Notch信号通路在遗传性色素障碍性皮肤病的研究进展

王臻 李明 姚志荣

Notch信号通路在遗传性色素障碍性皮肤病的研究进展

王臻 李明 姚志荣

色素障碍性皮肤病主要由黑素细胞功能障碍或数目异常所致，严重影响皮肤外观。近期一系列研究报道，Notch信号通路组成部分功能的异常或缺失与人类遗传性色素障碍性皮肤疾病发病相关。Notch信号通路是一条高度保守的调控细胞分化增殖凋亡的信号传导途径，但其如何导致色素异常的致病机制尚不明确。探讨Notch信号通路在遗传性色素障碍性皮肤病的研究进展，为理解遗传因素在黑素细胞生长发育和功能中发挥的作用提供了新视野。

皮肤疾病，遗传性；色素沉着异常；黑素细胞；遗传；Notch信号通路

1 Notch信号通路的组成与传导途径

Notch基因于1919年在果蝇体内发现，该基因的部分功能缺失会在果蝇翅膀的边缘造成缺口（Notch），Notch基因由此而得名。Notch信号通路是一条高度保守的信号传导途径，广泛存在于从无脊椎动物到脊椎动物等多个物种之中，由受体、配体和DNA结合蛋白3部分构成。在哺乳动物中存在4种同源受体，即 Notch1、Notch2、Notch3、Notch4，配体有 5 种，即 Jag1、Jag2、DLL1、DLL3、DLL4。Notch 受体为跨膜糖蛋白，均由胞内区、跨膜区和胞外区组成，胞外区含有29～36个表皮生长因子样重复序列。蛋白O岩藻糖转移酶1（POFUT1）蛋白和Rumi蛋白使Notch受体糖基化，相邻细胞上的Notch受体和Notch配体结合后，受体构象改变暴露出蛋白水解酶的酶切位点，随后经去整合素-金属蛋白酶（ADAM）蛋白酶和γ促分泌酶复合体2次蛋白水解后释放出具有核定位信号的胞内段，并进入细胞核内，激活其下游的靶基因，如Hes家族（hairy enhance of split-1）、核因子 κB、细胞周期蛋白 D1、c-myc等，从而参与调控细胞的分化、增殖和凋亡等［1］。

2 皮肤与Notch信号通路

皮肤的生长发育依赖一系列的信号通路调控。对皮肤角质形成细胞来说，Notch信号通路的的级联反应对协调细胞分化和增殖均非常重要，从而影响个体发育和内环境稳定。Notch信号通路上的变化，会导致上皮及其附属器严重异常，如皮肤屏障功能障碍。另外，Notch信号通路受损还和皮肤病有关，如特应性皮炎和肿瘤［2］。其中，Notch-1可以促进角质形成细胞分化，这与伤口愈合、银屑病、基底细胞癌有关［3］，Notch1的活化还与黑素瘤血管的生成有关［4］。而Notch3则介导了黑素瘤细胞-内皮细胞之间的联系，影响黑素瘤细胞的迁移［5］。

作者单位：200092，上海交通大学医学院附属新华医院皮肤科

3 Notch信号通路与色素障碍性皮肤病

色素障碍性皮肤病是皮肤科常见的一大类疾病，临床上一般将其分为色素减退、色素增加和色素异常，严重影响患者的美观。这类疾病主要是由于黑素细胞功能障碍或者数目异常所致，其中有很多是由于单基因突变所致，如，遗传性对称性色素异常症、家族性进行性色素过度沉着症、斑驳病、白化病等［6］。虽然，上述Notch信号通路的基因突变或功能异常导致的人类疾病，临床表型上均未见明显的皮肤及毛发色素异常，但一系列细胞和动物模型研究显示，Notch信号通路在毛囊黑素细胞系的发育过程中起作用。Moriyama等［7］研究发现，Hes1基因可阻止黑素细胞启动凋亡程序，从而支持未成熟黑素细胞的存活，否则小鼠毛发变灰。 Kumano等［8］发现，携带Notch1和Notch2复合杂合性丢失的小鼠，出生以后毛发颜色变灰。同样 Schouwey等［9］也发现，Notch1和Notch2基因复合杂合突变后，小鼠毛发的颜色变灰，但皮肤和脉络膜的颜色无明显变化。因此，研究者推测，Notch1和Notch2膜受体对于毛发黑素母细胞和黑素干细胞的生长至关重要，以维持正常的毛发颜色。至于Notch1和Notch2的功能改变是如何导致毛发颜色改变的机制目前尚未阐明。直到2013年，研究人员陆续发现几种人类色素障碍性皮肤病与Notch信号通路上的基因突变或功能异常有关。白癜风是一种原发性皮肤黏膜色素脱失症，目前认为，其为多基因多因素遗传以及遗传和环境交互作用引起了黑素细胞的自我破坏，从而导致白癜风皮损色素脱失。Seleit等［10］发现，Notch1不活化导致白癜风患者的表皮和毛囊黑素细胞减少。

