黑素皮質激素受體－１結構和功能

袁　磊　張余光

黑素皮質激素受體屬于G蛋白偶聯受體（GPCR）超家族中的A類，現共發現有五種黑素皮質激素受體（MC1R～MC5R）。黑素皮質激素受體-1（MC1R）在人類正常黑色素細胞和黑色素瘤細胞中均有表達，在膚色和發色形成中起主要作用。此外，MC1R在培養的正常角質形成細胞、毛細血管內皮細胞中也有表達[1-2]。

1MC1R的結構

人類MC1R基因分別由Chhajlani和Mountjoy兩個研究組在1992年克隆出來。MC1R由317氨基酸組成，含有7個跨膜區，N端位于胞外，C端在胞內。

1.1 胞外N端結構特征：多數膜蛋白N末端都含有協同新生蛋白質定位到內質網的信號肽，但是移除MC1R的N末端頭部27氨基酸對其定位或在COS細胞中的表達沒有影響[1] 。N端氨基酸殘基Ser6、Glu269和Thr272的突變會導致與激動劑結合力明顯降低，這表明膜外環形結構含有與重要配體結合的位點。MC1R的N端有15NSTP18和29NQTG32兩個糖基化氨基酸殘基序列[2-3]，N端糖基化有何作用目前還不太明確。靠近N末端和第一個跨膜區含有存在于所有MCR中的Pro殘基，該殘基突變成Gly或Ala均會使MC1R活性降低[4-5]。

1.2 膜外環區域：膜外環區域的結構和MCR受體的功能完整性有很大關系。MC1R的膜外環都很小，同時所有MCR都有第二個膜外環較短的特點[6-7]。第三個膜外環結構相對較為保守，富含Pro和Cys。Chhajlani [8]等與1996年發現第三個跨膜環上氨基酸殘基Glu269和Thr272突變成Ala會導致受體和激動劑結合力下降。氨基酸殘基Cys273突變成Gly會使受體功能喪失[6]。

1.3 胞內C端結構特點：C端長度為19個氨基酸，其中6個在現有5種MCR中是相同的。MCR1同其他G蛋白偶聯受體類似，胞內部分含有G蛋白結合域和信號傳遞相關功能區域。這些功能域所包含的Ser和Thr殘基的磷酸化會使受體失敏感，具有調節細胞攝取的功能。Sánchez-Más等[9]報道C端最后五個氨基酸缺失將會導致受體功能障礙。這些研究提示MC1R功能與C端的完整性有關。

2MC1R和配體的作用

2.1 阿片-促黑素細胞皮質素原（POMC）是促黑素細胞激素家族前體，這個家族包括α、β、γ-促黑色素細胞激素（MSH）及促腎上腺皮質激素（ACTH）等。人體正常黑色素細胞和角質形成細胞也能夠生成POMC中的α-MSH和ACTH[10-11]。MC1R激動劑包括α-MSH和ACTH等，它們與受體結合后通過活化腺苷酸環化酶，提高cAMP水平，從而增加細胞內真黑素的含量[12-13]。此種作用能夠被人小眼畸形蛋白調控[14]。人類MC1R和α-MSH親和力最高，和ACTH也有也相近的親和力，β-MSH相對較小，γ-MSH親和力最小[15]。這些研究提示γ-MSH對色素產生沒有明顯促進作用。α-MSH同時還具有能促進培養的黑色素細胞增殖的能力[16]。因α-MSH或ACTH與MC1R結合后能使MC1R的mRNA表達量增加，從而不出現G蛋白偶聯受體長期與激動劑作用而引起的脫敏現象，同時還能夠持續進行有絲分裂并形成黑色素 [17]。膚色是由表皮中黑素的產生和分布決定的。表皮黑素單位是一種產生和轉運黑素的功能單位，它是由一個黑素細胞和鄰近的大約36個角質形成細胞組成的特殊結構，黑素體轉運至鄰近的角質形成細胞中，分布于角質形成細胞核周，可使表皮和真皮免受紫外線損害。關于黑素生成的過程目前研究較多。在黑素細胞內，含有黑素的黑素體從最初的核周細胞質轉移至突起是由微管蛋白以及肌動蛋白組成的運動蛋白介導的，黑素體被角質形成細胞攝取，并分散到細胞漿中，從而決定皮膚膚色。研究發現，細胞骨架成分在促進黑素小體的轉移中發揮了重要作用。α-MSH和MC1R結合后能夠增加黑素小體生成和黑色素細胞樹突生長，并能夠誘導細胞支架肌動蛋白絲重構，促進黑素小體傳遞[18]。

