黑素體在黑素細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸及調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

寧 婧，張汝芝

(蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院 皮膚性病科， 江蘇 常州 213003)

黑素體(melanosomes, MS)是黑素細(xì)胞(melano-cytes, MC)中一種專門合成、儲(chǔ)存和運(yùn)輸黑素的溶酶體相關(guān)膜性細(xì)胞器。MS內(nèi)含多種特殊的黑素合成酶和相關(guān)結(jié)構(gòu)蛋白，其中酪氨酸酶(tyrosinase，TYR)是黑素合成的關(guān)鍵限速酶[1]。MS經(jīng)歷4個(gè)不同階段(Ⅰ～Ⅳ期)至完全發(fā)育成熟后，沿MC骨架向外周運(yùn)輸直至質(zhì)膜，后遷移到鄰近的角質(zhì)形成細(xì)胞(keratino-cytes, KC)中，聚集在核上方，保護(hù)KC的DNA免受光損傷[2]。MS運(yùn)輸障礙可直接影響皮膚和毛發(fā)的顏色，與多種色素性疾病相關(guān)， 如Griscelli綜合征、有點(diǎn)狀白斑的Darier病、色素性基底細(xì)胞上皮瘤及無色素痣等[3]。本文簡(jiǎn)要綜述MS在MC中的運(yùn)輸及調(diào)節(jié)機(jī)制。

1 MS在MC中的運(yùn)輸路徑

早期未成熟MS在核周區(qū)域停留，發(fā)育成熟后向細(xì)胞周圍運(yùn)輸，該過程是3種蛋白[動(dòng)力蛋白(dynein)、驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesin)以及肌球蛋白(myosin)]與兩種細(xì)胞骨架[微管(microtubules，MT)和肌動(dòng)蛋白微絲(actin filaments，AF)]相互作用的結(jié)果[4]。MT為長(zhǎng)距離運(yùn)輸(>1 μm)軌道，與驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白相互作用，介導(dǎo)MS在細(xì)胞中心和外周之間快速、雙向、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。AF組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為短距離運(yùn)輸(<1 μm)軌道,與肌球蛋白共同將MS運(yùn)輸?shù)組C樹突頂端并錨定在胞膜上，等待下一步轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入KC[5]。

2 MS在MT上的運(yùn)輸

2.1 順向運(yùn)輸

驅(qū)動(dòng)蛋白-1在哺乳動(dòng)物的MC中高表達(dá)，與成熟MS上的Rab1A(RAB家族的一員,一種小GTP酶)以及沙門氏菌誘導(dǎo)絲狀體A-驅(qū)動(dòng)蛋白相互作用蛋白(SifA-kinesin-interacting protein，SKIP, Pleckstrin同源結(jié)構(gòu)域蛋白M家族的一員)共同形成Rab1A-SKIP-驅(qū)動(dòng)蛋白-1運(yùn)輸復(fù)合物，介導(dǎo)MS在MT上的順向運(yùn)輸[6]。動(dòng)力肌動(dòng)蛋白亞基1(dynactin subunit 1，DCTN1，又稱p150 Glued)缺陷的melan-a細(xì)胞中的Rab1A敲低會(huì)抑制MS順向運(yùn)輸，導(dǎo)致MS在核周聚集，說明Rab1A在MS沿MT順向運(yùn)輸過程中具有重要作用。微管相關(guān)蛋白1輕鏈3B (microtubule-associated protein 1 light chain 3B, MAP1-LC3B/LC3B)基因敲除的MC中可見MS核周聚集現(xiàn)象，說明LC3B可能也參與組成運(yùn)輸復(fù)合物，并且可以在不影響MT的情況下，特異性降低MS的運(yùn)動(dòng)速度，在調(diào)節(jié)順向運(yùn)輸?shù)倪^程中起著重要作用[7]。

2.2 逆向運(yùn)輸

依賴MT的MS逆向運(yùn)輸由動(dòng)力蛋白-動(dòng)力肌動(dòng)蛋白(dynactin)運(yùn)動(dòng)復(fù)合體介導(dǎo)。動(dòng)力蛋白是目前已知的最大、最快的動(dòng)力蛋白，在介導(dǎo)MS沿MT的逆向運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，需與動(dòng)力肌動(dòng)蛋白(dynactin)結(jié)合才具有活性，再通過動(dòng)力肌動(dòng)蛋白上的p150 Glued亞單位與MT結(jié)合，從而介導(dǎo)MS的逆向運(yùn)輸。動(dòng)力蛋白受到抑制或動(dòng)力蛋白-動(dòng)力肌動(dòng)蛋白復(fù)合體被破壞時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)MT上的MS順向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，原本聚集在核周區(qū)域的MS分散到細(xì)胞外周，甚至出現(xiàn)超分散現(xiàn)象[8]。逆向運(yùn)輸在MT介導(dǎo)的雙向運(yùn)動(dòng)中占主導(dǎo)作用，這可能與利于未成熟MS在核周區(qū)域發(fā)育成熟相關(guān)，因此，MT對(duì)MS的核周聚集具有極其重要的作用。

