皮膚衰老過程中彈性蛋白的損傷及其機制研究進展

孔 杰，劉全忠

（天津醫科大學總醫院，天津 300052）

皮膚衰老是當今社會備受關注的話題。老化皮膚的主要特征為表皮變薄、真表皮連接處變平和真皮細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的整體降解。彈力纖維在皮膚老化中具有重要作用，它的降解和破壞會造成皮膚彈性減退、皮膚松垂、各種皺紋，甚至出現失去膚色的斑塊和結節。

彈性蛋白是彈力纖維的主要成分，含量達90%，其前體為可溶性的彈性蛋白原（tropoelastin，TE），在皮膚中主要由成纖維細胞合成。在細胞內，TE 與彈性蛋白結合蛋白（elastin-binding protein，EBP）相結合，EBP 可以保護TE 免受不必要的細胞內降解和凝聚，還能負責TE 向細胞膜的運送。隨后TE 被分泌到細胞外微纖維構成的骨架上，通過賴氨酰氧化酶（lysyl oxidase，LOX）的交聯作用轉化為不可溶的彈性蛋白聚合物。

TE 的表達在胎兒生命晚期開始，在新生兒階段達到非常高的水平，然后開始逐漸下降，成年后幾乎沒有新的彈性蛋白生成。彈性蛋白半衰期約為70 年，因此需要常年發揮作用但數十年無更新，在長時間的工作中會積累各種損傷，破壞彈性組織的機械性能［1］。而這些損傷通常會帶來難以修復的損容后果，成為學術界一直關注的重點。近年來對彈性蛋白損傷的發生機制有了深刻的認識，把彈性蛋白的損傷分為內在因素、物理因素和外界因素。

1 內在因素

1.1 基因突變 彈性蛋白基因（elastin，ELN）的主要缺陷與許多疾病相關，包括主動脈瓣上狹窄、Williams-Beuren 綜合征、常染色體顯性皮膚松弛癥等，此類缺陷往往是嚴重甚至致命的。由于彈性蛋白極低的周轉率，微小突變的影響也可能逐漸積累造成不良后果。David 等［2］分析了人類單核苷酸多態性，確定了人類ELN 中的118 個突變，其中17 個是非同義突變；在彈性蛋白多肽和全長ELN 中引入其中兩種變體，G422S 和K463R，導致蛋白的合成和機械性能發生改變；值得注意的是G422S 出現在多達40%的歐洲人口中。所以即使是人類ELN 中微小的多態性也可能會影響彈性基質的性狀，這種影響在一生漫長的時間中可能會導致包括皮膚在內的彈性組織的改變。

1.2 酶促降解 彈性蛋白的不溶性和交聯性使其高度抵抗蛋白水解，是ECM 中最穩定持久的成分。然而在皮膚老化過程中，彈性蛋白會出現對酶促降解敏感性的提高［3］。參與人體組織中彈性蛋白降解的蛋白酶有絲氨酸蛋白酶，包括組織蛋白酶G、蛋白酶3、人白細胞彈性蛋白酶和糜蛋白酶樣彈性蛋白酶1；基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），包括MMP-2、-7、-9、-12、-14 和腦啡肽酶；半胱氨酸蛋白酶，包括組織蛋白酶B、F、K、L、S 和V［4］。

在自然老化過程中，TE 疏水性大結構域會發生切割，而紫外線誘導的外源性皮膚老化使TE 分子的N 末端和中心部分更容易受到酶促切割，因此加速了與年齡相關的彈性蛋白降解［5，6］。

彈性蛋白降解產生的彈性蛋白衍生肽（elastinderived peptides，EDPs）可參與調節多種細胞活性，如細胞粘附、趨化、增殖、蛋白酶激活、血管生成和凋亡。特別是含有GXXPG 基序的EDP，能夠與介導生物活性的EBP 相互作用而顯示出生物效應。酶促作用誘發的彈性蛋白損傷與EDP 觸發的生物過程相結合，會導致各種病理狀態的發生和發展［6］。

1.3 非酶糖基化 非酶糖基化（nonenzymatic glycosylation，NEG）又稱為Maillard 反應，是以蛋白質、脂質、核酸等為反應物，不需要酶催化的一類復雜反應，最終生成不可逆的晚期糖基化終產物（advanced glycation end products，AGEs）。在此過程中反應物與葡萄糖或果糖等糖分子共價結合，導致靶分子正常功能受到抑制［7］。

