Notch信號(hào)通路在遺傳性色素障礙性皮膚病的研究進(jìn)展

王臻 李明 姚志榮

Notch信號(hào)通路在遺傳性色素障礙性皮膚病的研究進(jìn)展

王臻 李明 姚志榮

色素障礙性皮膚病主要由黑素細(xì)胞功能障礙或數(shù)目異常所致，嚴(yán)重影響皮膚外觀。近期一系列研究報(bào)道，Notch信號(hào)通路組成部分功能的異?；蛉笔c人類遺傳性色素障礙性皮膚疾病發(fā)病相關(guān)。Notch信號(hào)通路是一條高度保守的調(diào)控細(xì)胞分化增殖凋亡的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，但其如何導(dǎo)致色素異常的致病機(jī)制尚不明確。探討Notch信號(hào)通路在遺傳性色素障礙性皮膚病的研究進(jìn)展，為理解遺傳因素在黑素細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育和功能中發(fā)揮的作用提供了新視野。

皮膚疾病，遺傳性；色素沉著異常；黑素細(xì)胞；遺傳；Notch信號(hào)通路

1 Notch信號(hào)通路的組成與傳導(dǎo)途徑

Notch基因于1919年在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，該基因的部分功能缺失會(huì)在果蠅翅膀的邊緣造成缺口（Notch），Notch基因由此而得名。Notch信號(hào)通路是一條高度保守的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，廣泛存在于從無(wú)脊椎動(dòng)物到脊椎動(dòng)物等多個(gè)物種之中，由受體、配體和DNA結(jié)合蛋白3部分構(gòu)成。在哺乳動(dòng)物中存在4種同源受體，即 Notch1、Notch2、Notch3、Notch4，配體有 5 種，即 Jag1、Jag2、DLL1、DLL3、DLL4。Notch 受體為跨膜糖蛋白，均由胞內(nèi)區(qū)、跨膜區(qū)和胞外區(qū)組成，胞外區(qū)含有29～36個(gè)表皮生長(zhǎng)因子樣重復(fù)序列。蛋白O巖藻糖轉(zhuǎn)移酶1（POFUT1）蛋白和Rumi蛋白使Notch受體糖基化，相鄰細(xì)胞上的Notch受體和Notch配體結(jié)合后，受體構(gòu)象改變暴露出蛋白水解酶的酶切位點(diǎn)，隨后經(jīng)去整合素-金屬蛋白酶（ADAM）蛋白酶和γ促分泌酶復(fù)合體2次蛋白水解后釋放出具有核定位信號(hào)的胞內(nèi)段，并進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，激活其下游的靶基因，如Hes家族（hairy enhance of split-1）、核因子 κB、細(xì)胞周期蛋白 D1、c-myc等，從而參與調(diào)控細(xì)胞的分化、增殖和凋亡等［1］。

2 皮膚與Notch信號(hào)通路

皮膚的生長(zhǎng)發(fā)育依賴一系列的信號(hào)通路調(diào)控。對(duì)皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞來(lái)說(shuō)，Notch信號(hào)通路的的級(jí)聯(lián)反應(yīng)對(duì)協(xié)調(diào)細(xì)胞分化和增殖均非常重要，從而影響個(gè)體發(fā)育和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。Notch信號(hào)通路上的變化，會(huì)導(dǎo)致上皮及其附屬器嚴(yán)重異常，如皮膚屏障功能障礙。另外，Notch信號(hào)通路受損還和皮膚病有關(guān)，如特應(yīng)性皮炎和腫瘤［2］。其中，Notch-1可以促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞分化，這與傷口愈合、銀屑病、基底細(xì)胞癌有關(guān)［3］，Notch1的活化還與黑素瘤血管的生成有關(guān)［4］。而Notch3則介導(dǎo)了黑素瘤細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞之間的聯(lián)系，影響黑素瘤細(xì)胞的遷移［5］。

