通常来讲，随着年龄的增长，人体出现老化，人头发会逐渐变成白色。然而，我们经常发现，“一夜白头”的现象并不少见。

 

    在中国历史上最著名的而且有史书明确记载的伍子胥，在逃亡吴国途中受困于韶关而一夜白头；欧洲最著名的一夜白头的人物是法国国王路易十六的王后玛丽·安托瓦内特，她因为被废除皇后而一夜白头。至今，在欧洲，一夜白头也被称为“玛丽·安托瓦内特症”。

 

 

    既往的经验和轶事证据表明，压力与加速头发变白(形成无色素的头发)有关，但迄今为止，这一联系的科学验证甚少。那么，悲伤、焦虑、痛苦等强烈的精神打击与“白头”之间究竟存在着怎样具体的因果联系？变白的头发还能再复黑吗？

 

    近期，哈佛大学的研究团队张兵博士等发表在Natrue上的一项研究报告称，他们的研究团队找到了“一夜白头“的生理运行机制。该项报告显示，在小鼠中，急性压力 (acute stress)通过快速消耗黑素细胞干细胞(melanocyte stem cells)，从而导致头发变白。

 

 

    通过肾上腺切除术、去神经支配、化学遗传学、细胞消融和黑素细胞干细胞肾上腺素能受体的敲除，研究发现，压力诱导的黑素细胞干细胞丧失与免疫攻击或肾上腺压力激素无关。相反，头发变白是由支配黑素细胞干细胞龛(melanocyte stem-cell niche)的交感神经激活引起的。在压力条件下，这些交感神经的激活会导致神经递质去甲肾上腺素(noradrenaline)的突然释放。这导致静止的黑素细胞干细胞迅速增殖，随后分化、迁移并从龛中永久性耗尽。对黑素细胞干细胞增殖的短暂抑制可以防止压力引起的头发变白。

 

    该项研究表明，急性压力诱导的神经元活动可导致成体干细胞(somatic stem cells)的快速永久性丧失，并举例说明了成体干细胞的维持直接受机体整体生理状态的影响。也就是说，压力对人体造成的一些损伤很可能还是无法自然逆转的，如压力使人诱发变白，而且白了以后难以复黑。

 

 

    张兵博士介绍道，研究发现急性的精神压力会对色素干细胞造成不可逆的损伤，从而对身体造成永久性的影响，而白发就是这种影响的具体表现形式。你可以想象这些色素干细胞是有一定库存的，如果一下子都被激活，然后分化最终死亡，就可能导致之后存量不足，从而导致白发产生。

 

    据说，压力与组织的各种变化有关，包括头发变白。然而，外界压力因素是否是致病因素，以及压力相关的变化是否发生在体细胞水平，目前仍知之甚少。通常来说，毛囊的发育涉及到三个关键时期，即生长期(anagen)、退化期(catagen)和静止期(telogen)，毛囊就是在这三个时期之间循环。

 

    毛囊的突起和毛胚区域包含两个干细胞群：上皮组织的毛囊干细胞(HFSCs)和神经嵴(neural crest)的黑素细胞干细胞(MeSCs)。HFSCs和MeSCs通常是静止的，而在生长早期，它们会被同时激活，生长出有色素的头发。HFSCs的激活可产生一个新的毛囊；MeSCs的激活能产生分化的黑素细胞，从而生成黑色素社从到毛囊细胞中，于是，毛囊根部开始生长出黑色头发。

 

    在退化期，成熟的黑素细胞被破坏，只剩下在未来周期中启动新一轮黑素生成的MeSCs。MeSCs和黑素细胞的可预测行为，以及头发颜色的可见性质，使得黑素细胞谱系成为研究压力如何影响组织再生的一个可访问模型。

 

    不同的压力导致头发变白

 

    为了研究心理或生理压力是否会促进毛发变白，研究者采用了三种方法对黑毛色C57BL/6J小鼠进行压力源实验，即束缚压力、慢性不可预测压力(chronic unpredictable stress)和痛觉诱发的压力[通过注射辣椒素的类似物树脂胎毒素(RTX)来实现]。随着时间的推移，这三种方法都会导致无色素白发的数量增加。束缚压力和慢性不可预测压力在三至五轮的头发周期后导致明显的头发变白。痛觉诱发的压力产生了最显著和最迅速的影响——许多在注射RTX后的下一个毛发周期形成的新的毛发变得没有色素。

