人体皮肤的颜色主要受黑素合成、分泌及代谢过程的影响,该过程主要包括:①黑素细胞内黑素小体的装配与黑素合成;②黑素小体由细胞核周围向树突远端转移;③黑素小体传递至邻近角质形成细胞;④黑素小体在角质形成细胞内再分布、降解。目前,已知有多种体内外因素影响着黑素的合成、分泌与代谢,如紫外线、阿皮素类激素、炎性因子、某些药物(氢醌霜等)及一些皮肤色素沉着异常性疾病,而黑素细胞在受到体内外刺激因素作用下其胞内黑素的合成与分泌主要有下面几条信号转导通路参与调控:分别是腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路、丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)通路、二酯甘油/ 蛋白激酶C (DAG/ PKC) 通路、一氧化氮/ 环磷酸鸟苷/ 蛋白激酶G(NO/ cGMP/ PKG)通路,但是各条信号转导通路在黑素合成、分泌过程中的具体作用,与其他途径相比作用强度如何及相互之间存在怎样的关联等,目前仍不十分清楚,本文就每条信号转导通路分别在黑素合成、分泌过程中的作用机制及相互之间的关联性综述如下。
1腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路
腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路是最常见的一种信号通路,细胞外信号主要通过不同的配体和靶细胞膜上的相应受体结合后,改变腺苷酸环化酶的活性,从而控制细胞内cAMP的水平。cAMP可激活蛋白激酶A(PKA),从而调节细胞的物质代谢和基因表达。而在黑素合成中, 腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路通过调节黑素合成中的多个环节来发挥作用。有研究显示,在肾上腺皮质功能衰竭征和库欣综合征的患者中都能见到皮肤的过度沉着现象,而它们都产生过量的促肾上腺皮质激素(ACTH)[1]。因α-黑素细胞刺激素(α-MSH)过度合成而引起皮肤的色素过度沉着病例也曾被报道。最近发现在阿皮黑皮质素前体基因的突变的患者中, 亦出现严重肥胖和头发色素沉着的现象,这可能是因为影响了体内α-MSH和ACTH的合成[2]。在培养人的黑素细胞和老鼠的黑素瘤细胞时,也发现α-MSH和ACTH 参与调控黑素的生成和黑素细胞树突化,而这些现象都可以被cAMP激动因子如: 毛喉素 (FK),霍乱毒素(CT) ,环磷酸腺苷 (IBMX) 所模拟。最近研究表明黑素体内的pH值对黑素合成是个重要的调控因素,而α-MSH和cAMP通路可以调节黑素体内的pH值,当使用PKA抑制剂H89时,可以抑制cAMP通路,并且导致黑素体酸化[3-4]。这些都可以说明腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路参与黑素合成[5]。
腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路还通过小的GTP-结合蛋白来调节黑素细胞树突化[6]。 黑素细胞树突化或树突的生长,对黑素合成是个非常重要的特征,并且也是保证黑素转移到角质形成细胞的必需过程。如促黑素细胞刺激激素和磷脂酶C(LPC)都可以激活细胞内腺苷酸环化酶,通过第二信号cAMP通路,促进黑素细胞的树突化,有利于黑素小体的传递[7-8]。一直以来,在黑素细胞中的cAMP通路被认为是与α-MSH / MC-1R信号有关。当MC-1R与多种配体结合后,使AMP 转化为cAMP,激活cAMP依赖蛋白激酶(PKA),cAMP进一步激活酪氨酸激酶,从而活化酪氨酸酶(TYR)及酪氨酸酶相关蛋白1、2生成增多,活性增强,促进黑素合成的增加[9-10]。但是最近研究发现,在没有刺鼠蛋白存在的灭活鼠上,阿黑皮素诱导产生了黑色鼠[11],因此有学者提出,在黑素细胞膜上G蛋白受体不仅仅是通过MC-1R来激活腺苷酸活化酶促进cAMP合成[12]。而且最近在黑素细胞中发现许多新的促进因子,如儿茶酚胺、乙酰胆碱、B内啡呔、β-MSH 和雌激素等,因而发现许多关于cAMP 合成的新的受体,如β- 肾上腺素能受体,蕈碱受体(M1、M3、M5),阿片剂受体,αβ雌激素受体,β-MSH受体,MC-4R受体,干细胞因子(SCF)及其KIT受体和促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)等,而且CRF还可以刺激人阿黑皮素原(POMC)和ACTH的合成[13-14],这些都说明cAMP在黑素合成中是多个受体介导的复杂过程。
