黑素核在黑素轉運與降解中的作用

耿清偉 宋秀祖

杭州市第三人民醫院皮膚科310009

表皮內黑素細胞（melanocyte，MC）與鄰近的角質形成細胞（keratinocyte，KC）組成表皮黑素單元。皮膚顏色取決于MC合成黑素的能力、黑素轉運到KC的效率及黑素在KC內降解的速率［1?2］。近年來黑素轉運及降解在影響皮膚顏色中的作用越來越受到重視。既往研究認為，黑素小體（melanosome）是黑素轉運與降解的主要載體，新近研究發現的黑素核（melanin core 或melanocore）胞吐-胞吞轉運途徑及轉運后在KC內的降解過程為黑素研究帶來新視角。

一、黑素核與黑素轉運

1.黑素核與胞吐-胞吞轉運途徑：既往研究［3］認為，黑素轉運存在胞吐-胞吞、脫落-吞噬、細胞吞噬、膜融合途徑，這4 種途徑可能同時存在于黑素轉運過程中，但不同轉運途徑在表皮擁有不同生理功能。研究顯示［1?2］，胞吐-胞吞途徑在黑素轉運中發揮關鍵作用，表皮基底層的MC合成黑素，黑素與淀粉樣基質聚合形成黑素核，之后形成具有膜結構的黑素小體，隨著MC樹突不斷延長，黑素從樹突中泌出，被KC 吞噬，形成胞吐-胞吞轉運途徑。不同轉運途徑轉運入KC內的黑素周圍具有不同膜結構，在胞吐-胞吞途徑中，既往認為具有膜結構的黑素小體負責轉運，而新近研究證實，無膜包裹的黑素核是黑素轉運的主要形式。Tarafder等［4］通過透射電鏡觀察正常人表皮發現，KC 和MC 外間隙是無膜包裹的黑素核，而轉運到KC內的黑素核則大部分被單層膜包裹，進一步通過共聚焦顯微鏡與冷凍免疫電鏡發現，KC內的黑素核上無酪氨酸酶相關蛋白1（TYRP1）表達，TYRP1是黑素小體膜的標記蛋白，證實KC內包裹黑素核的單層膜來自KC。之后的多項研究［5?7］也觀察到了KC 和MC細胞間隙中存在無膜包裹的黑素核。Correia等［8］研究發現相比墨魚分泌的黑素、合成的黑素、人黑素瘤細胞系MNT?1細胞分離出的黑素體，使用Vivaspin超濾離心管離心MNT?1細胞培養基所提取的黑素核與KC 共培養后可以有效地轉運至KC 內，并在核周形成“黑素帽”結構，這提示只有有效分離出的黑素核才可有效轉運。黑素核在保護皮膚抵御紫外線的損傷中具有重要作用。Yi 等［5］發現，受損的黑素核不能保護表皮KC細胞核抵御紫外線的損傷，表明具有完整結構的黑素核是維持保護功能的關鍵。

2.胞吐過程影響因素：包括Rab11b和KC的作用。

（1）Rab11b：Rab 蛋白在調節囊泡形成、轉運、錨定、融合方面具有“分子開關”作用。研究顯示［9］，Rab11a 和Rab11b 的缺失可致MC 內黑素集聚。Tarafder 等［4］發現，Rab11b 的缺失可導致KC 誘導的黑素胞吐顯著減少，而Rab27a缺失則對黑素胞吐無明顯影響；而通過共聚焦顯微鏡可見Rab11b聚集于MC核周圍，與黑素小體非常相近，但很少與黑素小體膜標記TYRP1 以及未成熟黑素小體標記PMEL17共定位，這說明MC內的Rab11b定位在與黑素小體鄰近的囊泡中，并不在未成熟的黑素小體上。

（2）KC 的作用：研究發現［4，10］，MC 和KC 共培養可誘導MC分泌更多的黑素，KC可分泌多種細胞因子如ɑ促黑素細胞生長激素（ɑ?MSH）、前列腺素E2（PGE2）等影響MC 的生物學性狀。張園園等［11］發現，MC與KC共培養后MC表面坑狀結構增多，認為這些坑狀結構與MC胞吐黑素小體有關，可能是胞吐后留下的印跡，分別予ɑ?MSH、PGE2與KC共培養均可以促進MC表面坑狀結構增多，胞吐增強。

3. 胞吞過程影響因素：包括蛋白激酶受體2（PAR2）、Rab5和紫外線。

（1）PAR2：KC 表面的PAR2 參與調控攝取黑素的胞吞過程［12］。Correia等［8］從MNT?1細胞組織勻漿中提取出有膜結構的黑素小體和從培養基中分離出分泌的無膜的黑素核，分別添加到培養的小鼠KC 中發現，黑素小體和黑素核都可被KC 吞入胞內，但只有黑素核的攝取依賴PAR2信號通道，且只有被吞噬的黑素核可在KC核周形成“黑素帽”結構。這提示無膜的黑素核的攝取和分布受信號傳導通路的調控。

（2）Rab5：在膜轉運過程中具有重要作用，是內涵體融合和胞吞的限制性蛋白［13］。Correia 等［8］發現，KC 對黑素核的攝取依賴早期內涵體效應子Rab5，而晚期內涵體Rab7和Rab9對黑素核的攝取無影響。

