內(nèi)源性皮膚衰老研究新進展

徐曉慶 程 暉 楊 森

安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院皮膚科，安徽醫(yī)科大學皮膚病研究所，合肥，230022

衰老是一個全身性的問題，一直備受關(guān)注，而皮膚衰老則是對于衰老這一現(xiàn)象最直觀的體現(xiàn)，也是研究衰老機制最直接和首選的模型。皮膚衰老是一個復(fù)雜而連續(xù)的生物過程，受到內(nèi)外因素的共同影響[1]。外源性衰老主要包括：電離和非電離輻射、空氣污染、天然有害氣體(如臭氧和高濃度氧氣)、吸煙、病原菌入侵、病毒、異物及機械應(yīng)力等因素引起的衰老，其中主要為發(fā)生在暴露區(qū)域的紫外線照射引起的光老化，暴露在陽光下的皮膚同時受到UV-A(320～400 nm)和UV-B(290～320 nm)輻射的影響。UV-A射線能量較低，但能更深地穿透真皮層。它們通過產(chǎn)生活性氧(ROS)誘導(dǎo)DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷以及真皮重塑改變[2,3]。

內(nèi)源性衰老又稱為自然衰老，主要表現(xiàn)在非暴露區(qū)域由內(nèi)在因素引起的衰老，包括年齡老化、生理老化、皮膚中膠原蛋白和彈性蛋白合成能力下降及細胞質(zhì)和細胞間質(zhì)流動性降低等原因引起的衰老。內(nèi)源性衰老具有明顯的特征，如變薄、干燥、皺紋細小、出汗不足以及對溫度的敏感性增加等[4]。隨著年齡的增長，非暴露部位皮膚首先表現(xiàn)為表皮層變薄，表皮網(wǎng)脊消失，并伴隨著真皮乳頭的衰減，導(dǎo)致皮膚抵抗能力下降[5]。基底細胞總數(shù)和MCM2+基底細胞數(shù)目都隨年齡增加而減少，即表皮干細胞及其細胞分裂隨著年齡的增長而減少[6]。表皮、真皮、皮下組織及各層之間連接成分等，隨著內(nèi)源性衰老過程上調(diào)或下調(diào)，造成皮膚結(jié)構(gòu)完整性逐漸喪失，脆弱性逐漸增加[7]。諸多因素共同作用，導(dǎo)致皮膚衰老。

內(nèi)源性衰老是一個復(fù)雜的生物學過程，包括各種內(nèi)在因素如DNA損傷與表觀基因組、自由基、皮膚相關(guān)蛋白、線粒體損傷、端粒縮短等導(dǎo)致的衰老。皮膚由于其暴露性和可及性，使得我們可以從多角度去分析衰老的發(fā)生和發(fā)展。

1 DNA損傷與表觀基因組

DNA損傷的積累是與年齡相關(guān)退化的病理的主要驅(qū)動因素，并被認為是衰老的標志之一[8]。各種不同原因?qū)е碌腄NA損傷或突變可導(dǎo)致不同衰老表型。DNA損傷通過內(nèi)分泌信號、炎癥反應(yīng)和代謝改變系統(tǒng)地影響機體[9]。Kim等[10]通過比較不同月齡組ERCC1-/?小鼠與野生型對照組小鼠的皮膚組織研究發(fā)現(xiàn)ERCC1缺乏導(dǎo)致小鼠皮膚細胞衰老繼而導(dǎo)致細胞凋亡，且發(fā)現(xiàn)皮膚干細胞耗竭可能是ERCC1-/?小鼠皮膚過早老化的主要原因。年輕細胞中P16啟動子過表達可表現(xiàn)出衰老表型，在小鼠中敲除p16后衰老延遲[11]。Salzer等[12]對不同月齡小鼠真皮細胞進行流式細胞分選，純化后的細胞進行全轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)老年成纖維細胞的主要細胞外基質(zhì)基因(包括膠原和糖胺聚糖)及其分泌相關(guān)基因的表達顯著減少，而成纖維細胞的改變是皮膚衰老的重要原因之一。