研究还发现POMC蛋白合成需要钙离子参与,POMC合成转化酶有两个特异性钙离子结合区域,而这是酶激活所必需的。细胞内钙有较高的与黑素结合亲和力且与钙调蛋白结合有相同的亲和力,并且可以调控黑素细胞内的氧化还原反应。
2丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路
丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号途径是一种丝裂原活化的蛋白激酶超家族,该信号传导通路的核心是由3种蛋白激酶(MAPKKK,MAPKK,MAPK)构成的蛋白激酶反应链,主要包括了3个信号传导途径:细胞外调节蛋白激酶(extra cellular regulated protein kinases,ERK)通路,c-jun氨基末端激酶(c-jun N terminal kinase,JNK)通路,p38通路来调控细胞间代谢、基因表达和对外界压力的反应等[15]。当配体与膜受体结合后,激活受体胞浆面的酪氨酸蛋白激酶,催化受体自身酪氨酸残基磷酸化,受体发生二聚化后自身具备酪氨酸蛋白激酶(TPK)活性并催化胞内区酪氨酸残基自身磷酸化,通过多种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的级联激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK),进行磷酸化和激活转录因子,从而调节细胞的增殖和分化[16]。
有研究发现脂多糖(LPS)在黑素细胞中能够促进色素沉着,而且是通过p38 MAPK的激活,从而在其中发挥重要作用, 而在使用MAPK抑制剂SB203580,几乎能完全消除LPS引起的黑素合成的增加[17]。在B16F10老鼠黑素瘤中, 使用胎盘类脂物质(Placental total lipid fraction, PTLF)后, 通过p38 MAPK的磷酸化,能促进黑素生成,若使用MAPK抑制剂SB203580, 则可以完全抑制PTLF引起的色素沉着[18]。在使用羽扇醇作用于B16 2F2细胞时,其对黑素合成的调节也是通过p38MAPK信号通路发挥作用的[19]。有研究表示沼泽蓝莓花青素有助于色素沉着,而减轻紫外线B照射引起的光老化现象,机制有可能是ATH-BBe阻断c-jun和p53(可以做为p38直接作用底物)氨基末端激酶磷酸化而抑制MAPK信号通路有关。而且ATH-BBe也可以影响与MAPK信号传导通路有关的转录因子(STAT-1),从而发挥作用[20]。这些都能说明MAPK通路在黑素合成中的作用。而MAPK通路和腺苷酸环化酶/ cAMP依赖蛋白激酶通路之间是相互联系的。在许多类型细胞中,cAMP被报道可以抑制MAP激酶途径。然而在B16黑素细胞和正常人黑素细胞中,cAMP可以上调激活MAPK[21]。有研究显示,在使用Bone Morphogenetic Protein (BMP-4)处理黑素细胞时,能够激活MAPK而引起短暂的激活MITF(黑素生成蛋白主要的转录因子)的磷酸化,而长期的使用则引起MITF表达下降,可能与cAMP有关[22]。
3二酯甘油/ 蛋白激酶C (DAG/ PKC) 途径
