角蛋白在皮膚老化過程中的研究進展

張 琪 王再興 楊 森

安徽醫科大學第一附屬醫院皮膚性病科,安徽醫科大學皮膚病研究所，合肥，230032

作為人體的第一道物理和免疫屏障，皮膚是一個高度專業化的器官，由最外層的表皮、真皮和真皮白色脂肪組織三層組成[1]。皮膚老化，就像其他器官的老化一樣，其特點是功能和再生潛力的逐漸喪失。與其他器官相比，皮膚的衰老過程取決于外在因素，取決于生活方式和接觸環境有害物質，以及衰老的內在驅動因素[2]。皮膚的老化是生物老化最明顯的表現，可以作為健康的預測指標。皮膚老化機制尚未完全明確，本文總結了近年來角蛋白在皮膚老化過程中的研究進展，主要包括皮膚屏障破壞后角蛋白的表達，以及光老化和自然老化層面的研究進展。

1 角蛋白的概述

角蛋白是上皮細胞中由中間絲形成的一種蛋白質，迄今為止已經發現了54種人類角蛋白，包括28種I型和26種II型角蛋白，占總蛋白的30%～80%。這些角蛋白高度多樣化，根據其pH值分為兩類：酸性I型角蛋白(K9～K40)和中性-堿性II型角蛋白(K1～K8，K71～K86)[3]。編碼I型和II型角蛋白的基因聚集在兩個不同的染色體區域，其中I型角蛋白(K18除外)在染色體17q12-q21，所有II型角蛋白和K18在染色體12q11-q13[4]。盡管I型和II型角蛋白在基因組中的位置不同，但在特定的表皮細胞層中，它們表現出高度特異性和一致的表達模式[5]。角蛋白在一種I型角蛋白和一種II型角蛋白之間形成異二聚體，通過自我組裝形成反平行、交錯的四聚體，通過縱向和橫向相互作用形成中間絲[6]。

角蛋白是細胞骨架的中間絲蛋白，中間絲在細胞內部形成三維蜂窩狀結構，為上皮細胞提供結構支撐，以此維持細胞形狀和抵抗外界壓力，它是上皮細胞生長、分化及成熟的重要分子標志物[7]。角蛋白參與表皮許多功能，最重要的是保護細胞和組織免受損傷。此外，角蛋白是上皮細胞骨架的主要成分，負責維持角質形成細胞的結構穩定性和完整性，對調節細胞生長和遷移以及免疫調節均起重要作用[4,8]。

2 皮膚屏障破壞后角蛋白的表達

皮膚提供了一個防止有害微生物、毒素的物理屏障，并保護機體免受紫外線的輻射。越來越多的證據表明，衰老細胞在自然老化和光老化的皮膚中積累，并可能導致與年齡相關的皮膚變化和病理變化[9]。完整的皮膚屏障是抵御外界不良因素侵擾的第一道防線，角質形成細胞位于皮膚表面，經常暴露于外界刺激，是入侵病原體和損傷的第一反應者。在皮膚損傷時，激活的角質形成細胞分泌一系列警報分子，提供對危險信號的快速和特異的先天免疫反應[10]。在皮膚的每一層中，角質形成細胞表達不同的角蛋白中間絲。角蛋白是角質形成細胞分化過程中差異表達的彈性纖維蛋白，是角質形成細胞主要的結構蛋白[11]。基底增殖區表達角蛋白對K5/K14，在終末分化過程中被K1/K10所取代，而K6/K16/K17在屏障破壞和疾病中出現，包括特應性皮炎和銀屑病[12]。

Lessard等[13]發現，使用K16基因敲除鼠為實驗模型，當表皮屏障受到外源性物理或化學刺激時，缺乏角蛋白K16的角質形成細胞無法適當調節先天危險信號的產生，并過度激活皮膚屏障功能的損傷相關分子模式(DAMPs)、細胞因子和其他調節因子的表達，這表明K16在維持皮膚屏障功能中發揮作用。Ditommaso等[14]建立了角蛋白K76基因缺失的小鼠模型，研究發現K76與表皮緊密連接中的封閉蛋白CLDN1相互作用，K76的缺失可以引起CLDN1的定位發生改變，最終導致新生小鼠表皮剝脫，色素沉著，炎癥性破壞，傷口愈合延緩，影響皮膚屏障功能[14]。Ekanayake-Mudiyanselage等[15]使用屏障破壞的小鼠模型，通過測定表皮角蛋白的表達，證明了急性和慢性屏障破壞導致角蛋白K6、K16和K17的表達。急性屏障破壞后角蛋白K10表達增加，慢性屏障破壞后K1和K10表達增加。