2.2 Agouti信號蛋白（ASP）是MC1R另外一種類型配基。Agouti基因編碼Agouti信號蛋白，人、狐貍、豬、綿羊等的Agouti基因相繼被發現[19-20]。不同物種的Agouti基因及Agouti信號蛋白有較高的同源性。人的Agouti基因位于染色體20ql1.2區，編碼ASP。ASP由132個氨基酸構成。人與鼠的Agouti基因同源性可高達85％,Agouti信號蛋白同源性更高達89％[19]。ASP能夠競爭抑制α-MSH與受體的結合，從而起到MC1R抑制劑作用。Suzuki等[21]在1997年發現ASP具有完全抑制α-MSH促進黑色素細胞有絲分裂和黑色素生成的作用，并且明顯抑制了酪氨酸酶相關蛋白-1(TRP-1)的表達。體外黑素細胞培養實驗證實，加入ASP可拮抗α-MSH，抑制黑素細胞內的cAMP水平升高、抑制TRP-1和TRP-2的表達，使黑素細胞從合成真黑素轉向合成褐黑素[22]。在體外培養人和鼠的黑素細胞時，發現ASP通過與MCR1結合，拮抗α-MSH的信號傳導，使cAMP生成下降，幾乎完全抑制TRP-1和TRP-2的表達，但僅輕微抑制TYR的活性。這些研究表示ASP可以抑制真黑素和誘導褐黑素的生成，MC1R可能在真黑素和褐黑素生成過程中起關鍵作用。

3MC1R和UVA相互作用

3.1 黑色素存在于人的表皮細胞中，影響著人的膚色。不同人種由于遺傳基因不同，表皮中的黑色素含量不盡相同而呈現不同膚色特征。黑色素在對抗UVR所導致的光老化和致癌效應中起極其重要的保護作用。

3.2 Pawelek等在1992年發現了黑色素細胞上的MSH受體是UVR的感受器。小鼠黑色素瘤Cloudman細胞經過UVR照射后，α-MSH和其受體的結合協同能力增強，同時MSH受體表達也增加[23]。從而說明MSH受體和阿片-促黑素細胞皮質原來源的肽類在UVR引起的生物效應中起關鍵的調控作用。為證實MC1R在此過程中的作用，國外學者用UVR分別在有α-MSH和無α-MSH存在條件下對黑色素細胞進行照射。結果發現在無α-MSH的培養條件下，UVR可抑制酪氨酸酶活性 [24]。只有在α-MSH或者其他cAMP誘導物存在時才能出現UVR所導致的酪氨酸酶活性升高的現象。實驗中還發現無α-MSH或其他cAMP誘導物時酪氨酸酶的含量明顯下降，有α-MSH存在時則相反。值得注意的是UVR會導致黑色素細胞停滯在細胞胞分裂周期的G1期，抑制細胞增殖。若加入α-MSH則能夠使部分黑色素細胞克服UVR生長抑制作用，進入S期。但是這種作用是否是由于修復了UVR所導致的DNA損傷而引起尚待進一步探索。

3.3 UVR能夠使構成人表皮黑色素單位的角質形成細胞分泌IL-1增加，而IL-1能促進角質形成細胞合成內皮素-1、α-MSH、ACTH并可促進黑色素細胞合成ATCH[25]。這四種因子又都可以提高MC1R的mRNA的表達水平。這些研究提示UVR作用在表皮后誘導相關細胞因子生成，這些細胞因子通過旁分泌和自分泌途徑調控MC1R的表達。表皮黑色素細胞膜上的MC1R活化后促進黑色素合成，從而抵抗光線的損傷作用。