作者單位：200092，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院皮膚科

3 Notch信號(hào)通路與色素障礙性皮膚病

色素障礙性皮膚病是皮膚科常見(jiàn)的一大類疾病，臨床上一般將其分為色素減退、色素增加和色素異常，嚴(yán)重影響患者的美觀。這類疾病主要是由于黑素細(xì)胞功能障礙或者數(shù)目異常所致，其中有很多是由于單基因突變所致，如，遺傳性對(duì)稱性色素異常癥、家族性進(jìn)行性色素過(guò)度沉著癥、斑駁病、白化病等［6］。雖然，上述Notch信號(hào)通路的基因突變或功能異常導(dǎo)致的人類疾病，臨床表型上均未見(jiàn)明顯的皮膚及毛發(fā)色素異常，但一系列細(xì)胞和動(dòng)物模型研究顯示，Notch信號(hào)通路在毛囊黑素細(xì)胞系的發(fā)育過(guò)程中起作用。Moriyama等［7］研究發(fā)現(xiàn)，Hes1基因可阻止黑素細(xì)胞啟動(dòng)凋亡程序，從而支持未成熟黑素細(xì)胞的存活，否則小鼠毛發(fā)變灰。 Kumano等［8］發(fā)現(xiàn)，攜帶Notch1和Notch2復(fù)合雜合性丟失的小鼠，出生以后毛發(fā)顏色變灰。同樣 Schouwey等［9］也發(fā)現(xiàn)，Notch1和Notch2基因復(fù)合雜合突變后，小鼠毛發(fā)的顏色變灰，但皮膚和脈絡(luò)膜的顏色無(wú)明顯變化。因此，研究者推測(cè)，Notch1和Notch2膜受體對(duì)于毛發(fā)黑素母細(xì)胞和黑素干細(xì)胞的生長(zhǎng)至關(guān)重要，以維持正常的毛發(fā)顏色。至于Notch1和Notch2的功能改變是如何導(dǎo)致毛發(fā)顏色改變的機(jī)制目前尚未闡明。直到2013年，研究人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾種人類色素障礙性皮膚病與Notch信號(hào)通路上的基因突變或功能異常有關(guān)。白癜風(fēng)是一種原發(fā)性皮膚黏膜色素脫失癥，目前認(rèn)為，其為多基因多因素遺傳以及遺傳和環(huán)境交互作用引起了黑素細(xì)胞的自我破壞，從而導(dǎo)致白癜風(fēng)皮損色素脫失。Seleit等［10］發(fā)現(xiàn)，Notch1不活化導(dǎo)致白癜風(fēng)患者的表皮和毛囊黑素細(xì)胞減少。

Li等［11］收集1例中國(guó)泛發(fā)型遺傳性屈側(cè)網(wǎng)狀色素異常癥（Dowling-Degos病）大家系，將該家系致病基因定位于20號(hào)染色體，對(duì)于先證者進(jìn)行全外顯子測(cè)序，發(fā)現(xiàn) POFUT1基因突變?yōu)?c.430G＞T（p.Glu144*），共分離研究后證實(shí)該基因?yàn)樵摷蚁档闹虏』?。POFUT1基因編碼巖藻糖轉(zhuǎn)移酶1，使Notch受體表皮生長(zhǎng)因子樣重復(fù)序列糖基化。同時(shí)在另一家系中得到驗(yàn)證，存在POFUT1基因c.482delA（p.Lys161Serfs*42）突變?；颊咂p在電鏡下，可見(jiàn)到黑素細(xì)胞的數(shù)目并無(wú)明顯改變，而黑素細(xì)胞內(nèi)的黑素小體明顯較正常個(gè)體減少。他們用Morpholino技術(shù)敲除斑馬魚(yú)POFUT1基因，觀察到斑馬魚(yú)卵受精48 h呈現(xiàn)色素減退，受精72 h呈現(xiàn)色素分布異常，這一特征性的表型與患者的臨床表型相一致。相應(yīng)地，斑馬魚(yú)卵小眼畸形相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和酪氨酸酶在mRNA表達(dá)水平下降，酪氨酸酶活性、黑素蛋白含量下降。這些功能學(xué)研究提示，POFUT1基因單倍型劑量不足可能影響黑素細(xì)胞合成黑素的能力。

Basmanav等［12］通過(guò)全外顯子測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)蛋白O-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶1（POGLUT1）基因突變導(dǎo)致遺傳性屈側(cè)網(wǎng)狀色素異常癥Galli-Galli亞型，13例患者有9種突變。POGLUT1基因位于3號(hào)染色體，編碼葡萄糖轉(zhuǎn)移酶1，包括Rumi蛋白，和POFUT1蛋白一樣使Notch受體糖基化。通過(guò)蛋白模型軟件模擬，9種POGLUT1基因突變產(chǎn)生的蛋白產(chǎn)物有不同程度的結(jié)構(gòu)異常，包括蛋白截短，免疫印跡技術(shù)也證實(shí)了這點(diǎn)。免疫組化顯示，POGLUT1蛋白主要分布于表皮上層（棘層和顆粒層），而患者表皮中POGLUT1蛋白含量下降50%。通過(guò)共聚焦顯微鏡可觀察到，免疫熒光標(biāo)記的野生POGLUT1蛋白位于HEK293T細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，而截短的POGLUT1蛋白則聚集過(guò)多。作者認(rèn)為Notch信號(hào)通路不但影響了色素，還影響了角質(zhì)形成細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育形態(tài)。