 

    心理或生理上的压力会触发肾上腺释放压力激素和儿茶酚胺进入血液。据此，研究者们检测到受到不同压力源的小鼠血液中皮质酮(啮齿类动物的主要糖皮质激素应压力激素，相当于人类的皮质醇)和去甲肾上腺素(儿茶酚胺)的增加，表明该方法诱发了典型的压力反应。

 

    RTX通过激活痛觉感受神经元(nociceptive sensory neurons)诱导痛觉感受。用丁丙诺啡(buprenorphine)(一种阿片类镇痛剂)阻断小鼠感知疼痛的能力，阻止了RTX注射后皮质酮和去甲肾上腺素的增加，表明阻断疼痛感觉减轻了RTX诱导的生理压力反应(图1c)。此外，丁丙诺啡还抑制了注射RTX的小鼠白毛的形成(图1d)。这些数据表明，无论是哪种压力形式，在压力下都可能出现头发过早变白。因为痛觉诱导对头发变白的影响是该项研究测试的所有压力源中最强和最快的，因此，研究者将RTX注射作为主要压力源。

 

 

图1a~d. 压力耗竭MeSCs

 

 

    头发色素沉着的丧失可能是由于黑色素合成缺陷、分化黑色素细胞的丧失或MeSCs的维护问题。为了了解压力是如何影响黑素细胞谱系的，研究者在生长期将RTX注射到小鼠体内，在这个阶段，MeSCs和分化的黑素细胞都存在，但位于不同的隔室中：MeSCs靠近突起，而分化的黑素细胞位于毛球处(图1e)。

 

    注射RTX后，TRP2+MeSCs在整个皮肤上的数量显著减少(图1e)。在许多毛囊中，MeSCs在5天内从突起处完全消失，而同一毛囊中分化的黑素细胞保持不变(图1e)。这些分化的黑素细胞继续产生色素，RTX注射后5天，毛被(hair coat)保持黑色。当注射RTX的小鼠毛囊进入退化期和休止期时，许多小鼠失去了所有MeSCs(图1e)。随后，当下一轮的生长期开始时，分化的黑素细胞并没有产生给新发干着色，于是出现了无色素的毛发(图1e)。尽管一些再生的毛发仍有色素沉着，但与未经RTX处理的小鼠相比，这些色素沉着的毛发中MeSCs的数量也减少了。RTX注射导致雄性和雌性小鼠头发变白的程度相同。此外，RTX在休止期注射时也引起MeSCs的丧失。

 

 

图1e. 压力耗竭MeSCs.

 

    在这种情况下，在接下来的生长期中，一旦出现新的毛发，就会出现无色素的毛发。这些结果表明MeSCs对RTX诱导的压力非常敏感，而分化的黑素细胞和黑素的合成并未直接受到影响。在受到束缚压力或慢性不可预测压力的小鼠中，MeSCs也丧失或减少。由于压力耗尽MeSCs，在所有三种情况下，头发色素沉着的损失是永久性的。总的来说，这些数据表明压力导致MeSCs的丧失。

 

 

 

    接下来，研究者探讨了压力是如何传递到边缘(periphery)以改变MeSCs的(图2a)。据推测，免疫攻击会导致压力引起的头发变白。为了测试免疫系统是否有参与，研究者将RTX注射到缺乏T细胞和B细胞的Rag1突变小鼠和骨髓细胞系被白喉毒素(diphtheria toxin)清除的CD11b-DTR小鼠中。将RTX注射到这些免疫缺陷小鼠中仍然导致白毛的形成，这表明RTX诱导的头发变白独立于T细胞、B细胞或髓细胞。

 

    由于所有压力源都导致血液中皮质酮和去甲肾上腺素水平升高，因此，研究者探讨了这些压力诱导的循环因子是否在压力诱导的MeSCs丧失中起作用。通过荧光激活细胞分选（FACS）纯化的MeSCs的RNA测序（RNA-seq）数据表明，MeSCs表达糖皮质激素受体（GR，也称为Nr3c1，皮质酮受体）和β2-肾上腺素能受体（Adrb2，去甲肾上腺素受体）。为了确定糖皮质激素受体是否介导压力对MeSCs的影响，研究者使用由小鼠酪氨酸酶启动子引导的Tyr–CreERT2-三苯氧胺(tamoxifen)诱导的CreERT2融合蛋白，耗尽MeSCs中的该蛋白。当通过饲喂增加皮质酮水平时，未观察到MeSCs或毛发色素沉着的变化。这些数据表明皮质酮不是压力诱导MeSCs丧失的主要驱动因素。