線粒體DNA損傷也在皮膚衰老中起重要作用。隨著年齡增大，線粒體DNA的突變和缺失在組織的增殖過程中不斷積累。線粒體DNA 4977bp的延伸區(qū)，包括呼吸鏈復(fù)合體I、IV和V的編碼基因，在老年人皮膚中經(jīng)常缺失。且這種缺失在70歲以上的人的皮膚中更為明顯。在最近的一項研究中，Singh等構(gòu)建了線粒體DNA聚合酶POLG1誘導(dǎo)性敲除小鼠模型，這些小鼠出生后普遍存在線粒體DNA缺失，典型表現(xiàn)包括廣泛的皮膚皺紋和皮毛脫落，終止突變的POLG1表達可以使皮膚病理恢復(fù)到野生型水平[13]。Hutchinson-Gilford早衰癥(HGPS)是一種非常罕見的先天性疾病，它是由LMNA基因的異常剪接和突變產(chǎn)物progerin的表達引起的，progerin的積累會引起細胞核形態(tài)異常、基因表達失調(diào)、DNA修復(fù)缺陷、端?？s短和基因組不穩(wěn)定，這些都限制了細胞的增殖能力。在攜帶這種突變的患者中，兒童時期會出現(xiàn)嚴重的早衰癥，包括皮膚早衰[14]。由此可以推測，部分特殊線粒體DNA缺失或突變可導(dǎo)致或誘導(dǎo)皮膚老化。

表觀遺傳機制直接調(diào)節(jié)皮膚的穩(wěn)態(tài)和再生，標志著細胞生理和病理衰老過程。表觀遺傳通過調(diào)節(jié)包括p16INK4a、p63等因子來影響真皮、表皮行為控制衰老進程，表觀遺傳途徑的松動會導(dǎo)致表觀基因組不穩(wěn)定，進而導(dǎo)致皮膚老化[3]。表觀基因組包括DNA甲基化和組蛋白修飾，在體細胞的整個生命周期中都是不穩(wěn)定的。DNA損傷是與年齡相關(guān)的表觀遺傳學變化的主要驅(qū)動因素[9]。DNA甲基化是衰老生物標記的表觀遺傳時鐘，與衰老強烈相關(guān)，且甲基化的改變可以影響衰老的進程[15]。組蛋白的多聚ADP核糖基化和多聚ADP核糖聚合酶1(PARP1)本身促進單鏈斷裂的修復(fù)，在堿基切除修復(fù)中充當?shù)鞍踪|(zhì)的著陸平臺。多聚ADP-核糖化嚴重減少細胞NAD+池，這可能引發(fā)細胞凋亡或間接抑制Sirtuin蛋白，進而影響全基因組染色質(zhì)乙?；虳NA修復(fù)導(dǎo)致衰老發(fā)生[16]。所以，可以認為表觀基因組的改變可以影響細胞衰老，包括皮膚衰老。

2 自由基

活性氧(ROS)是自由基的代表，ROS的積聚和由此引起的氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)和加速衰老過程，包括皮膚衰老?；钚匝?ROS)是線粒體有氧代謝電子傳遞鏈的副產(chǎn)物，積累可引起的氧化應(yīng)激導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸和細胞器的損傷從而導(dǎo)致細胞衰老的發(fā)生。除遺傳因素外，ROS是內(nèi)源性衰老的主要原因。在皮膚中，大約1.5%～5%的耗氧量通過內(nèi)在過程轉(zhuǎn)化為ROS[17]。而皮膚衰老的各種因素中，大多數(shù)是通過活性氧導(dǎo)致皮膚衰老，如光老化等。 ROS聚積可以直接損傷DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，觸發(fā)膠原生成的下調(diào)，導(dǎo)致真皮老化[18]。ROS的積累主要由于蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPs)的失活導(dǎo)致受體酪氨酸激酶(RTK)的激活引起，由此RTK發(fā)生磷酸化，以及下游的信號通路MAPK(絲裂原活化蛋白激酶)家族等被激活[19]。相應(yīng)的ROS可通過刺激絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和激活由c-Fos和c-Jun組成的異二聚體激活蛋白1(AP-1)來誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的表達[19,20]。MMPs是衰老相關(guān)分泌表型(SASP)的主要組成之一，SASP由衰老細胞表達又反過來破壞微環(huán)境、損害組織結(jié)構(gòu)和功能，從而促進局部和全身衰老相關(guān)的病理以及促進癌癥，同時SASP抑制巨噬細胞對真皮中衰老細胞的清除導(dǎo)致衰老細胞的積累進而加重組織細胞的衰老[19,21]。MMPs還可以通過特異性針對和分解膠原和彈性蛋白纖維來介導(dǎo)皮膚衰老[18]。ROS和激活的絲裂原活化蛋白激酶信號通路可以激活NF-κB，從而影響介導(dǎo)炎癥的多種細胞因子的表達[22]。活化的NF-κB又反應(yīng)性的促進ROS的進一步產(chǎn)生，加重皮膚衰老[23]。綜上，ROS通過各種機制交互作用促進包括皮膚在內(nèi)衰老的發(fā)生及發(fā)展。