有學(xué)者通過(guò)全外顯子測(cè)序分析，ADAM10基因突變導(dǎo)致常染色體顯性遺傳肢端網(wǎng)狀色素沉著癥。北村網(wǎng)狀肢端色素沉著癥患者組織病理顯示，表皮黑素細(xì)胞增多，可見(jiàn)巨大黑素顆粒［13］。而2014年Masakazu 等［14］則發(fā)現(xiàn)，ADAM17 蛋白酶抑制劑可使正常黑素細(xì)胞合成黑素蛋白及酪氨酸酶活性下降，電鏡下還可觀察到成熟黑素小體數(shù)量劇減，多見(jiàn)空泡小室。ADAM基因編碼的ADAM蛋白酶，在Notch信號(hào)通路上水解受體酶切位點(diǎn)，活化Notch受體，使其釋放核定位信號(hào)，激活下游靶基因。

POFUT1、POGLUT1、ADAM 基因均為 Notch 信號(hào)通路的重要上游基因，其功能的不足勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致該信號(hào)通路嚴(yán)重的缺陷。在遺傳性屈側(cè)網(wǎng)狀色素異常癥和常染色體顯性遺傳肢端網(wǎng)狀色素沉著癥患者中，表現(xiàn)為肢端網(wǎng)狀色素沉著和屈側(cè)或非屈側(cè)網(wǎng)狀色素異常，除了皮膚色素異常外，其他系統(tǒng)如：心血管系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)等并無(wú)明顯異常，甚至患者的毛發(fā)顏色也未見(jiàn)明顯改變。

5 結(jié)語(yǔ)

Notch信號(hào)通路參與調(diào)控細(xì)胞的分化、增殖和凋亡，究竟是如何影響人類皮膚色素尚不清楚。現(xiàn)有研究認(rèn)為，Notch信號(hào)通路可能影響了角質(zhì)形成細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育形態(tài)和黑素細(xì)胞合成黑素的能力。Notch信號(hào)通路是否通過(guò)影響表皮黑素細(xì)胞的增殖，從而提高或降低細(xì)胞合成黑素的能力？還是Notch信號(hào)通路參與調(diào)控黑素細(xì)胞-角質(zhì)形成細(xì)胞的平衡，從而影響了黑素顆粒的代謝？是否存在別的調(diào)控途徑，即使POFUT1、POGLUT1、ADAM 功能不足，Notch信號(hào)通路仍能激活下游靶基因，使得患者其他系統(tǒng)組織不受影響？這些問(wèn)題為研究黑素細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育生物學(xué)功能和Notch信號(hào)通路作用提供了新的視野，有助于解開(kāi)人類維持皮膚正常顏色和發(fā)生遺傳性色素障礙性皮膚病之謎。

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Notch signaling in hereditary pigmentary disorders

Wang Zhen,Li Ming,Yao Zhirong.Department of Dermatology,Xin Hua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine,Shanghai 200092,China

Pigmentary disorders,a class of common diseases in dermatology caused by abnormalities in melanocyte function or count,severely affects skin appearance of patients.Recently,a series of reports have suggested that hereditary pigmentary disorders are associated with the abnormality in or loss of function of the highly conserved Notch signaling pathway,which is important for the regulation of cell differentiation,proliferation and apoptosis.However,how the Notch signaling pathway causes aberrant pigmentation remains unclear.This article reviews advances in the Notch signaling pathway in hereditary pigmentary disorders,which may provide new insights into the roles of genetic factors in melanocyte development and function.

Skin diseases,genetic;Pigmentation disorders;Melanocytes;Heredity;Notch signaling pathway

2015-03-23）

國(guó)家自然科學(xué)基金（81472867）；上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院院基金（13XJ10023）

Correspongding author:Yao Zhirong,Email:dermatology.yao@sohu.com

Fund programs:National Natural Science Fundation of China（81472867）;Foundation of Shanghai Jiao TongUniversitySchoolofMedicine（13XJ10023）

10.3760/cma.j.issn.1673-4173.2016.01.017

姚志榮，Email:dermatology.yao@sohu.com

本文主要縮寫(xiě)：POFUT1：蛋白O-巖藻糖轉(zhuǎn)移酶1，ADAM：去整合素-金屬蛋白酶，POGLUT1：蛋白O-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶1