角蛋白在皮膚老化過(guò)程中的研究進(jìn)展

張 琪 王再興 楊 森

安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院皮膚性病科,安徽醫(yī)科大學(xué)皮膚病研究所，合肥，230032

作為人體的第一道物理和免疫屏障，皮膚是一個(gè)高度專業(yè)化的器官，由最外層的表皮、真皮和真皮白色脂肪組織三層組成[1]。皮膚老化，就像其他器官的老化一樣，其特點(diǎn)是功能和再生潛力的逐漸喪失。與其他器官相比，皮膚的衰老過(guò)程取決于外在因素，取決于生活方式和接觸環(huán)境有害物質(zhì)，以及衰老的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素[2]。皮膚的老化是生物老化最明顯的表現(xiàn)，可以作為健康的預(yù)測(cè)指標(biāo)。皮膚老化機(jī)制尚未完全明確，本文總結(jié)了近年來(lái)角蛋白在皮膚老化過(guò)程中的研究進(jìn)展，主要包括皮膚屏障破壞后角蛋白的表達(dá)，以及光老化和自然老化層面的研究進(jìn)展。

1 角蛋白的概述

角蛋白是上皮細(xì)胞中由中間絲形成的一種蛋白質(zhì)，迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了54種人類角蛋白，包括28種I型和26種II型角蛋白，占總蛋白的30%～80%。這些角蛋白高度多樣化，根據(jù)其pH值分為兩類：酸性I型角蛋白(K9～K40)和中性-堿性II型角蛋白(K1～K8，K71～K86)[3]。編碼I型和II型角蛋白的基因聚集在兩個(gè)不同的染色體區(qū)域，其中I型角蛋白(K18除外)在染色體17q12-q21，所有II型角蛋白和K18在染色體12q11-q13[4]。盡管I型和II型角蛋白在基因組中的位置不同，但在特定的表皮細(xì)胞層中，它們表現(xiàn)出高度特異性和一致的表達(dá)模式[5]。角蛋白在一種I型角蛋白和一種II型角蛋白之間形成異二聚體，通過(guò)自我組裝形成反平行、交錯(cuò)的四聚體，通過(guò)縱向和橫向相互作用形成中間絲[6]。

角蛋白是細(xì)胞骨架的中間絲蛋白，中間絲在細(xì)胞內(nèi)部形成三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，為上皮細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐，以此維持細(xì)胞形狀和抵抗外界壓力，它是上皮細(xì)胞生長(zhǎng)、分化及成熟的重要分子標(biāo)志物[7]。角蛋白參與表皮許多功能，最重要的是保護(hù)細(xì)胞和組織免受損傷。此外，角蛋白是上皮細(xì)胞骨架的主要成分，負(fù)責(zé)維持角質(zhì)形成細(xì)胞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和遷移以及免疫調(diào)節(jié)均起重要作用[4,8]。

2 皮膚屏障破壞后角蛋白的表達(dá)

皮膚提供了一個(gè)防止有害微生物、毒素的物理屏障，并保護(hù)機(jī)體免受紫外線的輻射。越來(lái)越多的證據(jù)表明，衰老細(xì)胞在自然老化和光老化的皮膚中積累，并可能導(dǎo)致與年齡相關(guān)的皮膚變化和病理變化[9]。完整的皮膚屏障是抵御外界不良因素侵?jǐn)_的第一道防線，角質(zhì)形成細(xì)胞位于皮膚表面，經(jīng)常暴露于外界刺激，是入侵病原體和損傷的第一反應(yīng)者。在皮膚損傷時(shí)，激活的角質(zhì)形成細(xì)胞分泌一系列警報(bào)分子，提供對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)的快速和特異的先天免疫反應(yīng)[10]。在皮膚的每一層中，角質(zhì)形成細(xì)胞表達(dá)不同的角蛋白中間絲。角蛋白是角質(zhì)形成細(xì)胞分化過(guò)程中差異表達(dá)的彈性纖維蛋白，是角質(zhì)形成細(xì)胞主要的結(jié)構(gòu)蛋白[11]?；自鲋硡^(qū)表達(dá)角蛋白對(duì)K5/K14，在終末分化過(guò)程中被K1/K10所取代，而K6/K16/K17在屏障破壞和疾病中出現(xiàn)，包括特應(yīng)性皮炎和銀屑病[12]。

Lessard等[13]發(fā)現(xiàn)，使用K16基因敲除鼠為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?dāng)表皮屏障受到外源性物理或化學(xué)刺激時(shí)，缺乏角蛋白K16的角質(zhì)形成細(xì)胞無(wú)法適當(dāng)調(diào)節(jié)先天危險(xiǎn)信號(hào)的產(chǎn)生，并過(guò)度激活皮膚屏障功能的損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)、細(xì)胞因子和其他調(diào)節(jié)因子的表達(dá)，這表明K16在維持皮膚屏障功能中發(fā)揮作用。Ditommaso等[14]建立了角蛋白K76基因缺失的小鼠模型，研究發(fā)現(xiàn)K76與表皮緊密連接中的封閉蛋白CLDN1相互作用，K76的缺失可以引起CLDN1的定位發(fā)生改變，最終導(dǎo)致新生小鼠表皮剝脫，色素沉著，炎癥性破壞，傷口愈合延緩，影響皮膚屏障功能[14]。Ekanayake-Mudiyanselage等[15]使用屏障破壞的小鼠模型，通過(guò)測(cè)定表皮角蛋白的表達(dá)，證明了急性和慢性屏障破壞導(dǎo)致角蛋白K6、K16和K17的表達(dá)。急性屏障破壞后角蛋白K10表達(dá)增加，慢性屏障破壞后K1和K10表達(dá)增加。

