皮膚光老化的分子機制

光老化是由于皮膚暴露于紫外線下而造成的慢性損傷。UVB可以直接作用于DNA，使其吸收能量，發(fā)生突變;UVB與UVA產(chǎn)生的活性氧簇(ROS)可以間接損傷細胞核及線粒體DNA，導(dǎo)致細胞功能異?；虻蛲觥V照射產(chǎn)生的ROS可氧化損傷蛋白質(zhì)及脂質(zhì)，引起相應(yīng)功能及結(jié)構(gòu)的異常。紫外線照射可影響皮膚色素代謝:即刻反應(yīng)為黑素的反應(yīng)性合成增加及其重新分布;遲發(fā)反應(yīng)為黑素細胞數(shù)目增加及活力升高。紫外線可以上調(diào)血管內(nèi)皮細胞生長因子的表達上調(diào)，從而引起毛細血管的增生及擴張。同時，紫外線具有免疫抑制作用，導(dǎo)致免疫細胞數(shù)量、活力及相關(guān)細胞因子表達的改變，但與光老化表現(xiàn)相關(guān)性最大的是紫外線引起的真皮細胞外基質(zhì)成分的比例、質(zhì)量及功能的改變。臨床上光老化皮膚的主要特征是:皮膚粗糙、干燥，不規(guī)則色素沉著，彈性降低及深在性的皺紋。光老化皮膚的特征性改變是:膠原纖維、彈力纖維組織結(jié)構(gòu)缺失，以及無定形彈力蛋白樣物質(zhì)的沉積。本文重點回顧了皮膚光老化分子機制的研究進展，現(xiàn)綜述如下。

1真皮細胞外基質(zhì)

真皮細胞外基質(zhì)的主要成分是膠原纖維網(wǎng)、彈性纖維網(wǎng)和蛋白多糖。膠原纖維是主要的細胞外成分，其中最主要的是I型膠原蛋白。新合成的I型前膠原蛋白被分泌到真皮細胞外間隙，經(jīng)過相關(guān)酶的代謝，形成三螺旋空間復(fù)合體，又與其他的細胞外基質(zhì)蛋白結(jié)合(例如:小分子蛋白多糖)，形成結(jié)構(gòu)規(guī)則的膠原纖維束，為皮膚提供韌性和抗拉性。彈性纖維網(wǎng)給皮膚提供彈性，而蛋白多糖發(fā)揮保濕及生物信號傳導(dǎo)的作用。在光損傷的皮膚中，這三種成分均發(fā)生了特定的改變[1-2]。

在光老化的皮膚中，大量的彈性蛋白樣物質(zhì)在真皮上層及中層堆積，其形成機制目前仍不很清楚，可能是由于原有彈力纖維的降解以及原纖維合成失調(diào)造成的。體外實驗發(fā)現(xiàn)，在自由基刺激或急性UV照射后，成纖維細胞的彈力纖維和原纖維基因表達上調(diào)，但這些物質(zhì)是結(jié)構(gòu)和功能異常的，并形成典型光損害皮膚中的大量無定形物質(zhì)[3]。光損害皮膚的膠原蛋白合成減少，與彈力纖維網(wǎng)一樣，膠原纖維網(wǎng)也出現(xiàn)了退化和崩解，未被吸收的膠原纖維片段也部分堆積下來[4]。研究發(fā)現(xiàn)，暴露于大量退化膠原蛋白的成纖維細胞，其增殖能力和膠原蛋白的合成能力均降低[5]。