Li等［11］收集1例中国泛发型遗传性屈侧网状色素异常症（Dowling-Degos病）大家系，将该家系致病基因定位于20号染色体，对于先证者进行全外显子测序，发现 POFUT1基因突变为 c.430G＞T（p.Glu144*），共分离研究后证实该基因为该家系的致病基因。POFUT1基因编码岩藻糖转移酶1，使Notch受体表皮生长因子样重复序列糖基化。同时在另一家系中得到验证，存在POFUT1基因c.482delA（p.Lys161Serfs*42）突变。患者皮损在电镜下，可见到黑素细胞的数目并无明显改变，而黑素细胞内的黑素小体明显较正常个体减少。他们用Morpholino技术敲除斑马鱼POFUT1基因，观察到斑马鱼卵受精48 h呈现色素减退，受精72 h呈现色素分布异常，这一特征性的表型与患者的临床表型相一致。相应地，斑马鱼卵小眼畸形相关的转录因子和酪氨酸酶在mRNA表达水平下降，酪氨酸酶活性、黑素蛋白含量下降。这些功能学研究提示，POFUT1基因单倍型剂量不足可能影响黑素细胞合成黑素的能力。

Basmanav等［12］通过全外显子测序分析，发现蛋白O-葡萄糖基转移酶1（POGLUT1）基因突变导致遗传性屈侧网状色素异常症Galli-Galli亚型，13例患者有9种突变。POGLUT1基因位于3号染色体，编码葡萄糖转移酶1，包括Rumi蛋白，和POFUT1蛋白一样使Notch受体糖基化。通过蛋白模型软件模拟，9种POGLUT1基因突变产生的蛋白产物有不同程度的结构异常，包括蛋白截短，免疫印迹技术也证实了这点。免疫组化显示，POGLUT1蛋白主要分布于表皮上层（棘层和颗粒层），而患者表皮中POGLUT1蛋白含量下降50%。通过共聚焦显微镜可观察到，免疫荧光标记的野生POGLUT1蛋白位于HEK293T细胞内质网上，而截短的POGLUT1蛋白则聚集过多。作者认为Notch信号通路不但影响了色素，还影响了角质形成细胞的生长发育形态。

有学者通过全外显子测序分析，ADAM10基因突变导致常染色体显性遗传肢端网状色素沉着症。北村网状肢端色素沉着症患者组织病理显示，表皮黑素细胞增多，可见巨大黑素颗粒［13］。而2014年Masakazu 等［14］则发现，ADAM17 蛋白酶抑制剂可使正常黑素细胞合成黑素蛋白及酪氨酸酶活性下降，电镜下还可观察到成熟黑素小体数量剧减，多见空泡小室。ADAM基因编码的ADAM蛋白酶，在Notch信号通路上水解受体酶切位点，活化Notch受体，使其释放核定位信号，激活下游靶基因。

POFUT1、POGLUT1、ADAM 基因均为 Notch 信号通路的重要上游基因，其功能的不足势必会导致该信号通路严重的缺陷。在遗传性屈侧网状色素异常症和常染色体显性遗传肢端网状色素沉着症患者中，表现为肢端网状色素沉着和屈侧或非屈侧网状色素异常，除了皮肤色素异常外，其他系统如：心血管系统、中枢神经系统、血液系统和骨骼系统等并无明显异常，甚至患者的毛发颜色也未见明显改变。

5 结语

Notch信号通路参与调控细胞的分化、增殖和凋亡，究竟是如何影响人类皮肤色素尚不清楚。现有研究认为，Notch信号通路可能影响了角质形成细胞的生长发育形态和黑素细胞合成黑素的能力。Notch信号通路是否通过影响表皮黑素细胞的增殖，从而提高或降低细胞合成黑素的能力？还是Notch信号通路参与调控黑素细胞-角质形成细胞的平衡，从而影响了黑素颗粒的代谢？是否存在别的调控途径，即使POFUT1、POGLUT1、ADAM 功能不足，Notch信号通路仍能激活下游靶基因，使得患者其他系统组织不受影响？这些问题为研究黑素细胞生长发育生物学功能和Notch信号通路作用提供了新的视野，有助于解开人类维持皮肤正常颜色和发生遗传性色素障碍性皮肤病之谜。

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［13］ Basmanav FB,Oprisoreanu AM,Pasternack SM,et al.Mutations in POGLUT1,encoding protein O-glucosyltransferase 1,cause autosomal-dominant Dowling-Degos disease ［J］.Am J Hum Genet,2014,94（1）:135-143.DOI:10.1016/j.ajhg.2013.12.003.

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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）

国家自然科学基金（81472867）；上海交通大学医学院院基金（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

姚志荣，Email:dermatology.yao@sohu.com

本文主要缩写：POFUT1：蛋白O-岩藻糖转移酶1，ADAM：去整合素-金属蛋白酶，POGLUT1：蛋白O-葡萄糖基转移酶1