 

    然后，研究者探讨了ADRB2是否可能介导压力对MeSCs的影响。注射RTX后，研究者观察到MeSCs中磷酸化CREB（ADRB2的下游效应器）的显著诱导，但在成熟的黑素细胞中没有。此外，当研究者使用Tyr–CreERT2从MeSCs中去除ADRB2时，RTX注射后不会形成白毛(图2b)。这些数据表明，由MeSCs表达的ADRB2对于压力诱导的头发变白是必不可少的。相比之下，当ADRB2从与MeSCs在同一龛的毛囊干细胞中耗尽时，RTX注射仍然导致头发变白。在没有压力的情况下，MeSCs中ADRB2的缺失不会导致MeSCs、黑素细胞或色素生成的变化，这表明去甲肾上腺素-ADRB2途径对于正常头发周期中的黑素生成是不必要的。总的来说，这些数据表明去甲肾上腺素通过MESC上的ADRB2信号介导应激诱导的头发变白。

 

    为了测试去甲肾上腺素的增加是否足以在没有压力的情况下导致头发变白，研究者通过局部皮内注射将去甲肾上腺素注入皮肤。局部注射去甲肾上腺素可促进野生型小鼠和HFSC特异性敲除Adrb2小鼠注射部位的头发变白，但不会导致MeSC特异性敲除Adrb2小鼠的头发变白。总之，研究的数据表明，虽然免疫细胞和皮质酮是可有可无的，去甲肾上腺素信号似乎对于压力诱导头发变白来说是必要的，足以在没有压力时触发头发变白。

 

 

    由于肾上腺是压力下去甲肾上腺素的主要来源，为了确定来自肾上腺的去甲肾上腺素是否介导压力引起的头发变白，研究者手术切除了两个肾上腺。肾上腺切除术显著降低了RTX注射小鼠血液中的皮质酮和去甲肾上腺素水平。然而，将RTX注射到肾上腺切除的小鼠中仍然会导致头发变白，这表明RTX诱导的头发变白与肾上腺的激素或儿茶酚胺无关(图. 2d)。

 

 

图2. 去甲肾上腺素使头发变白

 

    去甲肾上腺素的另一个来源是交感神经系统。在压力下，交感神经系统被激活，通过外周轴突末端去甲肾上腺素的分泌来诱导战斗或逃跑反应(fight-or-flight responses)。在皮肤中，交感神经终止于MeSCs所在的隆起处(图3a)。此外，具有大量无色素毛发的皮肤区域也具有更密集的交感神经支配。

 

    为了确定RTX注射后交感神经是否确实被激活，研究者检测了FOS的水平，FOS是一种即刻早期转录因子(an immediate early transcription factor)，是神经元活动的报告者。在RTX注射后1h内，在交感神经元的胞体中检测到强烈的FOS诱导，在2~4h左右达到峰值，24h后减少，这表明RTX注射导致交感神经元的突发性激活。此外，当丁丙诺啡与RTX一起注射以阻断疼痛时，在交感神经元中不诱导FOS表达(图3b)。这些数据表明交感神经系统在痛觉诱导的压力后变得高度活跃。

 

    为了测试交感神经的激活是否是压力下MeSCs丧失和头发变白的原因，研究者使用6-羟基多巴胺(6-OHDA)(一种交感神经的选择性神经毒素)切除交感神经。交感神经切除阻断了RTX诱导的头发变白和MeSCs的丧失（图3c），表明交感神经确实介导了压力诱导的头发变白。此外，胍(guanethidine)——一种阻止交感神经末梢释放去甲肾上腺素的化学物质抑制RTX注射后头发变白和MeSCs丧失。总之，这些数据表明交感神经末梢分泌的去甲肾上腺素介导了压力对MeSCs的影响。

 

    为了确定在没有压力的情况下交感神经的激活是否足以驱动MeSCs丧失，研究者采用了一种使用DREADDs(由设计药物专门激活的设计受体)系统的化学遗传学方法。Gq-DREADD是一种人工合成的Gq-蛋白-偶联受体，被惰性分子氯氮平(clozapine)N-氧化物（CNO）激活，但不被内源性配体(endogenous ligands)激活。Gq-DREADD的激活导致细胞内钙的释放和神经元放电(neuronal firing)。研究者生成了THcreERT2；CAG LSL Gq-DREADD；RosamT/mG小鼠，其中交感神经可通过CNO人工激活（图3d）。

