皮膚光老化的分子機制

光老化是由于皮膚暴露于紫外線下而造成的慢性損傷。UVB可以直接作用于DNA，使其吸收能量，發生突變;UVB與UVA產生的活性氧簇(ROS)可以間接損傷細胞核及線粒體DNA，導致細胞功能異常或凋亡。UV照射產生的ROS可氧化損傷蛋白質及脂質，引起相應功能及結構的異常。紫外線照射可影響皮膚色素代謝:即刻反應為黑素的反應性合成增加及其重新分布;遲發反應為黑素細胞數目增加及活力升高。紫外線可以上調血管內皮細胞生長因子的表達上調，從而引起毛細血管的增生及擴張。同時，紫外線具有免疫抑制作用，導致免疫細胞數量、活力及相關細胞因子表達的改變，但與光老化表現相關性最大的是紫外線引起的真皮細胞外基質成分的比例、質量及功能的改變。臨床上光老化皮膚的主要特征是:皮膚粗糙、干燥，不規則色素沉著，彈性降低及深在性的皺紋。光老化皮膚的特征性改變是:膠原纖維、彈力纖維組織結構缺失，以及無定形彈力蛋白樣物質的沉積。本文重點回顧了皮膚光老化分子機制的研究進展，現綜述如下。

1真皮細胞外基質

真皮細胞外基質的主要成分是膠原纖維網、彈性纖維網和蛋白多糖。膠原纖維是主要的細胞外成分，其中最主要的是I型膠原蛋白。新合成的I型前膠原蛋白被分泌到真皮細胞外間隙，經過相關酶的代謝，形成三螺旋空間復合體，又與其他的細胞外基質蛋白結合(例如:小分子蛋白多糖)，形成結構規則的膠原纖維束，為皮膚提供韌性和抗拉性。彈性纖維網給皮膚提供彈性，而蛋白多糖發揮保濕及生物信號傳導的作用。在光損傷的皮膚中，這三種成分均發生了特定的改變[1-2]。

在光老化的皮膚中，大量的彈性蛋白樣物質在真皮上層及中層堆積，其形成機制目前仍不很清楚，可能是由于原有彈力纖維的降解以及原纖維合成失調造成的。體外實驗發現，在自由基刺激或急性UV照射后，成纖維細胞的彈力纖維和原纖維基因表達上調，但這些物質是結構和功能異常的，并形成典型光損害皮膚中的大量無定形物質[3]。光損害皮膚的膠原蛋白合成減少，與彈力纖維網一樣，膠原纖維網也出現了退化和崩解，未被吸收的膠原纖維片段也部分堆積下來[4]。研究發現，暴露于大量退化膠原蛋白的成纖維細胞，其增殖能力和膠原蛋白的合成能力均降低[5]。

2氧化應激與ROS

紫外線作用于細胞，首先是細胞內發色基團吸收其電磁能量，并將其轉化為化學能量。細胞內發色基團包括:DNA、尿刊酸、芳香族氨基酸等，吸收能量后，與氧分子相互作用，產生活性氧簇(ROS)[6]。ROS可分為兩大類:自由基(例如:超氧自由基和羥自由基)，非自由基成分(單線態氧和過氧化氫)。UVA和UVB均可導致皮膚細胞膜附近產生ROS[7]。當紫外線照射產生的ROS超過了細胞所能消除的能力，氧化與抗氧化平衡被打破，發生氧化應激。嚴重的氧化應激可直接造成細胞凋亡或死亡[8]，而非致死性的氧化應激引起可調節高度程序化的細胞反應。ROS刺激的細胞反應類似于配體激活細胞表面生長因子受體及細胞因子受體的活化反應[9-10]。

3生長因子和細胞因子受體的活化

紫外線作用細胞引起一系列信號傳導通路活化，產生生長因子或細胞因子刺激反應[11]。UV已證明可以引起多種生長因子受體家族的活化，例如:表皮生長因子受體(EGFR)、成纖維細胞生長因子受體(FGFR)[12]、胰島素受體(IR)、血小板源性生長因子受體(PDGFR)等。另外，細胞因子受體同樣可以被活化，包括:TNF-a和IR-1。這些受體活化，并出現聚集和相互作用。研究發現，用相應的細胞因子單一激活EGF、IL-1或TNF-a受體，只能引起相應的信號傳導，而同時激活這三個受體，可誘發與UV照射相似的細胞反應。

