成体干细胞维持组织和器官的再生过程。这群细胞位于器官中的特定位置,在生物体整个生命周期中维持自我更新并保持多能性,主导组织再生和创伤修复过程。成体干细胞起源于发育早期的原始细胞,在发育过程中逐渐获得长期的自我更新和多能性特征,并在发育末期器官形成时正式建立,但这一建立过程的调控机制并不清楚。毛囊是人类具有高度再生功能的组织,位于囊突(Bulge)区域的毛囊干细胞主导毛发的再生过程。之前的研究表明,毛囊干细胞前体细胞在成体器官形成前就已经出现,并具有一定的成体干细胞功能。但并不知道这一过程是如何实现的。我们发现毛囊干细胞的命运在毛囊发育早期毛栓期(HairPeg)就已经被决定。谱系追踪实验证明毛囊干细胞起源于一群在毛栓高位的前体细胞,这群细胞可以形成超过70%的毛囊干细胞。为了探索毛囊干细胞在细胞建立过程中的命运决定因素,我建立小鼠表皮活体成像与激光灼杀实验系统,对高位毛栓细胞进行激光灼杀,实验结果显示,在前体细胞被灼杀后,毛囊bulge结构和其中的成体干细胞仍然能够形成,毛囊仍然具有再生功能,这说明毛囊干细胞前体细胞所处的微环境(Niche)是干细胞建立的决定因素。为探索微环境调控毛囊干细胞建立的分子机制,我通过流式细胞分选技术分离出毛栓期可以形成毛囊干细胞的高位毛栓细胞,和另一群不能形成毛囊干细胞的低位毛栓细胞。随后通过RNA高通量测序(RNA-seq)和生物信息学方法,比较这两种不同命运的细胞全基因组表达谱的差异。两种细胞差异表达的基因都反映出它们各自的特性,低位前体细胞高表达一系列与分化相关的基因,而高位前体细胞特异性的富集一部分成体干细胞标记物基因,这说明两群细胞差异化的细胞命运已经建立。根据富集基因的数目以及基因表达的差异,我发现两群细胞对Wnt/β-catenin信号的响应差异最为突出,低位毛栓细胞响应高强度的Wnt/β-catenin信号,而高位毛栓细胞不受此信号影响。在高位细胞中激活Wnt/β-catenin信号通路,会阻止毛囊干细胞的建立;抑制毛栓期的Wnt/β-catenin信号通路会导致毛囊干细胞数量增加,但毛囊无法生长和再生。有意思的是,在毛栓期响应过Wnt/β-catenin信号的细胞,即使有一小部分可以形成毛囊干细胞,也会失去维持长期自我更新的功能。进一步的研究显示,Wnt/β-catenin对毛囊干细胞的影响是通过毛囊干细胞标记物基因Sox9实现的。在成体干细胞中,Sox9蛋白具有抑制细胞分化,维持毛囊干细胞静息状态的重要功能。提高高位毛栓细胞对Wnt信号的响应后,Sox9的表达会被抑制;抑制低位毛栓细胞对Wnt/β-catenin信号的响应后,Sox9的表达水平和范围都显著提高。以上研究结果表明,毛囊干细胞起源于毛栓期的的高位毛栓细胞,微环境是影响毛囊干细胞的建立的重要因素。高位毛栓细胞降低对Wnt/β-catenin信号响应,提高Sox9的表达水平,维持毛囊干细胞的未分化状态。这些发现将为研究成体干细胞在器官发育中的建立过程及分子机制提供参考,也为临床上在体外建立和扩增具有器官再生功能的成体干细胞系提供理论依据。