротив, уровень экспрессии BMP понижен. В результате в эпителиальных почках, врастающих в такую мезенхиму, ничто не подавляет синтез SHH. Белок SHH, в свою очередь, запускает сигнальный путь, стимулирующий синтез антагонистов BMP, которые в итоге еще больше подавляют его экспрессию. Все это приводит к тому, что из таких эпителиальных почек развиваются волосяные фолликулы.

Таким образом, ключевую роль в определении пути, по которому будут развиваться эпителиальные почки, играет антагонистическое взаимодействие белков BMP и SHH. Изменяя экспрессию генов этих белков на разных стадиях эмбрионального развития, авторы также показали, что это взаимодействие определяет судьбу эпителиальных почек только в течение узкого временного интервала. Например, сколько угодно сильное повышение экспрессии SHH в начавших формироваться потовых железах после окончания этого интервала никак не повлияет на развитие эпителиальных почек.

Наконец, авторы решили выяснить, каким образом потовые железы и волосяные фолликулы развиваются в одних и тех же участках мезенхимы у человека. Для этого они проследили за развитием эмбриональной кожи головы. Оказалось, что в мезенхиме человека различия в экспрессии BMP — не только временные, но и пространственные. До 15 недели развития эмбриона все образующиеся эпителиальные почки специализируются как волосяные фолликулы. Между 15 и 17 неделями происходит переключение пути развития: уровень экспрессии BMP становится все выше, и все больше эпителиальных почек идут по пути развития потовых желез. В конце концов, на 20 неделе развития, в коже развиваются уже только исключительно потовые железы.

Как заключают авторы, эти результаты в будущем могут пригодиться, например, для поиска способов лечения людей с нехваткой или отсутствием потовых желез. Потовые железы могут отсутствовать как в результате генетического заболевания — гипогидротической эктодермальной дисплазии, — так и в результате ожогов или травм. Недавно ученым удалось вырастить искусственную кожу, содержащую функционирующие потовые железы, которая также может найти применение в лечении подобных заболеваний.

Софья Долотовская