在這些受體中，EGFR的激活在眾多信號通路中起關鍵作用，且研究最為深入。EGFR是一個180kDa的跨膜信號蛋白，與配體結合形成同源或異源二聚體，使得特異性酪氨酸殘端磷酸化，再形成信號傳導復合體[13]。這一現象在UV照射皮膚或體外培養皮膚細胞中都得到了觀察。敲除EGFR配體結合段不能阻止UV對于EGFR的激活作用，說明UV引起的EGFR酪氨酸磷酸化是非配體依賴的。UV引起的EGFR活化的具體機制還未完全了解，目前認為是UV照射產生的ROS通過抑制PTPs的活力，導致EGFR酪氨酸的磷酸化[14]。細胞內存在蛋白酪氨酸激酶(PTKs)和蛋白酪氨酸磷酸化酶(PTPs)的動態平衡，而PTPs催化殘基的活性部位N-乙酰半胱氨酸殘基對ROS的氧化作用高度敏感。所以，ROS的氧化作用導致PTPs活力的降低，從而導致EGFR的酪氨酸磷酸化，引起相應的激活效應[15-16]。同樣的機制也發生在UV激活的其他蛋白酪氨酸激酶受體，如:PDGFR、FGFR和IR。UV導致的細胞因子受體活化機制仍需進一步研究，其活化機制可能是涉及非受體酪氨酸酶的活化，例如:Src家族成員。與活化的細胞因子和生長因子受體不同，UV照射下調TGF-bII型受體的水平，從而抑制了TGF-b信號傳導通路[17]。其機制可能是由于抑制了TbRII的轉錄[18]。TGF-b是主要的細胞外基質合成的上調因子，UV照射抑制TGF-b信號通路從而減少前膠原纖維的合成[19]。

4信號傳導與轉錄因子的活化

細胞表面細胞因子和生長因子受體的活化導致相應細胞內信號蛋白的募集，從而介導級聯信號傳導。這些信號傳導復合體的聚集導致GTP偶聯蛋白家族成員:Ras[20]、Rac和Cdc42的激活，而它們又是絲裂原激活蛋白激酶(MAPKs，包括:ERK、JNK和P38)[21]通路的主要上調因子。細胞內神經酰胺含量的增加同樣參與了UV照射所引起的MAPKs通路的活化[22]，它能快速激活Raf-1、MEK1和ERK。UV照射引起的神經酰胺的合成是與ROS合成增加所平行的，且UV引起的神經酰胺的合成可以被自由基清除劑VitE抑制。細胞表面受體活化所涉及的信號通路還包括:PI-3激酶和NF-kB通路。UV激活多種信號傳導通路，導致多種轉錄因子的活化，它們再調節靶基因的表達。在光老化的相關分子機制中，AP-1和NF-kB轉錄因子起了關鍵作用[23]。

4.1 AP-1:MAPK通路的主要靶點是轉錄因子AP-1，AP-1是由Jun和Fos家族蛋白組成的(c-Jun、JunB、JunD、c-Fos、Fosb、Fra1和Fra2)。研究顯示，UV照射皮膚后，其c-Fos的表達出現持續性的增高，而c-Jun 和c-Fos的轉錄很大程度上是依賴MAPK通路的活化。此外，磷酸化的JNK和P38具有激活和穩定c-Jun的功能[24]。人體皮膚在給予UV照射后的30min以及60min時，其c-Jun mRNA和蛋白表達水平升高，且增高的蛋白水平可以持續到照射后的24h。增加的c-Jun有效地與c-Fos和JunD結合，最終激活AP-1復合體(c-Jun:c-Fos)，并且分布于真皮表皮各層的細胞內[25]。

4.1.1 AP-1誘導MMPs的合成:AP-1調節多種基因的轉錄，包括調節細胞生長、分化的多種基因，它可以有效上調多種MMP家族成員的轉錄。MMPs是一大類具有其特定結構的鋅依賴性內源性蛋白酶家族，它們均可以降解細胞外基質蛋白，其活力是通過3個水平來調控的:合成(主要是基因的轉錄)、酶原的活化以及對其蛋白水解活力的抑制(通過特定的內源性蛋白抑制劑:基質蛋白酶組織抑制因子，TIMPs)。大多數MMPs的轉錄可以通過AP-1來上調，包括:MMP-1、MMP-3以及MMP-9基因轉錄的增加，引起相關酶的蛋白合成增加，使得組織內這三種酶的活力升高，從而導致結締組織的損傷。人類MMP-1、MMP-3、MMP-9、MMP-12基因的上游啟動子都至少含有一個AP-1的結合位點。在MMP-1、MMP-3以及MMP-9共同作用下，可以將皮膚內成熟的膠原纖維完全降解。