2.3 依賴MT的MS運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控

無色素痣(naevus depigmentosus, ND)又稱脫色素痣，是一種病因不明的先天性、非家族性皮膚色素減退斑，皮損內(nèi)可見MC中部分MS停滯在Ⅰ、Ⅱ期并伴轉(zhuǎn)運(yùn)異常，可能與未成熟MS主要受逆向運(yùn)輸調(diào)控相關(guān)[9]。

MS的最終定位很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白的數(shù)量和激活狀態(tài)。順向運(yùn)輸過程中動(dòng)力蛋白始終附著于MT并與驅(qū)動(dòng)蛋白競(jìng)爭(zhēng)，而逆向運(yùn)輸過程中驅(qū)動(dòng)蛋白脫離軌道，不影響運(yùn)輸過程。動(dòng)力肌動(dòng)蛋白可以與動(dòng)力蛋白和驅(qū)動(dòng)蛋白-Ⅱ發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)合，提示其可能是協(xié)調(diào)雙向運(yùn)動(dòng)平衡的關(guān)鍵性分子[10]。MS沿MT的雙向運(yùn)輸也受Rab7和Rab27A相對(duì)數(shù)量調(diào)控。早期未成熟MS主要和Rab7結(jié)合，Rab7與Rab相互作用溶酶體蛋白(Rab-interacting lysosomal protein，RILP)和p150 Glued結(jié)合形成Rab7-RILP-肌動(dòng)蛋白復(fù)合物，發(fā)揮逆向運(yùn)輸調(diào)控作用，以促使其核周聚集并進(jìn)一步發(fā)育成熟[11]。黑素調(diào)節(jié)蛋白(melanoregulin，Mreg)通過影響MS對(duì)動(dòng)力蛋白和動(dòng)力肌動(dòng)蛋白的招募調(diào)控MS在MT上的逆向運(yùn)輸[12]。摩托蛋白的結(jié)合伴侶和調(diào)節(jié)蛋白上的修飾物也可決定MS的最終定位，微管結(jié)合蛋白4(microtubule-associated protein 4，MAP4)磷酸化可抑制MS與MT結(jié)合，促進(jìn)動(dòng)力蛋白介導(dǎo)的逆向運(yùn)輸并抑制順向運(yùn)輸[13]。整合素連接激酶(integrin-linked kinase，ILK)也是MS沿MT軌道正常運(yùn)輸所必需的，缺乏ILK時(shí)，未成熟MS不能在核周區(qū)域停留，而成熟MS會(huì)沿MT軌道進(jìn)行隨機(jī)雙向運(yùn)動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)向MT樹突端的凈位移[14]。

3 MS在AF上的運(yùn)輸過程

3.1 MT上的MS被捕獲至AF

經(jīng)MT依賴的長(zhǎng)距離順向運(yùn)輸被運(yùn)送到細(xì)胞周邊后，未成熟MS通過逆向運(yùn)輸返回細(xì)胞核周區(qū)域，而成熟的MS與MT分離，在AF和肌球蛋白-Va的共同作用下被捕獲，附著在AF豐富的樹突頂端和側(cè)緣區(qū)域，阻止其返回細(xì)胞中心[15]。自噬相關(guān)蛋白酶4B(autophagy related protease 4B，ATG4B)是MS轉(zhuǎn)位到AF所必需的，MS在相關(guān)LC3B被ATG4B脫脂并分離后才能夠轉(zhuǎn)位，而內(nèi)源性ATG4B水平的siRNA缺失可發(fā)生MS核周聚集[7]。肌球蛋白-Va突變的MC中，成熟MS沿MT進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)，無法在外周聚集。Rab27A也參與捕獲過程，Rab27a基因缺失會(huì)引起MS在MT上的逆向運(yùn)輸增強(qiáng)，導(dǎo)致核周聚集。Rab36是MS在MT和AF間轉(zhuǎn)移的開關(guān)，RILP-動(dòng)力蛋白和RILPL2-肌球蛋白-Va可與MS上的Rab36競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，從而影響捕獲過程[16]。

3.2 Rab27a-Mlph-肌球蛋白-Va三元運(yùn)輸復(fù)合體

MS被AF捕獲后，在AF富集的樹突尖端區(qū)域進(jìn)行局部、短距離運(yùn)動(dòng)。對(duì)依賴AF的MS運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)很大程度上依賴于格林塞利綜合征(Griscelli syndr-ome，GS)。GS是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，以皮膚色素減退、銀發(fā)、免疫缺陷及毛干內(nèi)大量簇狀色素沉著為特征。電鏡下可見皮損處MC核周有大量正常、成熟MS異常沉積。Rab27A、肌球蛋白-Va和黑素親和素(melanophilin，Mlph)發(fā)生異?；蚧蛲蛔兎謩e導(dǎo)致GS-Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型[3]。這些突變細(xì)胞中的MS向樹突尖端轉(zhuǎn)移受阻，在MC的核周區(qū)域聚集，表明AF介導(dǎo)的運(yùn)輸存在缺陷。

