黑素核在黑素转运与降解中的作用

2020-01-11耿清伟宋秀祖

中华皮肤科杂志 2020年8期

耿清伟宋秀祖

杭州市第三人民医院皮肤科310009

表皮内黑素细胞（melanocyte，MC）与邻近的角质形成细胞（keratinocyte，KC）组成表皮黑素单元。皮肤颜色取决于MC合成黑素的能力、黑素转运到KC的效率及黑素在KC内降解的速率［1⁃2］。近年来黑素转运及降解在影响皮肤颜色中的作用越来越受到重视。既往研究认为，黑素小体（melanosome）是黑素转运与降解的主要载体，新近研究发现的黑素核（melanin core 或melanocore）胞吐-胞吞转运途径及转运后在KC内的降解过程为黑素研究带来新视角。

一、黑素核与黑素转运

1.黑素核与胞吐-胞吞转运途径：既往研究［3］认为，黑素转运存在胞吐-胞吞、脱落-吞噬、细胞吞噬、膜融合途径，这4 种途径可能同时存在于黑素转运过程中，但不同转运途径在表皮拥有不同生理功能。研究显示［1⁃2］，胞吐-胞吞途径在黑素转运中发挥关键作用，表皮基底层的MC合成黑素，黑素与淀粉样基质聚合形成黑素核，之后形成具有膜结构的黑素小体，随着MC树突不断延长，黑素从树突中泌出，被KC 吞噬，形成胞吐-胞吞转运途径。不同转运途径转运入KC内的黑素周围具有不同膜结构，在胞吐-胞吞途径中，既往认为具有膜结构的黑素小体负责转运，而新近研究证实，无膜包裹的黑素核是黑素转运的主要形式。Tarafder等［4］通过透射电镜观察正常人表皮发现，KC 和MC 外间隙是无膜包裹的黑素核，而转运到KC内的黑素核则大部分被单层膜包裹，进一步通过共聚焦显微镜与冷冻免疫电镜发现，KC内的黑素核上无酪氨酸酶相关蛋白1（TYRP1）表达，TYRP1是黑素小体膜的标记蛋白，证实KC内包裹黑素核的单层膜来自KC。之后的多项研究［5⁃7］也观察到了KC 和MC细胞间隙中存在无膜包裹的黑素核。Correia等［8］研究发现相比墨鱼分泌的黑素、合成的黑素、人黑素瘤细胞系MNT⁃1细胞分离出的黑素体，使用Vivaspin超滤离心管离心MNT⁃1细胞培养基所提取的黑素核与KC 共培养后可以有效地转运至KC 内，并在核周形成“黑素帽”结构，这提示只有有效分离出的黑素核才可有效转运。黑素核在保护皮肤抵御紫外线的损伤中具有重要作用。Yi 等［5］发现，受损的黑素核不能保护表皮KC细胞核抵御紫外线的损伤，表明具有完整结构的黑素核是维持保护功能的关键。

2.胞吐过程影响因素：包括Rab11b和KC的作用。

（1）Rab11b：Rab 蛋白在调节囊泡形成、转运、锚定、融合方面具有“分子开关”作用。研究显示［9］，Rab11a 和Rab11b 的缺失可致MC 内黑素集聚。Tarafder 等［4］发现，Rab11b 的缺失可导致KC 诱导的黑素胞吐显著减少，而Rab27a缺失则对黑素胞吐无明显影响；而通过共聚焦显微镜可见Rab11b聚集于MC核周围，与黑素小体非常相近，但很少与黑素小体膜标记TYRP1 以及未成熟黑素小体标记PMEL17共定位，这说明MC内的Rab11b定位在与黑素小体邻近的囊泡中，并不在未成熟的黑素小体上。

（2）KC 的作用：研究发现［4，10］，MC 和KC 共培养可诱导MC分泌更多的黑素，KC可分泌多种细胞因子如ɑ促黑素细胞生长激素（ɑ⁃MSH）、前列腺素E2（PGE2）等影响MC 的生物学性状。张园园等［11］发现，MC与KC共培养后MC表面坑状结构增多，认为这些坑状结构与MC胞吐黑素小体有关，可能是胞吐后留下的印迹，分别予ɑ⁃MSH、PGE2与KC共培养均可以促进MC表面坑状结构增多，胞吐增强。

3. 胞吞过程影响因素：包括蛋白激酶受体2（PAR2）、Rab5和紫外线。

（1）PAR2：KC 表面的PAR2 参与调控摄取黑素的胞吞过程［12］。Correia等［8］从MNT⁃1细胞组织匀浆中提取出有膜结构的黑素小体和从培养基中分离出分泌的无膜的黑素核，分别添加到培养的小鼠KC 中发现，黑素小体和黑素核都可被KC 吞入胞内，但只有黑素核的摄取依赖PAR2信号通道，且只有被吞噬的黑素核可在KC核周形成“黑素帽”结构。这提示无膜的黑素核的摄取和分布受信号传导通路的调控。

（2）Rab5：在膜转运过程中具有重要作用，是内涵体融合和胞吞的限制性蛋白［13］。Correia 等［8］发现，KC 对黑素核的摄取依赖早期内涵体效应子Rab5，而晚期内涵体Rab7和Rab9对黑素核的摄取无影响。

