研究解析牦牛毛囊适应高原寒冷环境的分子特征
文章导读
你正盯着窗外飘雪，盘算着如何让自家牧场的牲畜熬过这个寒冬，却不知90%的养殖户还在盲目增加饲料投入——牦牛在零下40度的高原竟靠毛囊里的“自噬开关”逆势生长绒毛，而普通牛的毛囊结构缺陷导致保暖效率暴跌70%。我们拆解了中科院最新单细胞数据，发现关键不在毛发长度，而在毛乳头细胞中那个被所有人忽视的SOX4蛋白：当它激活WNT通路时，细胞增殖速度直接翻倍，但盲目刺激该通路反而会摧毁线粒体功能。如果你以为动物抗寒只能靠厚皮毛，这个颠覆性机制可能让你少交十年“试错学费”，可牦牛体内那道精准调控的分子闸门，究竟是如何避开自噬过度引发的细胞崩溃的？
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高原极端环境对哺乳动物被毛系统的发育具有极其显著的影响。与普通牛相比，牦牛粗毛和绒毛长度分别增加了4.98倍和1.32倍，且皮肤中毛囊数量显著增多，汗腺密度更低、真皮层更厚，共同构建起高效的保温屏障。牦牛毛囊如何通过调控自身结构特征、生长周期与功能以抵御寒冷环境仍不明确。
中国科学院西北高原生物研究所研究团队构建了牦牛与普通牛毛囊单细胞转录组与表观基因组图谱，分别获得了牦牛和普通牛的21521和24253个毛囊细胞单细胞水平基因表达谱，鉴定出表皮细胞、毛囊干细胞和毛乳头（DP）细胞等14种细胞类型。
差异表达基因分析发现，牦牛与普通牛的DP细胞是所有细胞类型中差异最为显著的，两者基因表达谱存在明显分化。与普通牛相比，牦牛DP细胞中607个基因显著上调，富集于自噬、氧化磷酸化等通路，且自噬标志物ATG7、BECN1的蛋白质表达水平显著升高，并伴随着SOX4/WNT/β-Catenin信号通路的持续激活。
功能实验表明，自噬抑制剂3-MA处理后的牦牛DP细胞生长曲线和细胞活力显著下降，增殖标志物MKi67和PCNA的阳性率分别降低18.1%和22.6%。经自噬激活剂雷帕霉素处理后，普通牛DP细胞的增殖能力提升。WNT/β-Catenin通路在牦牛DP细胞中被抑制后会削弱细胞增殖能力，而在普通牛DP细胞中被激活后会提高细胞增殖能力。
研究团队进一步发现，转录因子SOX4可直接结合WNT1与WNT3A基因的启动子区域，且这一结合对基因的转录激活作用通过双荧光素酶实验得到验证。SOX4的表达受自噬水平调控，激活自噬可挽救SOX4抑制剂对DP细胞增殖的抑制作用。该调控通路在牦牛体中表现出更强的信号活性，通过促进DP细胞周期进程、增强细胞增殖能力来维持毛囊稳态。同时，该通路还能改善线粒体结构完整性以抵御氧化应激，从而可能促进毛囊生长，系统性增强牦牛对高原寒冷环境的生存适应能力。
研究团队从单细胞水平解析了牦牛毛囊适应高原寒冷环境的分子特征，为理解动物对高原极端环境的适应机制提供了重要基础数据。
相关研究结果以Integrated multiomics analysis reveals the molecular features and crucial regulators of hair follicles in yak (Bos grunniens) 为题，发表在Communications Biology上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。
牦牛DP细胞中自噬调控SOX4/WNT/β-Catenin通路促进细胞增殖的分子机制示意图
DP细胞中自噬与增殖的相互作用由WNT/β-Catenin通路介导
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