3 光老化皮膚中角蛋白的表達(dá)

90%的皮膚老化由紫外線導(dǎo)致的光老化引起[16]。皮膚老化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由年齡等內(nèi)在因素介導(dǎo)，以及外部因素引起的損傷，如慢性暴露于紫外線(UV)照射。慢性暴露于紫外線照射也被稱為光老化，光老化可導(dǎo)致紅斑、水腫、曬傷、增生、早衰以及非黑素瘤和黑素瘤皮膚癌的發(fā)生和發(fā)展[17]。

動(dòng)物模型中的研究表明，重復(fù)紫外線照射與角蛋白K1、K5和K10的增加之間存在因果關(guān)系，膠原纖維和彈性纖維沒(méi)有變化，導(dǎo)致皮膚彈性喪失，皮膚皺紋形成[18,19]。Hachiya等[20]為研究UVB照射與皮膚變化的關(guān)系，建立了小鼠光損傷皮膚模型。該實(shí)驗(yàn)使用人皮膚異種移植到嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷小鼠，隨后反復(fù)使用UVB照射6周，結(jié)果表明角蛋白K6、K16及K17的表達(dá)顯著增加。在此研究中，反復(fù)UVB照射刺激角蛋白K6、K16和K17的穩(wěn)定表達(dá)，而不是K1、K5和K10。這些表皮角蛋白的增加直接影響表皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)改變和再上皮化過(guò)程中的遷移行為。因此推測(cè)，除了真皮成分中膠原和彈性蛋白的改變外，表皮重塑，即角蛋白K6和K16和/或K6和K17之間的相互作用，對(duì)皮膚光老化過(guò)程有很大的貢獻(xiàn)。值得注意的是，在反復(fù)的UVB輻照結(jié)束后，角蛋白K6和K16的蛋白表達(dá)在UVB暴露的表皮中持續(xù)至少4周。然而，在皮膚老化過(guò)程中誘導(dǎo)K6、K16和K17表達(dá)的確切機(jī)制有待解決[20]。

4 自然老化皮膚中角蛋白的表達(dá)

光老化模型是最常見(jiàn)的外源性老化模型，而 D-半乳糖誘導(dǎo)的亞急性衰老模型則被認(rèn)為最接近自然老化狀態(tài)。亞急性衰老模型的機(jī)制不明確，其原理可能是體內(nèi)自由基形成過(guò)多，引起細(xì)胞損害，從而導(dǎo)致多器官功能衰退，造成皮膚老化[21]。

Oender等[22]比較了年輕人和老年人皮膚中角蛋白1～23的表達(dá)，結(jié)果表明K1、K3、K4、K9、K13、K15、K18、K19和K20基因的mRNA水平在老年皮膚中下調(diào)，K5和K14不變，K2、K16和K17在老年皮膚中上調(diào)，在蛋白質(zhì)水平上也證實(shí)了mRNA數(shù)據(jù)。Yeo等[23]為評(píng)估羽毛角蛋白對(duì)皮膚健康的影響，從雞羽毛中提取了低分子量(LMW)角蛋白，以研究它們對(duì)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的抑制作用。結(jié)果表明，LMW羽毛角蛋白對(duì)膠原酶、彈性蛋白酶和自由基清除活性有一定的抑制作用。另一方面，LMW羽毛角蛋白對(duì)人真皮成纖維細(xì)胞中紫外線B(UVB)誘導(dǎo)的MMP-1和MMP-13的表達(dá)有明顯的抑制作用。總之，這些結(jié)果表明，LMW羽毛角蛋白是抗皮膚老化潛在的候選的美容肽[23]。Dos Santos等[24]發(fā)現(xiàn)基底膜蛋白多糖在皮膚自然老化過(guò)程中的表達(dá)減少。體外研究顯示，衰老的角質(zhì)形成細(xì)胞的基底膜蛋白多糖轉(zhuǎn)錄水平降低。體外皮膚模型的產(chǎn)生表明，衰老的角質(zhì)形成細(xì)胞形成了一個(gè)薄并且組織不良的表皮。用純化的基底膜蛋白多糖補(bǔ)充這些模型，逆轉(zhuǎn)了這一現(xiàn)象，使分化良好的多層上皮得以恢復(fù)。在培養(yǎng)的角質(zhì)形成細(xì)胞中，基底膜蛋白多糖的下調(diào)導(dǎo)致了表達(dá)角蛋白15的細(xì)胞群的耗竭，表明了老化皮膚表皮中角蛋白15表達(dá)的缺陷。Kim等[25]研究了從光合細(xì)菌中分離出來(lái)的細(xì)菌葉綠素a的皮膚抗衰老活性，結(jié)果證明細(xì)菌葉綠素a具有抗皮膚衰老的作用，實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明細(xì)菌葉綠素a上調(diào)了角蛋白K10的表達(dá)，表明角蛋白K10在抗皮膚衰老過(guò)程中發(fā)揮作用。

5 小結(jié)

角蛋白是角質(zhì)形成細(xì)胞的主要蛋白，它的表達(dá)在維持和修復(fù)皮膚屏障中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，在光老化和自然老化皮膚中，不同的角蛋白協(xié)調(diào)作用，共同影響著皮膚的年輕化及老化。因此，進(jìn)一步研究角蛋白的表達(dá)不僅有助于研究皮膚老化的機(jī)制，更是為皮膚年輕化提供了更多的思路。