3 皮膚相關(guān)蛋白

皮膚分為表皮、真皮和皮下，蛋白成分在細胞骨架中起到重要作用，由各種原因?qū)е碌牡鞍壮煞值母淖兛梢杂绊懫つw的結(jié)構(gòu)和功能。皮膚衰老伴隨著膠原蛋白的減少，膠原蛋白中羥脯氨酸含量最高，羥脯氨酸主要存在于皮膚膠原蛋白中，其他組織中幾乎不存在羥脯氨酸[24]。真皮膠原蛋白密度隨著年齡增加逐漸減少，且不受紫外線影響[5]，提示真皮膠原蛋白減少為內(nèi)源性皮膚衰老過程。在衰老過程中，真皮成纖維細胞逐漸增加金屬蛋白酶(MMPs)的產(chǎn)生，金屬蛋白酶可降解基質(zhì)成分并抑制膠原合成，導(dǎo)致表皮錨定、皮膚松弛和間質(zhì)液體減少[7]。Russell-Goldman等[5]對年輕人和老年人的原代角質(zhì)形成細胞進行的表達顯著失調(diào)的定量蛋白質(zhì)組學分析和蛋白質(zhì)印跡分析證實，微管蛋白β-3鏈可能是皮膚老化的生物標志物。Langton等[7]的一項研究中，對不同年齡組高加索人的非暴露部位皮膚進行活檢、切片免疫組化染色分析，發(fā)現(xiàn)同青年組相比，老年組的XVII型膠原、IV型膠原、整合素β4、層粘連蛋白332的分布和強度均顯著降低。Ma等近期一項研究中，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)依賴獲取(DDA)質(zhì)譜技術(shù)，建立并分析了20名健康受試者(10名青年和10名老年人)掌側(cè)皮膚蛋白質(zhì)的譜庫，發(fā)現(xiàn)與青年組(對照組)相比，老年組(實驗組)共有95個蛋白質(zhì)表達差異(57個上調(diào)，38個下調(diào))[25]。半橋粒組分XVII膠原(COL17A1)在單個干細胞中的差異表達產(chǎn)生了細胞競爭的驅(qū)動力，小鼠體內(nèi)克隆分析和體外3D建模表明，表達高水平COL17A1的干細胞更有競爭力和增殖能力，而COL17A1的表達隨著年齡的增長而顯著減少，由此產(chǎn)生的半橋粒脆性和干細胞分層會耗盡鄰近的黑素細胞和成纖維細胞，從而促進皮膚老化[6]。細胞周期控制蛋白p16INK4a是細胞衰老的標志。研究表明，細胞周期控制蛋白p16INK4a陽性的皮膚細胞數(shù)量在長壽家庭后代的皮膚中表達較少，其通過影響彈性纖維形態(tài)來影響皮膚衰老[26]。以上均表明皮膚相關(guān)蛋白數(shù)量、分布及比例的變化是皮膚衰老的重要因素之一。