在这一信号转导途径中,膜受体与其相应的第一信使分子结合后,激活膜上的Gq蛋白(一种G蛋白),然后由Gq蛋白激活磷酸酯酶Cβ(phospholipase Cβ, PLC), 将膜上的脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositol biphosphate,PIP2)分解为两个细胞内的第二信使:DAG和IP3,最后通过激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),引起级联反应,进行细胞的应答。在细胞培养和活体内都证明DAG(内源性PKC的激活剂)能够刺激黑素合成,而黑素合成可以被PKC抑制剂或细胞内PKC的衰竭阻止。用DAG直接外搽豚鼠皮肤也会引起类似中波紫外线(UVB)照射皮肤所产生的皮肤晒黑着色,而在豚鼠皮肤使用DAG抑制剂时,能够减轻色素沉着[23]。而在蟾蜍的动物实验中,褪黑素(松果体激素)能引起蟾蜍载黑素细胞中黑素颗粒的聚集,这是通过激活载黑素细胞中的PKC途径,而不是直接影响黑素颗粒的转运。这种作用可以通过PKC抑制剂Ro31-8220而被阻止[24]。DAG/PKC途径在黑素合成中起主要调控作用的是PKC-β亚型,它能通过磷酸化丝氨酸残端而激活酪氨酸酶[25]。此外,有报道称,激活的PKC-β通过膜受体与黑素体相互作用。在PKC和PKA通路可能存在某些交叉部分,通过cAMP刺激基因转录(包括PKC)来放大它们黑素生成中的调控作用。其他 PKC亚型,如α,ε,ξ和δ可能也参与黑素细胞分化和增殖的调控[26]。
目前研究还表明IP3/DAG途径除了合成cAMP,还能释放其他第二信使物质如钙来调控黑素的合成。在黑素细胞中,钙信号受去甲肾上腺素/α肾上腺素和ACTH 1-17/MC-1R级联调控。IP3/DAG信号通路也控制PKC-β的激活,依次通过激活在C末端丝氨酸的磷酸化而激活酪氨酸酶,通过IP3而从粗面内质网释放细胞内的钙,激活L-苯丙氨酸从而转化成L-酪氨酸,从而提供足够浓度的酪氨酸来保证黑素的合成。
4一氧化氮/环磷酸鸟苷/蛋白激酶G(NO/cCMP/PKG)
NO是由精氨酸向瓜氨酸转化,通过NO合成酶而生成的自由基气体, 而NO被认为是一种主要的细胞内外信使。NO通过激活可溶解的鸟苷酸环化酶,引起细胞内cGMP表达的增加,激活cGMP依赖蛋白激酶通路。NO和cGMP都被认为是由紫外线引起的红斑的中间介质。在人类的黑素细胞中,NO供体和cGMP类似物刺激黑素合成。而且,紫外线照射能增加NO和cGMP产生,而紫外线在黑素合成的作用可以被鸟苷酸环化酶抑制剂和NO合酶抑制所阻断。这些现象都说明在由紫外线导致的黑素合成中,NO和cGMP都起了重要的调控作用,抑制NO和cGMP的产生能够阻止紫外线引起的黑素合成作用[27]。钟桂书等[28]通过在活体豚鼠皮下注射大黄有效成分大黄素次酸,结果显示大黄素次酸对黑素细胞及黑素合成的调控作用是通过NO信号介导途径。TsatmMi等[29]研究也发现,通过紫外线和脂多糖(LPS)处理人类黑素细胞,发现NO释放增加,再使用α-MSH处理,此效应增强;而用诱导型一氧化氮合酶(iNOS)抑制剂氨基胍(AMG)处理时,此效应被阻断,由此认为α-MSH刺激的NO增加是由诱导型一氧化氮合酶(iNOS)介导的。Romero-Graillet等[30]在观察紫外线照射角质形成细胞后,对角质形成细胞产生NO的影响时发现,紫外线通过活化角质形成细胞中eNOS(内皮型一氧化氮合酶)分泌NO。使用NO清除剂时,经紫外线射的角质形成细胞合成黑素的作用几乎完全消失,加入NO供体后黑素细胞的TYR活性和黑素的合成增加,这个作用与TYR和酪氨酸相关蛋白-1的增加量呈正相关。而且在羊驼皮肤的黑素细胞培养中,发现NO可以通过提高MC-1R来加强α-MSH促进黑素合成的作用[31]。这些都说明一氧化氮/ 环磷酸鸟苷/ 蛋白激酶G(NO/ cGMP/ PKG)通路参与黑素合成。
综上所述,人体黑素细胞中黑素的合成、分泌是一项复杂、精确调控的过程,有多种信号转导途经的参与调控并相互关联,且此过程受多种体内外刺激因素的影响。在正常生理状态下,何种信号转导途经起主导作用,其他途经怎样协同参与调控,目前仍需进一步研究。而在一些由外界刺激因素作用下皮肤获得性色素沉着异常或由自身疾病影响而产生的色素沉着异常性疾病,何种信号转导途经出现异常调控黑素合成、分泌,亦需要进一步研究。如能对调控黑素合成、分泌的信号转导途经全面了解,掌握其调控步骤的关键点,则可以对皮肤获得性色素沉着异常或色素沉着异常性疾病的治疗提供指导意义。
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[收稿日期]2010-08-14 [修回日期]2010-10-24
编辑/李阳利