2氧化應(yīng)激與ROS

紫外線作用于細胞，首先是細胞內(nèi)發(fā)色基團吸收其電磁能量，并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量。細胞內(nèi)發(fā)色基團包括:DNA、尿刊酸、芳香族氨基酸等，吸收能量后，與氧分子相互作用，產(chǎn)生活性氧簇(ROS)[6]。ROS可分為兩大類:自由基(例如:超氧自由基和羥自由基)，非自由基成分(單線態(tài)氧和過氧化氫)。UVA和UVB均可導(dǎo)致皮膚細胞膜附近產(chǎn)生ROS[7]。當(dāng)紫外線照射產(chǎn)生的ROS超過了細胞所能消除的能力，氧化與抗氧化平衡被打破，發(fā)生氧化應(yīng)激。嚴重的氧化應(yīng)激可直接造成細胞凋亡或死亡[8]，而非致死性的氧化應(yīng)激引起可調(diào)節(jié)高度程序化的細胞反應(yīng)。ROS刺激的細胞反應(yīng)類似于配體激活細胞表面生長因子受體及細胞因子受體的活化反應(yīng)[9-10]。

3生長因子和細胞因子受體的活化

紫外線作用細胞引起一系列信號傳導(dǎo)通路活化，產(chǎn)生生長因子或細胞因子刺激反應(yīng)[11]。UV已證明可以引起多種生長因子受體家族的活化，例如:表皮生長因子受體(EGFR)、成纖維細胞生長因子受體(FGFR)[12]、胰島素受體(IR)、血小板源性生長因子受體(PDGFR)等。另外，細胞因子受體同樣可以被活化，包括:TNF-a和IR-1。這些受體活化，并出現(xiàn)聚集和相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，用相應(yīng)的細胞因子單一激活EGF、IL-1或TNF-a受體，只能引起相應(yīng)的信號傳導(dǎo)，而同時激活這三個受體，可誘發(fā)與UV照射相似的細胞反應(yīng)。

在這些受體中，EGFR的激活在眾多信號通路中起關(guān)鍵作用，且研究最為深入。EGFR是一個180kDa的跨膜信號蛋白，與配體結(jié)合形成同源或異源二聚體，使得特異性酪氨酸殘端磷酸化，再形成信號傳導(dǎo)復(fù)合體[13]。這一現(xiàn)象在UV照射皮膚或體外培養(yǎng)皮膚細胞中都得到了觀察。敲除EGFR配體結(jié)合段不能阻止UV對于EGFR的激活作用，說明UV引起的EGFR酪氨酸磷酸化是非配體依賴的。UV引起的EGFR活化的具體機制還未完全了解，目前認為是UV照射產(chǎn)生的ROS通過抑制PTPs的活力，導(dǎo)致EGFR酪氨酸的磷酸化[14]。細胞內(nèi)存在蛋白酪氨酸激酶(PTKs)和蛋白酪氨酸磷酸化酶(PTPs)的動態(tài)平衡，而PTPs催化殘基的活性部位N-乙酰半胱氨酸殘基對ROS的氧化作用高度敏感。所以，ROS的氧化作用導(dǎo)致PTPs活力的降低，從而導(dǎo)致EGFR的酪氨酸磷酸化，引起相應(yīng)的激活效應(yīng)[15-16]。同樣的機制也發(fā)生在UV激活的其他蛋白酪氨酸激酶受體，如:PDGFR、FGFR和IR。UV導(dǎo)致的細胞因子受體活化機制仍需進一步研究，其活化機制可能是涉及非受體酪氨酸酶的活化，例如:Src家族成員。與活化的細胞因子和生長因子受體不同，UV照射下調(diào)TGF-bII型受體的水平，從而抑制了TGF-b信號傳導(dǎo)通路[17]。其機制可能是由于抑制了TbRII的轉(zhuǎn)錄[18]。TGF-b是主要的細胞外基質(zhì)合成的上調(diào)因子，UV照射抑制TGF-b信號通路從而減少前膠原纖維的合成[19]。