（3）紫外线：紫外线照射可促进黑素核向KC 转运。Yi等［5］将MNT⁃1细胞中提取的黑素核与KC共培养，使用UVB照射后KC 内的黑素核明显增加，这些黑素核可在KC 核周形成“黑素帽”结构。紫外线照射可诱导PAR2高表达，并促进PAR2在KC膜上的移位和激活，增强KC对黑素小体的吞噬，从而促进和加速黑素转运；而且PAR2表达及对紫外线的敏感性与皮肤类型相关，肤色越深PAR2表达越强，对紫外线的诱导效应越强［14］。

二、黑素核转运后的降解

黑素核转运到KC 后被溶酶体膜包被再次形成黑素小体。不同肤色KC内具有不同大小、形态的黑素小体。先前研究认为，浅色皮肤中黑素小体较小，2 ～10个成簇聚集于溶酶体中，在棘层中部降解；而深色皮肤中黑素小体较大，孤立分布于溶酶体中，降解速率相对浅色皮肤慢［15］。Hurbain 等［7］发现，多种肤色中孤立和成簇的黑素核可同时存在，深色皮肤中成簇黑素核比例明显减少；通过电子断层分析不同肤色KC中黑素核的三维结构发现，所有皮肤类型中孤立和成簇分布的黑素核都被单层外膜包裹并嵌入一个不均匀的、电子致密的未知成分基质中，浅色皮肤中基质的边缘密度较小且模糊，提示黑素存在一定的降解。Minwalla等［16］通过透射电镜发现，将浅色皮肤KC 与深色皮肤MC 共培养后，黑素成簇分布；而将深色皮肤KC与浅色皮肤MC共培养后，黑素孤立存在，提示KC 内的特异性调节因子决定了黑素的分布和降解。

黑素是吲哚和醌与蛋白质结合的高分子聚合物，具有超强的抗酸能力，对强碱也有一定耐受；溶酶体水解酶可以降解黑素小体黑素以外的成分，但黑素核的超微结构仍很难被破坏［17］。随着表皮KC的分化，其胞内的黑素也不断被降解［18］，黑素在KC内的降解机制目前仍未完全阐明。

1. 溶酶体与黑素降解：溶酶体是膜结合细胞器，内有50 多种酸性水解酶，通过内吞、吞噬和自噬途径降解大分子物质［19］。黑素小体是一种溶酶体相关细胞器（LROs），其与内涵体及溶酶体具有相同特征，具有酸性pH 和晚期内涵体/溶酶体标记物等［20］。既往研究证实［21⁃22］，黑素转运到KC后被膜包裹后降解。Hurbain等［7］及Correia等［8］的研究均发现，包裹黑素核的单层膜具有内涵体/溶酶体的标记蛋白LAMP2和CD63，黑素核周围则被一些早期内涵体标记物所包裹；但研究同时也观察到转运至KC内的黑素核并未立即降解，可在KC 内维持至少7 d，且KC 内的黑素小体也不呈酸性。这提示大多数黑素小体并未被内涵体/溶酶体水解酶活跃地降解，可能只是包裹在KC 特定的细胞器内。Hurbain等［7］通过三维立体重建技术发现，KC内黑素核与大量细胞器结构接触，包括粗面及光面内质网、线粒体、来源不明的小管状膜。推测这些接触可能导致KC 内黑素小体的膜重构，从而可能调控黑素小体结构和功能变化，在黑素降解中发挥作用。

2.自噬与黑素降解：自噬过程起始于细胞内游离的吞噬泡，吞噬泡不断延伸、融合，最终形成双层膜的自噬体，自噬体或者内涵体形成的自噬内涵体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，被吞噬的物质在自噬溶酶体内降解［23］。研究［21⁃22，24］显示，自噬可以调节KC 内黑素水平，且浅肤色者的自噬水平更活跃。Hurbain等［7］在表皮角质层中检测到大量与自噬相关的微管相关蛋白轻链，但在KC和MC内的黑素小体膜上并未检测到。因此，推测自噬通路可能通过下游信号间接控制KC中黑素降解，且这些信号与肤色有关。Kim等［25］发现，微小miRNA⁃1299过度表达可抑制酪氨酸酶和精氨酸酶2（ARG2）表达，而敲除miRNA⁃1299后二者表达上调；进一步研究发现，黄褐斑皮损处miRNA⁃1299 表达下调且ARG2 表达上调，推测ARG2 通过抑制KC 自噬功能减缓黑素小体降解，导致黄褐斑皮肤色素沉着发生。

3.组织蛋白酶V（CTSV）与黑素降解：溶酶体内含有多种水解酶，CTSV 是溶酶体中的一种酸性水解酶，在降解过程中发挥重要作用。研究显示［26］，CTSV在浅色皮肤中的表达显著高于深色皮肤，表明浅色皮肤中的降解功能活跃。Yi等［5］发现，KC内的CTSV对黑素核有水解作用，紫外线照射后KC 内CTSV 的mRNA 表达和酶活性均显著下降，黑素核的降解被抑制，导致色素沉着。Homma等［27］发现，正常皮肤CTSV在表皮全层均高度表达，而在色素沉着性皮损处基底层CTSV 表达显著低于角质层，黑素小体数量显著增加；CSTV 基因敲除后，KC 内黑素降解显著受到抑制，推测CSTV可能在黑素降解中发挥关键作用。