體內以蛋白質所產生的AGEs 最多，特別是賴氨酸的ε-氨基最易與糖類賴氨酸生成N-ε-（羧基甲基）賴氨酸。彈性蛋白代謝緩慢，而且含較多的賴氨酸及羥賴氨酸，這為發生NEG 提供了物質基礎。彈性蛋白與細胞外液的葡萄糖發生NEG 形成AGEs，導致彈力纖維發生變性交聯，皮膚彈性減退。真皮AGEs 隨增齡而明顯增加，中老年人群皮膚中糖基化蛋白質含量明顯高于青年人群［8］。

紫外線聯合NEG 能夠增強參與ECM 降解的蛋白酶和促炎細胞因子IL-1α 的表達，同時糖基化的彈性蛋白對酶促降解的敏感性增加［4］，由此對彈性蛋白造成破壞；二者聯合同時促進了編碼彈性蛋白、彈性蛋白酶和TE 的mRNA 表達增加，增加了變性彈性組織的沉積。此外，AGEs 在衰老過程中會在皮膚中積累，紫外線需要一定水平的AGEs 來增促進氧化應激，產生的活性氧又會促進糖氧化產物的出現，這是一種惡性循環，進而逐步導致皮膚衰老和彈性喪失［9］。

1.4 氨基甲酰化 氨基甲酰化是一種蛋白質的非酶翻譯后修飾，異氰酸與賴氨酸殘基的游離ε-NH2 基團結合形成高瓜氨酸，這是最具特征性的氨基甲酰化衍生物，可進行特異性定量。異氰酸主要由尿素解離或髓過氧化物酶介導的硫氰酸鹽分解代謝產生，生物質燃燒、生物燃料使用或煙草使用是其次要來源。

因主要來源于尿素，所以慢性腎病者的皮膚組織中有明顯的氨基甲酰化累積。相比年輕人，老年人皮膚彈性蛋白的氨基甲酰化程度明顯升高；與真皮乳頭層相比，網狀層成熟的彈力纖維高瓜氨酸標記特別強烈，彈性蛋白的長半衰期可能網狀層更容易發生氨基甲酰化的原因。氨基甲酰化通過破壞分子構象、改變酶活性、降低降解能力或干擾受體識別來干擾正常功能，導致蛋白質分子衰老，這些改變可能影響彈性蛋白的結構和功能，通過降低皮膚彈性促進皮膚老化［10］。

1.5 天冬氨酸外消旋化 彈性蛋白的老化過程與D-天冬氨酸的積累有關，D-天冬氨酸是通過 L-天冬氨酸的年齡依賴性外消旋化形成的，速率約為每年0.1%。由于極慢的速度，天冬氨酸外消旋化只能在長壽命蛋白質中測定。隨著年齡增長，不同組織彈性蛋白中D-天冬氨酸含量均有不同程度的增加，皮膚和黃韌帶的彈性蛋白積累率最高，分別為36×10-4年-1、 41×10-4年-1。D-天冬氨酸的積累及其通過羧甲基轉移酶的甲基化可能會引起彈性蛋白構象變化，從而導致進一步的交聯，同時對酶促降解的敏感性也會提高［4］。 有資料表明氧化應激與彈性蛋白肽熱處理溶液中D-天冬氨酸的形成之間存在聯系，這表明L-天冬氨酸在衰老組織中的消旋化可能受到氧化應激的影響［11］。

2 物理因素

皮膚能夠通過變形承受一定量的外力，當外力被移除時皮膚由于其黏彈性返回到靜止狀態。膠原纖維和彈力纖維的存在是形成皮膚這種力學特性的原因。膠原纖維在施加力的方向上重新滑動排列，分散了外力施加的能量，允許皮膚變形到一定的極限，而不會造成嚴重的損傷；彈力纖維通過儲存來自所施加的力的能量使皮膚維持彈性，并確保皮膚在外力消除后能夠恢復到原始靜止狀態［12］。由于彈力纖維的重復拉伸或彈力纖維內部和之間剪切應力的重復循環，造成“彈性蛋白疲勞”，導致其不可阻擋的降解和彈性喪失，使機械負荷從彈性蛋白轉移到膠原蛋白，進而造成組織硬化［13］。