4 線粒體損傷

皮膚是一個更新代謝能力很強的器官，其高效的周轉(zhuǎn)率取決于其祖細胞的快速增殖。而皮膚的這些代謝和增殖是由線粒體呼吸來提供能量需求的。線粒體呼吸過程，不可避免的產(chǎn)生許多活性氧(ROS)，而研究表明活性氧引起的氧化損傷是包括衰老和癌癥等疾病的病理生理分子基礎(chǔ)。Hamanaka等[27]發(fā)現(xiàn)，皮膚特異性線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)基因敲除小鼠，出生后因表皮屏障功能受損和正常皮毛缺乏導(dǎo)致新生兒死亡率高。并且，從這些小鼠皮膚中分離的原代角質(zhì)形成細胞在體外也不能分化[27]。近期，Mellem等[28]研究了年輕人和老年人皮膚中的線粒體網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)形成細胞中的線粒體群集明顯減少，年輕皮膚的表皮細胞中線粒體物理網(wǎng)絡(luò)高度連接，而年長者的線粒體網(wǎng)絡(luò)明顯碎裂，顯示出循環(huán)不良和過度吞噬線粒體態(tài)。綜上，線粒體對皮膚正常生長發(fā)育至關(guān)重要，線粒體損傷可導(dǎo)致皮膚功能障礙甚至衰老，且是導(dǎo)致皮膚時間性衰老的條件之一。

5 端?？s短與其他

端?？s短是誘導(dǎo)細胞衰老的最早也是最具特征性的機制之一[8,29]。端粒是一種特殊的結(jié)構(gòu)，由一個短的、多重復(fù)的非轉(zhuǎn)錄序列(TTAGGG)和一些結(jié)合蛋白組成，它是細胞持續(xù)分裂的先決條件，是細胞復(fù)制不可或缺的條件之一[30]。端粒是衰老的生物標志物之一[29]。端粒通過保護染色體不被核酸酶降解、防止染色體之間的末端連接來維持染色體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。細胞每分裂一次，染色體末端的端粒就會丟失約30～200 bp。細胞多次分裂后端粒變得非常短，重要的DNA片段在隨后的分裂過程中丟失導(dǎo)致細胞功能喪失，促使皮膚衰老的發(fā)生[31]。

機體內(nèi)分泌環(huán)境的改變是內(nèi)源性皮膚衰老主要因素之一，其中雌激素對皮膚衰老的影響最顯著。雌激素可以顯著調(diào)節(jié)皮膚生理，靶向角質(zhì)形成細胞、成纖維細胞、黑素細胞、毛囊和皮脂腺，促進血管生成、傷口愈合和免疫反應(yīng)[32]。研究表明，與雙側(cè)卵巢未切除婦女相比，雙側(cè)卵巢切除婦女的皮膚彈性和保濕性降低，皮膚皺紋增多[33]。由此推測雌激素水平降低可能是皮膚衰老的重要因素之一。

microRNAs在皮膚發(fā)育和功能中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，且參與皮膚衰老的發(fā)病機制[34]，但機制尚不清楚，有待進一步研究與證實。

6 小結(jié)

衰老是一個復(fù)雜、機制尚未明確的過程。皮膚衰老是體內(nèi)細胞衰老的代表，是人體衰老的直接體現(xiàn)，是遺傳和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，研究皮膚衰老的發(fā)生發(fā)展機制對于探究生命衰老本質(zhì)有重要意義。隨著全世界人口老齡化的進展，人們對生命本質(zhì)的探索、對抗衰老的追求必然愈演愈烈。時間不停的推進著衰老的發(fā)生，而各種內(nèi)源性因素或加快、或減慢衰老進程。致力于衰老的深入研究，有助于我們健康緩慢的老去。

近年來，越來越多的科學家致力于全方位、多角度的探索衰老的機制，如飲食、睡眠、心理精神、運動、生物節(jié)律等方面和衰老的關(guān)系。期待著有突破性的角度和證據(jù)來幫助我們解開衰老神秘的面紗，為諸多衰老相關(guān)疾病的治療提供新的理念和方法。