XVⅡ型膠原蛋白（COL17）護(hù)膚的研究現(xiàn)狀與展望

翟文麗 何聰芬 董坤

膠原蛋白是哺乳動(dòng)物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行研究有著重要意義。本文簡要介紹了膠原蛋白和XV型膠原蛋白（COL17）的概況，重點(diǎn)闡述了COL17 在基底膜、皮膚衰老機(jī)制和毛囊干細(xì)胞方面的最新研究進(jìn)展，為研究延緩衰老化妝品，以及大皰性表皮松解癥的解決和脫發(fā)的治療提供了理論基礎(chǔ)。

膠原蛋白是一類纖維狀、大分子蛋白質(zhì)，存在于所有哺乳動(dòng)物體內(nèi)，由結(jié)締組織細(xì)胞和其他類型的細(xì)胞（如肝臟、肺、脾及腦組織細(xì)胞）分泌，普遍分布于細(xì)胞外基質(zhì)中，約占總蛋白的1/3[1]。目前已發(fā)現(xiàn)了至少49 種不同的膠原蛋白多肽鏈，其中可人工合成的膠原蛋白類型有 28 種。根據(jù)在體內(nèi)的分布，膠原蛋白又可分為間質(zhì)膠原、基底膜膠原和細(xì)胞外周膠原， 其中間質(zhì)膠原蛋白是整個(gè)機(jī)體膠原的主要部分，包括I、Ⅱ和II型膠原蛋白分子。[2]

XVII 型膠原蛋白（COL17），又稱Hemidesmosomes Fraction4 （HD4），是一種含有1497個(gè)氨基酸的跨膜蛋白，其N 端位于細(xì)胞質(zhì)中，C 端位于細(xì)胞外基質(zhì)中。COL17 在細(xì)胞外基質(zhì)中有15 個(gè)膠原結(jié)構(gòu)域，并且表位在緊密排列的非膠原第16A（NC16A）結(jié)構(gòu)域內(nèi)緊密排列[3]。以兩種形式存在：一種是由180kDa的COL17A1鏈的同源三聚體跨膜分子，另一種是3個(gè)120kDa 的多肽不溶性胞外域通過弗林蛋白酶介導(dǎo)的蛋白水解可以從細(xì)胞表面脫落[4]。與其他跨膜膠原家族成員類似，COL17 的胞外域可以被解聯(lián)蛋白和金屬蛋白酶從細(xì)胞表面裂解，有趣的是，胞外域脫落發(fā)生在含有BP autoAb的主要表位的NC16A 結(jié)構(gòu)域內(nèi)。COL17 的NC16a 結(jié)構(gòu)域含有血球樣表位的免疫優(yōu)勢表位[5]。目前已經(jīng)克隆了整個(gè)人類COL17 基因，并闡明了其內(nèi)含子—外顯子組織，該基因包含56 個(gè)不同的外顯子，是一種在10 號(hào)染色體的長臂上間隔約52kb 的基因組。它編碼多肽α1（XVII）鏈，有胞內(nèi)球狀結(jié)構(gòu)域，跨膜片段和細(xì)胞外含有15 個(gè)獨(dú)立的膠原亞結(jié)構(gòu)域，其中最大的由242 個(gè)氨基酸組成[6]。

COL17 在自身免疫性起泡性疾病大皰性類天皰瘡 （Nishie，2014）中被定性為特征蛋白。最近的研究表明，COL17 的減少可導(dǎo)致毛囊干細(xì)胞（HFSC）小型化，因?yàn)槿狈υ摰鞍椎男∈蠛虲OL17A1突變的人類具有灰發(fā)和脫發(fā)等過早老化的皮膚表型[16]。此外， 表皮基底膜蛋白，包括COL17，在人皮膚中的標(biāo)記減少與衰老也密不可分。但是目前COL17 在維持濾泡間表皮及其干細(xì)胞中的作用尚不清楚。

COL17 在皮膚基底膜中的研究現(xiàn)狀

在皮膚中，基底膜（BM）對(duì)于表皮的基底角質(zhì)細(xì)胞與下層真皮間的附著起到重要作用。目前已知細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白的正確表達(dá)對(duì)于BM 的形成是必不可少的，一個(gè)分子的無效表達(dá)可以導(dǎo)致人類未成熟的BM形成相關(guān)的起泡疾病。但是 BM 形成中半橋體或ECM 蛋白的翻譯后加工過程目前還不太清楚。研究表明，C 端卵裂球體跨膜COL17 卵裂對(duì)BM 正確形成至關(guān)重要，COL17 可誘導(dǎo) BM 基因突變和人類起泡[10]。