4MC1R和皮膚癌

皮膚癌是最常見的癌癥之一，可發生于身體的任何部位。大約80％發生于面部、頭部和頸部，引起受累部位的畸形及其他病損。皮膚癌的病因包括過度紫外線照射，基因變異和遺傳因素等。皮膚類型屬于Ⅰ型或Ⅱ型的個體表皮總黑色素含量較低，Ⅴ或Ⅵ表皮黑色素含量高并且真黑素/褐黑素比例高。前兩者不容易曬黑但皮膚癌的患病率較高，這種現象可能與表皮中真黑素的光保護作用有關。MC1R和皮膚顏色、類型有關，同時MC1R基因存在多型性，它也有可能與皮膚癌存在一定的關系。Valverde等[26]研究提出黑色素瘤病人的MC1R存在某些變異，同時發現Asp84Glu的變異與人黑色素瘤有關。1998年Smith等[27]發現皮膚非黑色素癌與MC1R的等位基因有關。MC1R基因的變異與表皮黑色素瘤產生有很大的相關性，不過此種關聯很大程度上取決于膚色和發色，但并不是所有的變異都會導致金發或紅色頭發的形成[28]，Asp84Glu、Arg142His、Arg151Cys、Arg160Trp、His260Pro和Asp294His的變異與金發和紅發的形成有很大的相關性，而Val60Leu、Val92Met和Arg163Gln的變異與發色變化相關性很小。目前隨相關領域深入研究，不斷有許多新的研究發現。2002年Davies等 [29]發現約66%惡性黑色素瘤中BRAF存在錯義突變。進一步研究表明同時存在MC1R和BRAF兩種基因突變與黑色素瘤形成的相關性更高。在一項針對意大利人和美國人總體做的研究表明MC1R變異會使BRAF基因變異的黑色素瘤發生惡變的可能性增加[30]。MC1R相關作用機制還不是完全清楚，需要進行更多研究去弄清內在關聯。

[參考文獻]

[1]Schioth HB, Petersson S, MucenieceR,et al.Deletions of the N-terminal regions of the human melanocortin receptors[J].FEBS Lett,1997,410(2-3):223-228.

[2]Sánchez MásJ,Olivares Sánchez C,Ghanem G,et al.Loss-of-function variants of the human melanocortin-1 receptor gene in melanoma cells define structural determinants of receptor function[J]. Eur J Biochem,2002,269(24):6133-6141.

[3]Sánchez-Laorden BL,Sánchez-Más J,Martínez-Alonso E,et al.Dimerization of the human melanocortin 1 receptor: Functional consequences anddominant-negative effects[J]. J Invest, Dermatol,2006,126(1):172-181.

[4]Frandberg PA,Doufexis M,Kapas S,et al.Cysteine residues are involved in structure and function of melanocortin 1 receptor: substitution of a cysteine residue in transmembrane segment two converts an agonist to antagonist[J]. Biochem Biophys Res Commun,2001, 281(4):851-857.

[5]Sánchez-Más J,Sánchez-Laorden BL,Guillo LA,et al.The melanocortin-1 receptor carboxyl terminal pentapeptide is essential for MC1R function and expression on the cell surface[J]. Peptides,2005,26(10):1848-1857.

[6]Holst B,Elling CE,Schwartz TW.Metal ion-mediated agonism and agonist enhancement in melanocortin MC1 andMC4 receptors[J].J Biol Chem,2002,277(49):47662-47670.

[7]Ringholm A,Klovins J,Rudzish R,et al.Pharmacological characterization of loss of function mutations of the human melanocortin 1 receptor that are associated with red hair[J].J Invest Dermatol,2004,123(5):917-923.

[8]Chhajlani V, Xu X, Blauw J,et al.Identification of ligand binding residues in extracellular loops of the melanocortin 1 receptor[J]. Biochem Biophys Res Commun,1996,219(2):521-525.

[9]Sánchez-Más J,Sánchez-Laorden BL,Guillo LA,et al. The melanocortin-1 receptor carboxyl terminal pentapeptide is essential for MC1R function and expression on the cell surface [J].Peptides,2005,26(10):1848-1857.

[10]Kippenberger S, Bernd A, Loitsch S. α-MSH is expressed in cultured human melanocytes and keratinocytes[J].Eur J Dermatol, 1995, 5(5):395-397.

[11]Chakraborty AK, Funasaka Y, Slominski A,et al. Production and release of proopiomelanocortin(POMC) derived peptides by human melanocytes and keratinocytes in culture: regulation by ultraviolet B[J].Biochim Biophys Acta,1996, 1313(2):130-138.