MS沿AF向樹突尖端的運(yùn)輸以及分散狀態(tài)的維持是由成熟MS表面表達(dá)的Rab27A依次招募Mlph和肌球蛋白-Va所形成的Rab27A-Mlph-肌球蛋白-Va三元運(yùn)輸復(fù)合物所介導(dǎo)的。以往普遍認(rèn)為MT和AF及其相關(guān)的運(yùn)動(dòng)蛋白在長(zhǎng)距離和短距離細(xì)胞器運(yùn)輸中起互補(bǔ)作用。然而，在MT耗竭的細(xì)胞中，肌球蛋白-Va也能迅速(速度>1 μm/min)將MS運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外周的樹突尖端部位(距離>10 μm)，表明AF和三元運(yùn)輸復(fù)合物在MS遠(yuǎn)距離運(yùn)輸中也具有一定作用[17]。

3.3 依賴AF的MS運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控

依賴AF的MS運(yùn)輸過程受到Rab27A、Mlph和肌球蛋白-Va之間相互作用、與AF的結(jié)合情況及其他蛋白的調(diào)控。

Rab27A是MITF的直接作用靶點(diǎn)，Rab27A-交換蛋白(Rab27A-GDP/GTP exchange protein，Rab3GEP)可激活Rab27A并靶向到MS膜上，促進(jìn)MS轉(zhuǎn)運(yùn)[18]。異甘草素(isiquiritigenin，ISL，甘草根中提取的一種黃酮類化合物)可激活MAPK/ERK通路而降低MITF的表達(dá)，導(dǎo)致Rab27A的表達(dá)降低，抑制MS轉(zhuǎn)運(yùn)[19]。而原卟啉IX(protoporphyrin IX，PPIX)通過激活cGMP/PKG信號(hào)通路誘導(dǎo)MITF及Rab27A的表達(dá)增加，促進(jìn)MS運(yùn)輸[20]。Mlph在三元運(yùn)輸復(fù)合體中起連接作用，是關(guān)鍵的中間物質(zhì)，其表達(dá)受糖皮質(zhì)激素受體(glucocorticoid receptor，GR)的調(diào)節(jié)[21]。16-Kauren-2-beta-18,19-triol(一種從熱帶植物-Asteraceae psiadia punctulata中提取的天然二萜類化合物)可在不影響Rab27A和肌球蛋白-Va表達(dá)的情況下選擇性抑制Mlph在mRNA和蛋白水平的表達(dá)，從而抑制MS轉(zhuǎn)運(yùn)[22]?？乖鲋车鞍?prohibitin，PHB/BAP32)可通過增強(qiáng)Rab27A和Mlph之間的相互作用調(diào)節(jié)MS轉(zhuǎn)運(yùn)[23]。突觸結(jié)合蛋白樣蛋白2-a(synaptotagmin-like protein 2，Slp2-a/Sytl2)也可與Rab27A及Mlph相互作用，對(duì)MS依賴AF的運(yùn)輸過程進(jìn)行調(diào)控[13]。Mlph的C端肌動(dòng)蛋白結(jié)合域(actin binding domain，ABD)的磷酸化狀態(tài)可以調(diào)控MS對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道的選擇，低水平cAMP使大量Mlph去磷酸化，肌球蛋白-Va活性降低后與MS分離，使MS傾向于與MT結(jié)合而向細(xì)胞核的聚集，而中等水平至高水平的cAMP使Mlph磷酸化，發(fā)揮抑制動(dòng)力蛋白的作用，增強(qiáng)與肌球蛋白-Va的結(jié)合，在不增加Rab27A-Mlph-肌球蛋白-Va三元運(yùn)輸復(fù)合體形成情況下促進(jìn)MS與AF結(jié)合，使MS向樹突尖端分散[24]。肌球蛋白-Va的ATP酶活性受RILPL2調(diào)節(jié)后可加強(qiáng)肌球蛋白-Va與Mlph的作用，從而調(diào)節(jié)MS依賴AF的運(yùn)動(dòng)[16]。

4 問題與展望

MS直接影響皮膚和毛發(fā)的顏色，在保護(hù)人體和皮膚健康方面也具有重要作用，其運(yùn)輸缺陷會(huì)導(dǎo)致多種色素相關(guān)性疾病。MS從MC核周向外周轉(zhuǎn)運(yùn)的過程是動(dòng)力蛋白、驅(qū)動(dòng)蛋白和肌球蛋白分別與MT和AF相互作用的結(jié)果，然而，此運(yùn)輸過程及相關(guān)調(diào)控機(jī)制尚未完全明確，MT如何與AF協(xié)同運(yùn)輸MS，MS運(yùn)輸?shù)姆较蛐匀绾伪痪_調(diào)控，生物體內(nèi)的MS運(yùn)輸機(jī)制是否和體外實(shí)驗(yàn)完全相同，仍有待進(jìn)一步研究。深入研究MC內(nèi)MS運(yùn)輸及調(diào)控機(jī)制，有助于揭示MS運(yùn)輸障礙相關(guān)色素性疾病的發(fā)病及調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)潛在的治療靶點(diǎn)，為臨床治療提供新的思路和方向。