COL17基因COL17Al突變時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致COL17蛋白缺陷，從而降低角質(zhì)形成細(xì)胞—基底膜黏附作用，并減少涉及表皮黏附的半橋粒（HD）斑塊大小。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致一種常染色體隱性起泡性疾病—大皰性表皮松解癥，這種疾病的臨床表型嚴(yán)重程度很大程度上依賴于COL17基因突變的嚴(yán)重等級(jí)。COL17 表達(dá)缺陷的表皮角質(zhì)形成細(xì)胞表現(xiàn)出可變的基底膜黏附，增加的皮膚分離度和增加的遷移率具有相似的表型，其典型特征為多發(fā)性糜爛毛疵和頭發(fā)過早損失。梭子外結(jié)構(gòu)域通過誘導(dǎo)細(xì)胞脫離來調(diào)節(jié)附著，深度影響細(xì)胞黏附和隨后的信號(hào)傳導(dǎo)，從而增加運(yùn)動(dòng)性并破壞分化，并且其參與自身免疫性疾病多發(fā)生在細(xì)胞外基質(zhì)上的細(xì)胞遷移過程中，不僅在維持表皮穩(wěn)態(tài)中有關(guān)也在促進(jìn)血管生成中起關(guān)鍵作用，并參與炎癥 、胚胎發(fā)育、傷口修復(fù)和腫瘤轉(zhuǎn)移[7]。在這個(gè)過程中，絲裂原活化蛋白激酶的激活（MAPK）途徑控制著細(xì)胞增殖和分化的重要基因的轉(zhuǎn)錄。然而， 生長因子受體和整合素也可以誘導(dǎo)多個(gè)信號(hào)事件，從而導(dǎo)致MAPK快速激活，這表明MAPK 可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的直接活化而不依賴于從頭基因轉(zhuǎn)錄。

盡管層粘連蛋白332（ECM 蛋白的主要亞型）與COL17相互作用，但突變使兩個(gè)分子的結(jié)合不變。相反，突變使 ECM中COL17 的生理C-末端切割受阻。因此，未切割的 COL17胞外域殘余物誘導(dǎo)層粘連蛋白332 在ECM中的異常沉積，這是由該突變導(dǎo)致的BM 重復(fù)的主要發(fā)病機(jī)制[8]。據(jù)推測，正常皮膚中COL17 胞外域脫落與基底角質(zhì)形成細(xì)胞的遷移、增殖和分化有關(guān)，但是目前并沒有直接的證據(jù)。一種可能的生理作用與基底角質(zhì)形成細(xì)胞的分化有關(guān)，因?yàn)樗鼈儽仨殢腅CM分離以分化成棘突和角質(zhì)層;或者，正常表皮可能是一個(gè)更有活力的器官，通過包括COL17 在內(nèi)的細(xì)胞表面受體與ECM 蛋白進(jìn)行有效的通信，即使在正常情況下，分子的胞外域脫落也是必不可少的[12]。據(jù)報(bào)道，裂解的COL17 胞外域保留在人造水泡的表皮側(cè)，這證明了 ECM中裂解的COL17 胞外域結(jié)合蛋白的存在。COL17 的 C-末端在體外與層粘連蛋白332 結(jié)合，而層粘連蛋白332總是存在于剝離皮膚的真皮面上，這表明ECM 中存在表皮側(cè)上的另一個(gè)結(jié)合分子，且脫落的COL17 胞外域比層粘連蛋白332更強(qiáng)，該結(jié)合分子的候選分子是已知的、能夠與 COL17 胞外域結(jié)合的整合素α6[9]。

COL17 在衰老中的研究現(xiàn)狀

皮膚是高度結(jié)構(gòu)化的器官，其干細(xì)胞自我更新、細(xì)胞增殖和分化協(xié)調(diào)維持動(dòng)態(tài)平衡。除了毛囊和其他皮膚附屬物之外，濾泡間表皮（IFE;非毛發(fā)皮膚）還包含不同的細(xì)胞群體。IFE 干細(xì)胞存在于基底細(xì)胞層中，這些細(xì)胞都自我更新并產(chǎn)生終末分化的外層細(xì)胞層，作為外部環(huán)境的障礙并防止體液損失[10]。有機(jī)體老化被定義為誘導(dǎo)細(xì)胞損傷的許多內(nèi)在和外在因素累積引起的組織損傷。人類皮膚衰老的例子是真皮和皮膚附屬物的變化，如真皮變薄、干燥、皺紋、灰發(fā)和脫發(fā)。但是老齡化對(duì)IFE 的影響一直存在爭議，目前并不清楚老化使得表皮增生減少還是增多，因此機(jī)體衰老影響IFE 及其干細(xì)胞的機(jī)制尚未闡明[11]。