4信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄因子的活化

細胞表面細胞因子和生長因子受體的活化導(dǎo)致相應(yīng)細胞內(nèi)信號蛋白的募集，從而介導(dǎo)級聯(lián)信號傳導(dǎo)。這些信號傳導(dǎo)復(fù)合體的聚集導(dǎo)致GTP偶聯(lián)蛋白家族成員:Ras[20]、Rac和Cdc42的激活，而它們又是絲裂原激活蛋白激酶(MAPKs，包括:ERK、JNK和P38)[21]通路的主要上調(diào)因子。細胞內(nèi)神經(jīng)酰胺含量的增加同樣參與了UV照射所引起的MAPKs通路的活化[22]，它能快速激活Raf-1、MEK1和ERK。UV照射引起的神經(jīng)酰胺的合成是與ROS合成增加所平行的，且UV引起的神經(jīng)酰胺的合成可以被自由基清除劑VitE抑制。細胞表面受體活化所涉及的信號通路還包括:PI-3激酶和NF-kB通路。UV激活多種信號傳導(dǎo)通路，導(dǎo)致多種轉(zhuǎn)錄因子的活化，它們再調(diào)節(jié)靶基因的表達。在光老化的相關(guān)分子機制中，AP-1和NF-kB轉(zhuǎn)錄因子起了關(guān)鍵作用[23]。

4.1 AP-1:MAPK通路的主要靶點是轉(zhuǎn)錄因子AP-1，AP-1是由Jun和Fos家族蛋白組成的(c-Jun、JunB、JunD、c-Fos、Fosb、Fra1和Fra2)。研究顯示，UV照射皮膚后，其c-Fos的表達出現(xiàn)持續(xù)性的增高，而c-Jun 和c-Fos的轉(zhuǎn)錄很大程度上是依賴MAPK通路的活化。此外，磷酸化的JNK和P38具有激活和穩(wěn)定c-Jun的功能[24]。人體皮膚在給予UV照射后的30min以及60min時，其c-Jun mRNA和蛋白表達水平升高，且增高的蛋白水平可以持續(xù)到照射后的24h。增加的c-Jun有效地與c-Fos和JunD結(jié)合，最終激活A(yù)P-1復(fù)合體(c-Jun:c-Fos)，并且分布于真皮表皮各層的細胞內(nèi)[25]。

4.1.1 AP-1誘導(dǎo)MMPs的合成:AP-1調(diào)節(jié)多種基因的轉(zhuǎn)錄，包括調(diào)節(jié)細胞生長、分化的多種基因，它可以有效上調(diào)多種MMP家族成員的轉(zhuǎn)錄。MMPs是一大類具有其特定結(jié)構(gòu)的鋅依賴性內(nèi)源性蛋白酶家族，它們均可以降解細胞外基質(zhì)蛋白，其活力是通過3個水平來調(diào)控的:合成(主要是基因的轉(zhuǎn)錄)、酶原的活化以及對其蛋白水解活力的抑制(通過特定的內(nèi)源性蛋白抑制劑:基質(zhì)蛋白酶組織抑制因子，TIMPs)。大多數(shù)MMPs的轉(zhuǎn)錄可以通過AP-1來上調(diào)，包括:MMP-1、MMP-3以及MMP-9基因轉(zhuǎn)錄的增加，引起相關(guān)酶的蛋白合成增加，使得組織內(nèi)這三種酶的活力升高，從而導(dǎo)致結(jié)締組織的損傷。人類MMP-1、MMP-3、MMP-9、MMP-12基因的上游啟動子都至少含有一個AP-1的結(jié)合位點。在MMP-1、MMP-3以及MMP-9共同作用下，可以將皮膚內(nèi)成熟的膠原纖維完全降解。

4.1.2 AP-1抑制膠原蛋白的合成:UV照射除了可以造成膠原蛋白的降解，同時還可以抑制I型膠原蛋白的合成，以及成熟膠原纖維的形成。AP-1可以抑制I型膠原蛋白原的轉(zhuǎn)錄與表達，從而下調(diào)I型膠原蛋白的合成。研究發(fā)現(xiàn)，UV照射皮膚后8h，I型前膠原蛋白的mRNA和蛋白表達開始降低，到24h時，真皮上層的表達基本消失。