（3）紫外線：紫外線照射可促進黑素核向KC 轉運。Yi等［5］將MNT?1細胞中提取的黑素核與KC共培養，使用UVB照射后KC 內的黑素核明顯增加，這些黑素核可在KC 核周形成“黑素帽”結構。紫外線照射可誘導PAR2高表達，并促進PAR2在KC膜上的移位和激活，增強KC對黑素小體的吞噬，從而促進和加速黑素轉運；而且PAR2表達及對紫外線的敏感性與皮膚類型相關，膚色越深PAR2表達越強，對紫外線的誘導效應越強［14］。

二、黑素核轉運后的降解

黑素核轉運到KC 后被溶酶體膜包被再次形成黑素小體。不同膚色KC內具有不同大小、形態的黑素小體。先前研究認為，淺色皮膚中黑素小體較小，2 ～10個成簇聚集于溶酶體中，在棘層中部降解；而深色皮膚中黑素小體較大，孤立分布于溶酶體中，降解速率相對淺色皮膚慢［15］。Hurbain 等［7］發現，多種膚色中孤立和成簇的黑素核可同時存在，深色皮膚中成簇黑素核比例明顯減少；通過電子斷層分析不同膚色KC中黑素核的三維結構發現，所有皮膚類型中孤立和成簇分布的黑素核都被單層外膜包裹并嵌入一個不均勻的、電子致密的未知成分基質中，淺色皮膚中基質的邊緣密度較小且模糊，提示黑素存在一定的降解。Minwalla等［16］通過透射電鏡發現，將淺色皮膚KC 與深色皮膚MC 共培養后，黑素成簇分布；而將深色皮膚KC與淺色皮膚MC共培養后，黑素孤立存在，提示KC 內的特異性調節因子決定了黑素的分布和降解。

黑素是吲哚和醌與蛋白質結合的高分子聚合物，具有超強的抗酸能力，對強堿也有一定耐受；溶酶體水解酶可以降解黑素小體黑素以外的成分，但黑素核的超微結構仍很難被破壞［17］。隨著表皮KC的分化，其胞內的黑素也不斷被降解［18］，黑素在KC內的降解機制目前仍未完全闡明。

1. 溶酶體與黑素降解：溶酶體是膜結合細胞器，內有50 多種酸性水解酶，通過內吞、吞噬和自噬途徑降解大分子物質［19］。黑素小體是一種溶酶體相關細胞器（LROs），其與內涵體及溶酶體具有相同特征，具有酸性pH 和晚期內涵體/溶酶體標記物等［20］。既往研究證實［21?22］，黑素轉運到KC后被膜包裹后降解。Hurbain等［7］及Correia等［8］的研究均發現，包裹黑素核的單層膜具有內涵體/溶酶體的標記蛋白LAMP2和CD63，黑素核周圍則被一些早期內涵體標記物所包裹；但研究同時也觀察到轉運至KC內的黑素核并未立即降解，可在KC 內維持至少7 d，且KC 內的黑素小體也不呈酸性。這提示大多數黑素小體并未被內涵體/溶酶體水解酶活躍地降解，可能只是包裹在KC 特定的細胞器內。Hurbain等［7］通過三維立體重建技術發現，KC內黑素核與大量細胞器結構接觸，包括粗面及光面內質網、線粒體、來源不明的小管狀膜。推測這些接觸可能導致KC 內黑素小體的膜重構，從而可能調控黑素小體結構和功能變化，在黑素降解中發揮作用。

2.自噬與黑素降解：自噬過程起始于細胞內游離的吞噬泡，吞噬泡不斷延伸、融合，最終形成雙層膜的自噬體，自噬體或者內涵體形成的自噬內涵體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，被吞噬的物質在自噬溶酶體內降解［23］。研究［21?22，24］顯示，自噬可以調節KC 內黑素水平，且淺膚色者的自噬水平更活躍。Hurbain等［7］在表皮角質層中檢測到大量與自噬相關的微管相關蛋白輕鏈，但在KC和MC內的黑素小體膜上并未檢測到。因此，推測自噬通路可能通過下游信號間接控制KC中黑素降解，且這些信號與膚色有關。Kim等［25］發現，微小miRNA?1299過度表達可抑制酪氨酸酶和精氨酸酶2（ARG2）表達，而敲除miRNA?1299后二者表達上調；進一步研究發現，黃褐斑皮損處miRNA?1299 表達下調且ARG2 表達上調，推測ARG2 通過抑制KC 自噬功能減緩黑素小體降解，導致黃褐斑皮膚色素沉著發生。

3.組織蛋白酶V（CTSV）與黑素降解：溶酶體內含有多種水解酶，CTSV 是溶酶體中的一種酸性水解酶，在降解過程中發揮重要作用。研究顯示［26］，CTSV在淺色皮膚中的表達顯著高于深色皮膚，表明淺色皮膚中的降解功能活躍。Yi等［5］發現，KC內的CTSV對黑素核有水解作用，紫外線照射后KC 內CTSV 的mRNA 表達和酶活性均顯著下降，黑素核的降解被抑制，導致色素沉著。Homma等［27］發現，正常皮膚CTSV在表皮全層均高度表達，而在色素沉著性皮損處基底層CTSV 表達顯著低于角質層，黑素小體數量顯著增加；CSTV 基因敲除后，KC 內黑素降解顯著受到抑制，推測CSTV可能在黑素降解中發揮關鍵作用。

三、小結

近年來，關于黑素合成的信號機制已經有了比較深入的研究，但黑素的轉運以及在KC內的降解機制尚未完全闡明；膚色深淺與KC 內黑素的分布和數量有關，因此黑素轉運和降解過程的闡明對研究皮膚色素沉著具有重要作用。深入探討黑素轉運和降解的具體信號機制，可為黃褐斑等難治性色素性皮膚病提供新的治療方向。

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