COL17 作為表皮和真皮之間的連接體，其在基底細(xì)胞中表達(dá)，且大部分在表皮中定型為祖細(xì)胞，數(shù)據(jù)表明COL17缺失可以通過IFE 角質(zhì)形成細(xì)胞的過度增殖來誘導(dǎo)表皮增厚，至少部分通過新生兒階段皮膚表皮粘連的松動(dòng)。對(duì)干表皮的維持和增殖，表皮干細(xì)胞的存在是必不可少的[12]，然而這些干細(xì)胞居于表皮以及其調(diào)節(jié)表皮體內(nèi)平衡的理論仍然存在爭議，并且可能取決于身體上的位置[13]。

在FE（非毛發(fā)皮膚）中，科學(xué)家提出大多數(shù)基底細(xì)胞為定向祖細(xì)胞（CPs），其經(jīng)歷細(xì)胞分裂和分化。這些發(fā)現(xiàn)突出了COL17在皮膚中作為抗衰老分子的作用。COL17激活Wnt（信號(hào)通路）是新生小鼠中IFE 增殖不可缺少的調(diào)節(jié)因素。IFE 過度增殖是由機(jī)體老化引起的，可以通過COL17補(bǔ)充來逆轉(zhuǎn)[14]。COL17 可能作用于這些干細(xì)胞標(biāo)志物的下游，并且在過度表達(dá)時(shí)可以使IFE 保持在少年?duì)顟B(tài)。衰老已經(jīng)成為干細(xì)胞克隆擴(kuò)張的觸發(fā)因素，這種干細(xì)胞通過腫瘤發(fā)生來干擾組織健康，目前已經(jīng)報(bào)道了在致癌處理恢復(fù)過程中老年表皮中Ki-67 陽性細(xì)胞的增生[9]。

COL17 在毛囊干細(xì)胞中的研究現(xiàn)狀

頭發(fā)稀疏和損失是衰老的突出表現(xiàn)，研究表明，毛囊干細(xì)胞（HFSC）的逐步老化可導(dǎo)致毛囊逐步小型化，最終導(dǎo)致脫發(fā)[15]。毛囊干細(xì)胞（HFSCs）存在于毛囊（HF）的凸起/亞凸起區(qū)域，在重復(fù)的毛發(fā)上維持毛發(fā)循環(huán)再生。 HFSCs 的體內(nèi)分析顯示，HFSCs中的DNA損傷反應(yīng)可導(dǎo)致COL17Al/BP180水解，而COL17Al正是HFSC 維持功能的關(guān)鍵分子，最終引發(fā)HFSC 衰老[16]。HFSCs 最終分化為表皮角質(zhì)形成細(xì)胞，驅(qū)使HF 微型化，并且能夠從皮膚表面脫落受損的干細(xì)胞，如脫落的角質(zhì)細(xì)胞。老化過程可以通過Coll7al缺陷來重演，并通過在HFSCs中強(qiáng)制維持 COL17A1來預(yù)防，表明HFSC中的COL17AI協(xié)調(diào)上皮微器官的干細(xì)胞中心老化程序[17]。