4.2 NF-kB:人類皮膚中的轉(zhuǎn)錄因子NF-kB是由P50/P65組成的，UV照射可導(dǎo)致其活化[26]。生理情況下，其存在于細胞漿內(nèi)，由于與IkB蛋白的結(jié)合而處于非活化狀態(tài)。MMP-1、MMP-3以及MMP-9基因的上游啟動子都有NF-kB的結(jié)合位點。IkB激酶復(fù)合體可以磷酸化IkB，導(dǎo)致其與NF-kB分離，NF-kB活化進入細胞核調(diào)節(jié)靶基因(MMPs)的表達。許多關(guān)于抗氧化劑和抗氧化酶過度表達的研究中發(fā)現(xiàn)，ROS是NF-kB活化的決定性調(diào)節(jié)因子。

4.3 UV照射抑制TGF-β通路:UV照射誘導(dǎo)膠原蛋白的合成下調(diào)，也可經(jīng)由TGF-β和其他細胞因子的旁路機制完成[27]。TGF-β可以誘導(dǎo)主要的細胞外基質(zhì)蛋白(膠原蛋白和彈力蛋白)的合成和分泌，同時抑制膠原蛋白降解相關(guān)酶的表達，包括:MMP-1和MMP-3。TGF-β受體復(fù)合體是由三種不同的蛋白組成的:I型(TbRI)、II型(TbRII)、III型(TbRIII)受體蛋白。TGF-β結(jié)合受體后，使得2個TbRI和2個TbRII結(jié)合，TbRI被磷酸化，再磷酸化Smad蛋白，激活的Smad2和Smad3與Smad4形成復(fù)合體，進入細胞核，從而調(diào)節(jié)目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。UV輻射所引起的TGF-βII型受體的下調(diào)，可降低Smad3的轉(zhuǎn)錄活性[28]。研究證明，UV照射所產(chǎn)生的c-Jun蛋白可以與Smad3相互作用，作為抑制因子干擾Smad3的功能，這些機制共同作用導(dǎo)致了UV引起的膠原蛋白合成減少[29]。

5基質(zhì)金屬蛋白酶

UV照射可以改變多種不同基因的表達，但在這些基因中，MMPs在皮膚光老化的病理生理機制中起了核心作用[30]。表皮中的角質(zhì)形成細胞和真皮中的成纖維細胞都可以出現(xiàn)MMPs的表達上調(diào)。體外實驗發(fā)現(xiàn)，通過激活A(yù)P-1，UV至少可以增加三種MMP的mRNA和蛋白水平，以及酶的活力。它們包括:MMP-1，可以降解I型和III型膠原纖維[31];MMP-3，可以降解基底膜中的IV型膠原纖維，并部分降解其他膠原纖維[32];MMP-9，可進一步降解MMP-1所產(chǎn)生的膠原蛋白片段。在這些MMPs的共同作用下，可降解大多數(shù)皮膚結(jié)締組織中的結(jié)構(gòu)蛋白。這種降解不僅導(dǎo)致大量膠原纖維片段的聚集，還可以抑制細胞外基質(zhì)成分的正常合成。體外實驗證明，UV輻射可引起TIMP-1表達的上調(diào)，但UV所引起的MMPs的上調(diào)遠超過其所引起的TIMP-1的水平，導(dǎo)致兩者平衡的打破，引起細胞外基質(zhì)蛋白的降解[33]。而且，真皮內(nèi)大量堆積的膠原纖維片段不能被完全吸收，最終引起光老化的組織學(xué)改變。

6小結(jié)

皮膚內(nèi)的發(fā)色基團在吸收UV后產(chǎn)生ROS，激活細胞表面相關(guān)受體，啟動UV輻射相關(guān)信號傳導(dǎo)，激活特定轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)靶基因的表達(主要是MMPs和膠原蛋白)，最終引起皮膚光老化的組織病理學(xué)改變。目前對于UV作用皮膚的分子機制已有了一定認識，但我們?nèi)孕柽M一步研究，以研發(fā)出更多更有效的防治皮膚光老化的方法。

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[收稿日期]2009-12-30 [修回日期]2010-02-24

編輯/李陽利