内源性皮肤衰老研究新进展

徐晓庆 程 晖 杨 森

安徽医科大学第一附属医院皮肤科，安徽医科大学皮肤病研究所，合肥，230022

衰老是一个全身性的问题，一直备受关注，而皮肤衰老则是对于衰老这一现象最直观的体现，也是研究衰老机制最直接和首选的模型。皮肤衰老是一个复杂而连续的生物过程，受到内外因素的共同影响[1]。外源性衰老主要包括：电离和非电离辐射、空气污染、天然有害气体(如臭氧和高浓度氧气)、吸烟、病原菌入侵、病毒、异物及机械应力等因素引起的衰老，其中主要为发生在暴露区域的紫外线照射引起的光老化，暴露在阳光下的皮肤同时受到UV-A(320～400 nm)和UV-B(290～320 nm)辐射的影响。UV-A射线能量较低，但能更深地穿透真皮层。它们通过产生活性氧(ROS)诱导DNA、蛋白质和脂质损伤以及真皮重塑改变[2,3]。

内源性衰老又称为自然衰老，主要表现在非暴露区域由内在因素引起的衰老，包括年龄老化、生理老化、皮肤中胶原蛋白和弹性蛋白合成能力下降及细胞质和细胞间质流动性降低等原因引起的衰老。内源性衰老具有明显的特征，如变薄、干燥、皱纹细小、出汗不足以及对温度的敏感性增加等[4]。随着年龄的增长，非暴露部位皮肤首先表现为表皮层变薄，表皮网脊消失，并伴随着真皮乳头的衰减，导致皮肤抵抗能力下降[5]。基底细胞总数和MCM2+基底细胞数目都随年龄增加而减少，即表皮干细胞及其细胞分裂随着年龄的增长而减少[6]。表皮、真皮、皮下组织及各层之间连接成分等，随着内源性衰老过程上调或下调，造成皮肤结构完整性逐渐丧失，脆弱性逐渐增加[7]。诸多因素共同作用，导致皮肤衰老。

内源性衰老是一个复杂的生物学过程，包括各种内在因素如DNA损伤与表观基因组、自由基、皮肤相关蛋白、线粒体损伤、端粒缩短等导致的衰老。皮肤由于其暴露性和可及性，使得我们可以从多角度去分析衰老的发生和发展。

1 DNA损伤与表观基因组

DNA损伤的积累是与年龄相关退化的病理的主要驱动因素，并被认为是衰老的标志之一[8]。各种不同原因导致的DNA损伤或突变可导致不同衰老表型。DNA损伤通过内分泌信号、炎症反应和代谢改变系统地影响机体[9]。Kim等[10]通过比较不同月龄组ERCC1-/∆小鼠与野生型对照组小鼠的皮肤组织研究发现ERCC1缺乏导致小鼠皮肤细胞衰老继而导致细胞凋亡，且发现皮肤干细胞耗竭可能是ERCC1-/∆小鼠皮肤过早老化的主要原因。年轻细胞中P16启动子过表达可表现出衰老表型，在小鼠中敲除p16后衰老延迟[11]。Salzer等[12]对不同月龄小鼠真皮细胞进行流式细胞分选，纯化后的细胞进行全转录组分析，发现老年成纤维细胞的主要细胞外基质基因(包括胶原和糖胺聚糖)及其分泌相关基因的表达显著减少，而成纤维细胞的改变是皮肤衰老的重要原因之一。

线粒体DNA损伤也在皮肤衰老中起重要作用。随着年龄增大，线粒体DNA的突变和缺失在组织的增殖过程中不断积累。线粒体DNA 4977bp的延伸区，包括呼吸链复合体I、IV和V的编码基因，在老年人皮肤中经常缺失。且这种缺失在70岁以上的人的皮肤中更为明显。在最近的一项研究中，Singh等构建了线粒体DNA聚合酶POLG1诱导性敲除小鼠模型，这些小鼠出生后普遍存在线粒体DNA缺失，典型表现包括广泛的皮肤皱纹和皮毛脱落，终止突变的POLG1表达可以使皮肤病理恢复到野生型水平[13]。Hutchinson-Gilford早衰症(HGPS)是一种非常罕见的先天性疾病，它是由LMNA基因的异常剪接和突变产物progerin的表达引起的，progerin的积累会引起细胞核形态异常、基因表达失调、DNA修复缺陷、端粒缩短和基因组不稳定，这些都限制了细胞的增殖能力。在携带这种突变的患者中，儿童时期会出现严重的早衰症，包括皮肤早衰[14]。由此可以推测，部分特殊线粒体DNA缺失或突变可导致或诱导皮肤老化。