3 光老化皮膚中角蛋白的表達

90%的皮膚老化由紫外線導致的光老化引起[16]。皮膚老化是一個復雜的過程，由年齡等內在因素介導，以及外部因素引起的損傷，如慢性暴露于紫外線(UV)照射。慢性暴露于紫外線照射也被稱為光老化，光老化可導致紅斑、水腫、曬傷、增生、早衰以及非黑素瘤和黑素瘤皮膚癌的發生和發展[17]。

動物模型中的研究表明，重復紫外線照射與角蛋白K1、K5和K10的增加之間存在因果關系，膠原纖維和彈性纖維沒有變化，導致皮膚彈性喪失，皮膚皺紋形成[18,19]。Hachiya等[20]為研究UVB照射與皮膚變化的關系，建立了小鼠光損傷皮膚模型。該實驗使用人皮膚異種移植到嚴重聯合免疫缺陷小鼠，隨后反復使用UVB照射6周，結果表明角蛋白K6、K16及K17的表達顯著增加。在此研究中，反復UVB照射刺激角蛋白K6、K16和K17的穩定表達，而不是K1、K5和K10。這些表皮角蛋白的增加直接影響表皮細胞的結構改變和再上皮化過程中的遷移行為。因此推測，除了真皮成分中膠原和彈性蛋白的改變外，表皮重塑，即角蛋白K6和K16和/或K6和K17之間的相互作用，對皮膚光老化過程有很大的貢獻。值得注意的是，在反復的UVB輻照結束后，角蛋白K6和K16的蛋白表達在UVB暴露的表皮中持續至少4周。然而，在皮膚老化過程中誘導K6、K16和K17表達的確切機制有待解決[20]。

4 自然老化皮膚中角蛋白的表達

光老化模型是最常見的外源性老化模型，而 D-半乳糖誘導的亞急性衰老模型則被認為最接近自然老化狀態。亞急性衰老模型的機制不明確，其原理可能是體內自由基形成過多，引起細胞損害，從而導致多器官功能衰退，造成皮膚老化[21]。

Oender等[22]比較了年輕人和老年人皮膚中角蛋白1～23的表達，結果表明K1、K3、K4、K9、K13、K15、K18、K19和K20基因的mRNA水平在老年皮膚中下調，K5和K14不變，K2、K16和K17在老年皮膚中上調，在蛋白質水平上也證實了mRNA數據。Yeo等[23]為評估羽毛角蛋白對皮膚健康的影響，從雞羽毛中提取了低分子量(LMW)角蛋白，以研究它們對基質金屬蛋白酶(MMPs)的抑制作用。結果表明，LMW羽毛角蛋白對膠原酶、彈性蛋白酶和自由基清除活性有一定的抑制作用。另一方面，LMW羽毛角蛋白對人真皮成纖維細胞中紫外線B(UVB)誘導的MMP-1和MMP-13的表達有明顯的抑制作用。總之，這些結果表明，LMW羽毛角蛋白是抗皮膚老化潛在的候選的美容肽[23]。Dos Santos等[24]發現基底膜蛋白多糖在皮膚自然老化過程中的表達減少。體外研究顯示，衰老的角質形成細胞的基底膜蛋白多糖轉錄水平降低。體外皮膚模型的產生表明，衰老的角質形成細胞形成了一個薄并且組織不良的表皮。用純化的基底膜蛋白多糖補充這些模型，逆轉了這一現象，使分化良好的多層上皮得以恢復。在培養的角質形成細胞中，基底膜蛋白多糖的下調導致了表達角蛋白15的細胞群的耗竭，表明了老化皮膚表皮中角蛋白15表達的缺陷。Kim等[25]研究了從光合細菌中分離出來的細菌葉綠素a的皮膚抗衰老活性，結果證明細菌葉綠素a具有抗皮膚衰老的作用，實驗同時表明細菌葉綠素a上調了角蛋白K10的表達，表明角蛋白K10在抗皮膚衰老過程中發揮作用。

5 小結

角蛋白是角質形成細胞的主要蛋白，它的表達在維持和修復皮膚屏障中發揮重要作用。同時，在光老化和自然老化皮膚中，不同的角蛋白協調作用，共同影響著皮膚的年輕化及老化。因此，進一步研究角蛋白的表達不僅有助于研究皮膚老化的機制，更是為皮膚年輕化提供了更多的思路。