[12]D'Orazio JA, Nobuhisa T, Cui R, Arya M, et al. Topical drugrescue strategy and skin protection based on the role of Mc1r in UV-induced tanning[J].Nature,2006,443(7109):340-344.

[13]Barsh G, Gunn T, He L,et al. Biochemical and genetic studies of pigment-type switching[J].Pigment Cell Res,2000,13(Suppl 8):48-53.

[14]Price ER,Horstmann MA, Wells AG, et al. Alpha-melanocyte-stimulating hormone signaling regulates expression of microphthalmia,a gene deficient in Waardenburg syndrome[J].J Biol Chem,1998,273(49):33042-33047.

[15]Suzuki I, Cone RD, Im S,et al.Binding of melanotropic hormones to the melanocortin receptor MC1R on human melanocytes stimulates proliferation and melanogenesis[J].Endocrinology 1996,137(5):1627-1633.

[16]Abdel-Malek Z,Swope VB, Suzuki I,et al. Mitogenic and melanogenic stimulation of normal human melanocytes by melanotropic peptides[J].Proc Natl Acad Sci USA,1995,92(5):1789-1793.

[17]Suzuki I, Cone RD, Im S,et al.Binding capacity andactivation of the MC1 receptors by melanotropic hormones correlate directly with their mitogenic and melanogenic effects on human melanocytes[J]. Endocrinology, 1996,137:1627-1633.

[18]Scott G, Cassidy L, Abdel-Malek Z. -Melanocyte-stimulating hormone and endothelin-1 have opposing effects on melanocyte adhesion, migration, and pp125FAK phosphorylation[J]. Exp Cell Res,1997,237(1):19-28.

[19]Kwon HY, Bultman SJ, Loffler C，et a1.Molecular structure and chromosomal mapping of the human homolog of the agouti gene[J].Proc Natl Acad Sci USA，1994,91(21):9760-9764．

[20]Voisey J,van Daal A．Agouti: from mouse to man，from skin to fat[J].Pigment Cell Res，2002,15：10-18．

[21]Suzuki I, Tada A,Ollmann MM,et al. Agouti signaling protein inhibits melanogenesis and the response of human melanocytes to alpha-melanotropin[J].J Invest Dermatol,1997,108(6): 838-842.

[22]Kobayashi T,Vieira WD,Potterf B,et al.Modulation of melanogenic protein expression during the switch from eu- to pheomelanogenesis[J].J Cell Sci,1995, 108(6): 2301-2309.

[23]Chakraborty A, Slominski A, Ermak G.Ultraviolet B and melanocyte stimulating hormone (MSH) stimulate mRNA production for alpha MSH receptors and proopiomelanocortin derived peptides in mouse melanoma cells and transformed keratinocytes[J]. J Inves Dermatol,1995,105(5): 655-659.

[24]Sungbin IM, Osamu Moro, Fuping Peng, et al. Activation of the cAMP pathway by-melanotropin mediates the response of human melanocytes to UVB light[J].J Cancer Res,1998,58:47-54.

[25]Tada A, Suzuki I, Im S, et al. Endothelin-1 is a paracrine growth factor that modulates melanogenesis of human melanocytes and participated in their response to ultraviolet radiation[J]. Cell Growth Differ,1998,9(7): 575-584.

[26]Valverde P,Healy E, Sikkink S,et al.The Asp84Glu variant of the melanocortin 1 receptor (MC1R) is associated with melanoma[J].Hum Mol Genet,1996,5(10): 1663-1666.

[27]Smith R, Healy E, Siddiqui S,et al.Melanocortin 1 receptor variants in an Irish population[J]. J Invest Dermatol,1998,111(1): 119-122.

[28]Kennedy C,ter Huurne J,Berkhout M,et al.Melanocortin 1 receptor (MC1R) gene variants are associated with an increased risk for cutaneous melanoma which is largely independent of skin type and hair color[J].J Invest Dermatol,2001,117(2):294-300.

[29]Davies H, Bignell GR,Cox C,et al.Mutations of the BRAFgene in human cancer[J].Nature, 2002,417(6892):906-907.

[30]Fargnoli MC, Pike K, Pfeiffer RM,et al. MC1R variants increase risk of melanomas harboring BRAF mutations[J].J Invest Dermatol,2008,128(10):2485-2490.

[收稿日期]2008-10-14[修回日期]2008-12-23

編輯/張惠娟