表观遗传机制直接调节皮肤的稳态和再生，标志着细胞生理和病理衰老过程。表观遗传通过调节包括p16INK4a、p63等因子来影响真皮、表皮行为控制衰老进程，表观遗传途径的松动会导致表观基因组不稳定，进而导致皮肤老化[3]。表观基因组包括DNA甲基化和组蛋白修饰，在体细胞的整个生命周期中都是不稳定的。DNA损伤是与年龄相关的表观遗传学变化的主要驱动因素[9]。DNA甲基化是衰老生物标记的表观遗传时钟，与衰老强烈相关，且甲基化的改变可以影响衰老的进程[15]。组蛋白的多聚ADP核糖基化和多聚ADP核糖聚合酶1(PARP1)本身促进单链断裂的修复，在碱基切除修复中充当蛋白质的着陆平台。多聚ADP-核糖化严重减少细胞NAD+池，这可能引发细胞凋亡或间接抑制Sirtuin蛋白，进而影响全基因组染色质乙酰化和DNA修复导致衰老发生[16]。所以，可以认为表观基因组的改变可以影响细胞衰老，包括皮肤衰老。

2 自由基

活性氧(ROS)是自由基的代表，ROS的积聚和由此引起的氧化应激可诱导和加速衰老过程，包括皮肤衰老。活性氧(ROS)是线粒体有氧代谢电子传递链的副产物，积累可引起的氧化应激导致脂质、蛋白质、核酸和细胞器的损伤从而导致细胞衰老的发生。除遗传因素外，ROS是内源性衰老的主要原因。在皮肤中，大约1.5%～5%的耗氧量通过内在过程转化为ROS[17]。而皮肤衰老的各种因素中，大多数是通过活性氧导致皮肤衰老，如光老化等。 ROS聚积可以直接损伤DNA、蛋白质和脂质，触发胶原生成的下调，导致真皮老化[18]。ROS的积累主要由于蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPs)的失活导致受体酪氨酸激酶(RTK)的激活引起，由此RTK发生磷酸化，以及下游的信号通路MAPK(丝裂原活化蛋白激酶)家族等被激活[19]。相应的ROS可通过刺激丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和激活由c-Fos和c-Jun组成的异二聚体激活蛋白1(AP-1)来诱导基质金属蛋白酶(MMPs)的表达[19,20]。MMPs是衰老相关分泌表型(SASP)的主要组成之一，SASP由衰老细胞表达又反过来破坏微环境、损害组织结构和功能，从而促进局部和全身衰老相关的病理以及促进癌症，同时SASP抑制巨噬细胞对真皮中衰老细胞的清除导致衰老细胞的积累进而加重组织细胞的衰老[19,21]。MMPs还可以通过特异性针对和分解胶原和弹性蛋白纤维来介导皮肤衰老[18]。ROS和激活的丝裂原活化蛋白激酶信号通路可以激活NF-κB，从而影响介导炎症的多种细胞因子的表达[22]。活化的NF-κB又反应性的促进ROS的进一步产生，加重皮肤衰老[23]。综上，ROS通过各种机制交互作用促进包括皮肤在内衰老的发生及发展。

3 皮肤相关蛋白

皮肤分为表皮、真皮和皮下，蛋白成分在细胞骨架中起到重要作用，由各种原因导致的蛋白成分的改变可以影响皮肤的结构和功能。皮肤衰老伴随着胶原蛋白的减少，胶原蛋白中羟脯氨酸含量最高，羟脯氨酸主要存在于皮肤胶原蛋白中，其他组织中几乎不存在羟脯氨酸[24]。真皮胶原蛋白密度随着年龄增加逐渐减少，且不受紫外线影响[5]，提示真皮胶原蛋白减少为内源性皮肤衰老过程。在衰老过程中，真皮成纤维细胞逐渐增加金属蛋白酶(MMPs)的产生，金属蛋白酶可降解基质成分并抑制胶原合成，导致表皮锚定、皮肤松弛和间质液体减少[7]。Russell-Goldman等[5]对年轻人和老年人的原代角质形成细胞进行的表达显著失调的定量蛋白质组学分析和蛋白质印迹分析证实，微管蛋白β-3链可能是皮肤老化的生物标志物。Langton等[7]的一项研究中，对不同年龄组高加索人的非暴露部位皮肤进行活检、切片免疫组化染色分析，发现同青年组相比，老年组的XVII型胶原、IV型胶原、整合素β4、层粘连蛋白332的分布和强度均显著降低。Ma等近期一项研究中，采用传统的数据依赖获取(DDA)质谱技术，建立并分析了20名健康受试者(10名青年和10名老年人)掌侧皮肤蛋白质的谱库，发现与青年组(对照组)相比，老年组(实验组)共有95个蛋白质表达差异(57个上调，38个下调)[25]。半桥粒组分XVII胶原(COL17A1)在单个干细胞中的差异表达产生了细胞竞争的驱动力，小鼠体内克隆分析和体外3D建模表明，表达高水平COL17A1的干细胞更有竞争力和增殖能力，而COL17A1的表达随着年龄的增长而显著减少，由此产生的半桥粒脆性和干细胞分层会耗尽邻近的黑素细胞和成纤维细胞，从而促进皮肤老化[6]。细胞周期控制蛋白p16INK4a是细胞衰老的标志。研究表明，细胞周期控制蛋白p16INK4a阳性的皮肤细胞数量在长寿家庭后代的皮肤中表达较少，其通过影响弹性纤维形态来影响皮肤衰老[26]。以上均表明皮肤相关蛋白数量、分布及比例的变化是皮肤衰老的重要因素之一。