 

    注射CNO诱导交感神经节中FOS的激活，证实了该策略的有效性。用DREADD系统激活交感神经导致MeSCs丧失，并且注射CNO的部位头发变白（图3d）。此外，当TH–CreERT2被低剂量的他莫昔芬(tamoxifen)镶嵌(mosaically)激活时，皮内CNO注射仅导致由DREADD阳性神经纤维支配的毛囊中MeSCs的丧失(通过其在膜中的GFP表达可识别；图3e)。这些数据表明，在没有压力源的情况下，交感神经的激活足以导致MeSCs的丧失。总之，该项研究结果表明，交感神经末梢分泌的去甲肾上腺素的增加导致了压力状态下MeSCs的消耗。

 

 

图3. 交感神经系统的过度活跃会耗尽MeSCs

 

 

    接下来，研究的目的是确定在压力下MeSCs的早期变化，这可能是导致其损失的原因(图4a)。在注射RTX或去甲肾上腺素后，免疫荧光法未能检测MeSCs中活性caspase-3或TUNEL(末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记)信号。此外，RTX注射到Ripk3突变小鼠(缺乏坏死的关键激酶)中，仍然导致头发变白。这些数据表明，压力诱导的MeSCs丧失不是由凋亡或坏死介导的。辐射导致MeSCs的DNA损伤，并导致它们在龛内的分化。但是，研究在注射RTX或去甲肾上腺素后，没有发现MeSCs中的γ-H2AX foci(DNA损伤的标志)，这表明压力诱导的MeSCs消耗不是通过DNA损伤介导的。

 

    静止是许多成体干细胞(somatic stem cells)的一个关键特征，而静止的丧失被认为是Bcl2突变小鼠中MeSCs丧失的原因。为了研究压力是否会改变MeSCs的静止状态，研究者将RTX或去甲肾上腺素注射到已经进入完全生长期(MeSCs正常静止时)的小鼠体内。在注射RTX或去甲肾上腺素的24h内，研究发现增殖的MeSCs数量显著增加，约50%的MeSCs的磷酸化组蛋白H3(M期标记物)呈阳性(图4b)。这一数字与生长早期增殖的MeSCs数量(约6%)形成鲜明对比，这是MeSCs增殖到自我更新(self-renew)的唯一阶段。相反，在注射RTX或去甲肾上腺素后，在成熟黑素细胞中未观察到增殖或凋亡的变化。这些数据表明，去甲肾上腺素的增加迫使MeSCs进入快速和异常增殖状态，但并不影响成熟的黑素细胞。

 

    为了监测压力后MeSCs的变化，研究者建立了TyrcreERT2；RosamT/mG小鼠，其中MeSCs可通过其膜表达的GFP进行追踪(图4c)。与观察到增殖是MeSCs对压力的早期反应一致，研究者在RTX注射后不久观察到GFP+细胞的瞬时增加(图4c，第1天)。在这个初始阶段之后，许多GFP+细胞开始表现出显著的树突状分枝(dendritic branching)，这是分化的MeSCs的一个特征(图4c，第2天)。它们也开始远离突起，一些沿着毛囊向下迁移，一些迁移到真皮或表皮(图4c，第2天和第3天)。到第3天，许多GFP+细胞已经从突起中迁移出来，到第4天，许多毛囊已经失去了突起中所有的GFP+细胞。此外，异位色素沉着可沿毛囊、表皮和真皮区域检测到，这些区域通常没有色素(图4d)。这些数据表明，压力后，MeSCs经历快速增殖，随后发生分化和迁移，从而导致它们从龛中消失(图4e)。

 

 

图4. 去甲肾上腺素使MeSCs脱离静止状态

 

 

    为了发现驱动压力诱导的MeSCs丧失的分子机制，研究者在注射RTX后12h，在MeSCs表现出表型差异之前(图5a)，使用对照组和RTX处理小鼠的FACS纯化MeSCs进行RNA seq。对不同类型皮肤细胞的标记基因表达的检测证实，研究者成功地富集了MeSCs。为了揭示主要的分子变化，研究者进行了基因本体（Gene Ontology， GO）富集分析(图5b)。研究者还整理了与MeSCs增殖和分化相关的已知基因列表(图5c)，使用了一系列先前被证明参与进入细胞周期的基因，来评估细胞周期调控因子是否在转录水平上发生改变。其中一些关键变化也通过逆转录定量PCR（qRT–PCR）进行了验证。