在毛發(fā)變薄和脫落的區(qū)域中，HFSC 的標(biāo)志物在老年 HFs 中的數(shù)量顯著減少。而HFSC 維持的關(guān)鍵基因在|期和Ⅱ期HFs 中通常檢測不到，表明HFSC 標(biāo)記分子的下調(diào)先于 HF 在生理性衰老過程中發(fā)生糜爛和脫發(fā)。即使在HFSC 標(biāo)志物表達(dá)有所降低的情況下，單個(gè)HF 成分在早期HF 中也得到良好維持;但是一旦HF 引發(fā)小型化，HF 逐漸減少，包括真皮乳頭細(xì)胞的間充質(zhì)細(xì)胞減少，表明老齡化相關(guān)的脫發(fā)和潛在的HF小型化和HFSC失調(diào)的特點(diǎn)是生理老化過程中的HFSC信號(hào)的損失[18]。老化的HFSC衍生的子代在毛發(fā)周期的誘導(dǎo)下不向毛發(fā)表面遷移，而是在表皮中遷移，因而不會(huì)在毛孔中自我更新，這表明HFSC 的表皮分化也促使 HF小型化。此外，在DNA損傷反應(yīng)實(shí)驗(yàn)（DDR）中，年輕和老化的HFSC 都有不同程度的損傷，而在DNA修復(fù)實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)其只在年輕的HFSCs 中富集，而老齡化的HFSC 對(duì)累積的DNA損傷沒有修復(fù)作出反應(yīng)。持續(xù)的DDR后，靜止的HFSCs失去了干細(xì)胞的信號(hào)特性。因此，HFSCs中持續(xù)的DDR 可能是HFSC 老化的早期征兆，具有內(nèi)在或外在基因組不穩(wěn)定性的HFSC 達(dá)到HFSC老化狀態(tài)[19]。 由TTD（trichothiodystrophy），一種人類DNA修復(fù)綜合征突變引起的HF小型化或喪失和皮膚變薄所代表的相應(yīng)的組織學(xué)變化與生理性HF 衰老和相關(guān)的皮膚變化相似表明存在一個(gè)共同的皮膚老化過程。

研究表明[20]，COL17A1可被ELANE（嗜中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶，在異常分泌時(shí)被稱為細(xì)胞毒蛋白酶，在年齡較大的HFSCs 中異位誘導(dǎo)而不能在年輕的HFSCs 中檢測到）有效地降解，ELANE在HFSC中響應(yīng)DNA損傷而被誘導(dǎo)活化。一些HFs恢復(fù)了COL17A1的原始分布表達(dá)水平，但是在TTD之后，其他不確定的HFs 降低了COL17A1蛋自表達(dá)，顯示出其他關(guān)鍵HFSC分子的下調(diào)，這表明COL17A1表達(dá)水平降低在一定程度上使得一些HFs的COL17Al在 HFSC中降解。同時(shí)在凸起角質(zhì)形成細(xì)胞中COL17A1具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的減少或丟失，因此，HFSCs 中未修復(fù)的DNA損傷最有可能導(dǎo)致HFSC老化狀態(tài)的特點(diǎn)是COL17A1消耗與持續(xù)DDR。COL17A1過表達(dá)即使在老年也顯示HF 更少的小型化和明顯的脫發(fā)延遲，COL17A1的強(qiáng)制性維護(hù)抑制了HFSC 的老化，從而延緩了過度的脫發(fā)凹。這是干細(xì)胞衰老可誘導(dǎo)頭發(fā)變薄這一理論的關(guān)鍵原因，HFSCs 中 COL17A1的穩(wěn)定化對(duì)于預(yù)防HFSC老化和相關(guān)的皮膚組織變化至關(guān)重要且有效[22，23]。

總結(jié)與展望

綜上，無論是基底膜、衰老機(jī)制，還是毛囊干細(xì)胞的研究，COL17作為跨膜蛋白在表皮和真皮之間的作用是極為重要的。COL17 末端切割異?；虍惓＝到鈸p失，會(huì)對(duì)機(jī)體造成衰老、疾病等很嚴(yán)重的影響。近年COL17 的作用位點(diǎn)和機(jī)制成為皮膚學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。研究表明22，將COL17 導(dǎo)入表皮可以幫助組織保持更年輕的狀態(tài)，并且該現(xiàn)象及規(guī)律也適用于老年動(dòng)物。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究者更好地認(rèn)識(shí)表皮細(xì)胞的分裂能力及其在哺乳動(dòng)物不同階段的調(diào)節(jié)機(jī)制，現(xiàn)已確定COL17 是控制小鼠和人類皮膚中表皮細(xì)胞分裂的關(guān)鍵分子。COL17作為表皮最深層形成的蛋白質(zhì)，通過與Wnt信號(hào)通路協(xié)調(diào)防止新生小鼠表皮增厚，但隨著年齡的增長， COL17 在小鼠和人中的分布有著顯著變化，可見COL17是未來延緩皮膚衰老研究的一個(gè)有潛力的關(guān)注點(diǎn)。

作者單位：北京工商大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院北京市植物資源研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

項(xiàng)目支持：北京市科技計(jì)劃課題，項(xiàng)目編號(hào) Z181100002418014

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