4 线粒体损伤

皮肤是一个更新代谢能力很强的器官，其高效的周转率取决于其祖细胞的快速增殖。而皮肤的这些代谢和增殖是由线粒体呼吸来提供能量需求的。线粒体呼吸过程，不可避免的产生许多活性氧(ROS)，而研究表明活性氧引起的氧化损伤是包括衰老和癌症等疾病的病理生理分子基础。Hamanaka等[27]发现，皮肤特异性线粒体转录因子A(TFAM)基因敲除小鼠，出生后因表皮屏障功能受损和正常皮毛缺乏导致新生儿死亡率高。并且，从这些小鼠皮肤中分离的原代角质形成细胞在体外也不能分化[27]。近期，Mellem等[28]研究了年轻人和老年人皮肤中的线粒体网络，发现角质形成细胞中的线粒体群集明显减少，年轻皮肤的表皮细胞中线粒体物理网络高度连接，而年长者的线粒体网络明显碎裂，显示出循环不良和过度吞噬线粒体态。综上，线粒体对皮肤正常生长发育至关重要，线粒体损伤可导致皮肤功能障碍甚至衰老，且是导致皮肤时间性衰老的条件之一。

5 端粒缩短与其他

端粒缩短是诱导细胞衰老的最早也是最具特征性的机制之一[8,29]。端粒是一种特殊的结构，由一个短的、多重复的非转录序列(TTAGGG)和一些结合蛋白组成，它是细胞持续分裂的先决条件，是细胞复制不可或缺的条件之一[30]。端粒是衰老的生物标志物之一[29]。端粒通过保护染色体不被核酸酶降解、防止染色体之间的末端连接来维持染色体结构的稳定。细胞每分裂一次，染色体末端的端粒就会丢失约30～200 bp。细胞多次分裂后端粒变得非常短，重要的DNA片段在随后的分裂过程中丢失导致细胞功能丧失，促使皮肤衰老的发生[31]。

机体内分泌环境的改变是内源性皮肤衰老主要因素之一，其中雌激素对皮肤衰老的影响最显著。雌激素可以显著调节皮肤生理，靶向角质形成细胞、成纤维细胞、黑素细胞、毛囊和皮脂腺，促进血管生成、伤口愈合和免疫反应[32]。研究表明，与双侧卵巢未切除妇女相比，双侧卵巢切除妇女的皮肤弹性和保湿性降低，皮肤皱纹增多[33]。由此推测雌激素水平降低可能是皮肤衰老的重要因素之一。

microRNAs在皮肤发育和功能中发挥至关重要的作用，且参与皮肤衰老的发病机制[34]，但机制尚不清楚，有待进一步研究与证实。

6 小结

衰老是一个复杂、机制尚未明确的过程。皮肤衰老是体内细胞衰老的代表，是人体衰老的直接体现，是遗传和环境因素共同作用的结果，研究皮肤衰老的发生发展机制对于探究生命衰老本质有重要意义。随着全世界人口老龄化的进展，人们对生命本质的探索、对抗衰老的追求必然愈演愈烈。时间不停的推进着衰老的发生，而各种内源性因素或加快、或减慢衰老进程。致力于衰老的深入研究，有助于我们健康缓慢的老去。

近年来，越来越多的科学家致力于全方位、多角度的探索衰老的机制，如饮食、睡眠、心理精神、运动、生物节律等方面和衰老的关系。期待着有突破性的角度和证据来帮助我们解开衰老神秘的面纱，为诸多衰老相关疾病的治疗提供新的理念和方法。