 

    总的来说，研究者在压力下的MeSCs中发现了几种细胞周期调节因子的变化，包括细胞周期蛋白依赖性激酶2(Cdk2)，它是G1-S转变的关键启动子。编码促进MeSCs增殖、分化和迁移的配体受体的基因(包括Kit和Mc1r)也被上调。此外，参与黑素生成的基因，包括Mitf、Tyrp1、Tyr、Oca2和Pmel，均上调(图5c)。这些数据表明，MeSCs在压力后上调其增殖和分化程序。

 

    此外，用去甲肾上腺素治疗也导致在培养的人黑素细胞中快速诱导增殖相关基因如Cdk2和分化相关基因如Mitf和Tyr(图5d)。这些数据表明，去甲肾上腺素在人和小鼠的黑素细胞谱系中引起类似的反应。

 

 

图5.抑制异常MeSC增殖可防止压力诱导的头发变白

 

 

    由于MeSCs在压力状态下首先失去静止状态，研究者探讨在压力反应早期短暂抑制增殖是否可以阻止其耗尽。研究者在完全生长期(full anage)注射RTX，并局部应用CDK抑制剂(AT7519或黄哌利多)暂时抑制增殖，直到注射后48h。

 

    经CDK抑制剂治疗的RTX注射小鼠中的MeSCs保持静止，并保存在龛中(图5e)。毛球(hair bulb)中的细胞增殖基本上保持正常，可能是因为在完全生长期抑制剂对皮下区域的渗透是有限的。为了进一步证实MeSCs丧失可以通过抑制其增殖来预防，研究者建立了一个基因小鼠模型TyrcreERT2；RosaLSL-rtTA；TetOP27，其中CDK抑制剂P27可在MeSCs中被多西环素(doxycycline)瞬时诱导。在MeSCs中诱导P27表达抑制了它们的异常增殖，并在压力下将MeSCs保存在龛中(图5e)。这些保存的MeSCs显示出未分化的形态并保留其功能，因为在随后的周期中新再生的毛发保持色素沉着(pigmentation)(图5f)。总之，这些数据表明，在压力条件下，静止状态的丧失会导致MeSCs的耗竭，而抑制MeSCs的增殖足以防止其丧失。

 

 

 

    众所周知，急性压力会引起短暂而有益的战斗或逃跑反应，这对生存至关重要。该项研究证明了急性压力也可以通过激活交感神经系统引起成体干细胞的不可逆耗竭，从而对组织再生造成永久性损伤(图5g)。研究的发现支持了交感神经系统不仅调节身体生理，而且影响发育和组织维持的各种过程这一新兴观点。肾上腺是压力反应的中央调节器。然而，研究者发现肾上腺来源(adrenal-gland-derived)的循环压力激素和儿茶酚胺在压力下不会引起MeSCs的变化。由于交感神经基本上支配所有器官，急性压力可能通过神经元信号对许多组织产生广泛而迅速的影响。

 

    神经和MeSCs之间存在这种相互作用的原因尚不清楚。也就是说，神经系统和色素产生细胞之间的联系在进化过程中可能是保守的。像鱿鱼、章鱼和乌贼这样的头足类动物有着复杂的着色系统，可以通过变色来伪装或交流。神经元的活动控制着它们的色素产生细胞（染色质细胞），这允许对掠食者或威胁做出快速的颜色变化。因此，一个有吸引力的假设是交感神经可能在独立于头发周期的情况下调节MeSC活性、黑素细胞迁移或色素生成，例如在明亮的阳光或紫外线照射下。然而，在极端的压力下，神经元活动的过度激活过度刺激了该通路，从而导致MeSCs的耗尽。

 

    随着年龄的增长，MeSCs也表现出异位分化和缺失。与此相关的是，接受部分交感神经切除术的患者，随着年龄的增长，交感神经切除侧的无色素毛发数量减少。在未来，可以进一步研究在这里发现的机制是否也会导致在老化过程中发生的MeSCs的丧失，以及压力是否会模拟加速老化过程。