4.1.2 AP-1抑制膠原蛋白的合成:UV照射除了可以造成膠原蛋白的降解，同時還可以抑制I型膠原蛋白的合成，以及成熟膠原纖維的形成。AP-1可以抑制I型膠原蛋白原的轉錄與表達，從而下調I型膠原蛋白的合成。研究發現，UV照射皮膚后8h，I型前膠原蛋白的mRNA和蛋白表達開始降低，到24h時，真皮上層的表達基本消失。

4.2 NF-kB:人類皮膚中的轉錄因子NF-kB是由P50/P65組成的，UV照射可導致其活化[26]。生理情況下，其存在于細胞漿內，由于與IkB蛋白的結合而處于非活化狀態。MMP-1、MMP-3以及MMP-9基因的上游啟動子都有NF-kB的結合位點。IkB激酶復合體可以磷酸化IkB，導致其與NF-kB分離，NF-kB活化進入細胞核調節靶基因(MMPs)的表達。許多關于抗氧化劑和抗氧化酶過度表達的研究中發現，ROS是NF-kB活化的決定性調節因子。

4.3 UV照射抑制TGF-β通路:UV照射誘導膠原蛋白的合成下調，也可經由TGF-β和其他細胞因子的旁路機制完成[27]。TGF-β可以誘導主要的細胞外基質蛋白(膠原蛋白和彈力蛋白)的合成和分泌，同時抑制膠原蛋白降解相關酶的表達，包括:MMP-1和MMP-3。TGF-β受體復合體是由三種不同的蛋白組成的:I型(TbRI)、II型(TbRII)、III型(TbRIII)受體蛋白。TGF-β結合受體后，使得2個TbRI和2個TbRII結合，TbRI被磷酸化，再磷酸化Smad蛋白，激活的Smad2和Smad3與Smad4形成復合體，進入細胞核，從而調節目標基因的轉錄。UV輻射所引起的TGF-βII型受體的下調，可降低Smad3的轉錄活性[28]。研究證明，UV照射所產生的c-Jun蛋白可以與Smad3相互作用，作為抑制因子干擾Smad3的功能，這些機制共同作用導致了UV引起的膠原蛋白合成減少[29]。

5基質金屬蛋白酶

UV照射可以改變多種不同基因的表達，但在這些基因中，MMPs在皮膚光老化的病理生理機制中起了核心作用[30]。表皮中的角質形成細胞和真皮中的成纖維細胞都可以出現MMPs的表達上調。體外實驗發現，通過激活AP-1，UV至少可以增加三種MMP的mRNA和蛋白水平，以及酶的活力。它們包括:MMP-1，可以降解I型和III型膠原纖維[31];MMP-3，可以降解基底膜中的IV型膠原纖維，并部分降解其他膠原纖維[32];MMP-9，可進一步降解MMP-1所產生的膠原蛋白片段。在這些MMPs的共同作用下，可降解大多數皮膚結締組織中的結構蛋白。這種降解不僅導致大量膠原纖維片段的聚集，還可以抑制細胞外基質成分的正常合成。體外實驗證明，UV輻射可引起TIMP-1表達的上調，但UV所引起的MMPs的上調遠超過其所引起的TIMP-1的水平，導致兩者平衡的打破，引起細胞外基質蛋白的降解[33]。而且，真皮內大量堆積的膠原纖維片段不能被完全吸收，最終引起光老化的組織學改變。

6小結

皮膚內的發色基團在吸收UV后產生ROS，激活細胞表面相關受體，啟動UV輻射相關信號傳導，激活特定轉錄因子，調節靶基因的表達(主要是MMPs和膠原蛋白)，最終引起皮膚光老化的組織病理學改變。目前對于UV作用皮膚的分子機制已有了一定認識，但我們仍需進一步研究，以研發出更多更有效的防治皮膚光老化的方法。

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[收稿日期]2009-12-30 [修回日期]2010-02-24

編輯/李陽利