細胞對機械力產生生理反應，稱為機械力轉導。細胞會將機械負荷識別為刺激，并將信號傳遞給ECM 的成分，例如膠原蛋白、彈性蛋白、包括整合素、肌動蛋白絲、非肌肉肌球蛋白在內的跨膜受體。成纖維細胞的循環拉伸激活了 ECM 成分的基因表達，這通常會導致富含膠原蛋白的致密 ECM 組裝。新合成的ECM 將在與施加力相同的方向上排列［12］。

3 外界因素

3.1 紫外線 紫外線引起的光老化會導致皮膚粗糙變厚，失去彈性，形成皺紋。光老化皮膚的特征性病理改變是變性彈力纖維在真皮中上層的堆積，這些纖維增粗、卷曲，排列紊亂，無功能，形成無定型、顆粒狀均勻嗜堿性物質。一般認為是由彈性蛋白等彈性成分表達異常升高和正常彈力纖維降解共同造成。

紫外線照射可以誘導轉化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）表達增加，后者通過Smad 和MAPK 途徑介導彈性蛋白的基因表達的上調［14］。紫外線照射可以引起皮膚氧化應激，在表達人彈性蛋白促進劑的轉基因小鼠試驗中，活性氧可以使該小鼠彈性蛋白促進劑的活性增加6 倍以上［15］。此外，紫外線還可以使表皮和真皮中的細胞質LOX 活性增加，可能有助于彈性蛋白的額外交聯，從而增加組織硬度［16］。

在光老化皮膚中，多種酶參與彈性蛋白的降解，其中組織蛋白酶B、D、K 和G 的水平和活性可以被認為是皮膚光老化的潛在生物標志物［17］。組織蛋白酶K 是目前最強的降解彈性蛋白的酶，Codriansky 等［18］研究發現年輕人成纖維細胞暴露于UVA 后，組織蛋白酶K 被誘導表達，而老年供體的細胞沒有此類現象。將皮膚成纖維細胞與熒光標記的彈性蛋白共同培養，細胞外的彈性蛋白會被內吞至溶酶體內，然后被組織蛋白酶K 降解。抑制組織蛋白酶K 活性后，具備降解彈性蛋白功能的成纖維細胞數下降了68%。與年齡相關的組織蛋白酶K 活性下降可能通過抑制有序的細胞內彈性蛋白降解和隨后彈性蛋白在細胞外空間的積累來促進光線性彈性組織變性的形成。

在分子水平上，如前所述，光老化過程中TE 的N-末端和中心部分破壞增強、對酶促降解的敏感性升高［6］；彈性蛋白的糖化和脂質過氧化也會增加變性彈性蛋白的積累［4］。

3.2 紅外線和熱 到達地球表面的太陽能幾乎有一半左右來自紅外線波長的范圍內，紅外線與組織內的分子相互作用，使分子振動，產生熱量。低劑量紅外線通過NF-κB 通路起到治療治療作用，促進膠原蛋白和彈性蛋白的表達；高劑量的輻射會通過AP-1 產生病理作用［19］。Chen 等［20］用43℃熱刺激人體皮膚90 min，皮膚TE 表達量增加，但彈力纖維的另一種重要成分原纖維蛋-1 則出現不同結果，在表皮中增加，真皮中下降。此外，紅外線還可以誘導 LOXL1基因表達并增強彈性蛋白交聯［21］。當皮膚溫度超過39℃時，紅外線和熱休克誘發的活性氧會在人體皮膚中大量產生，導致MMP 的合成，降解ECM［19］。失衡的彈性成分表達以及正常彈力纖維的降解，提示紅外線輻射和熱也會促進皮膚的光老化。

3.3 煙草煙霧 重度吸煙者非曝光部位皮膚彈力纖維數量和總面積顯著增加，數量增加是由于纖維的降解和斷裂。煙草煙霧可以抑制TE 的轉錄和LOX的調節，使彈性蛋白合成減少；還可以通過下調TGF-β1 受體和誘導其非功能性潛伏形式來阻斷細胞對TGF-β1 的反應，而TGF-β1 是刺激彈性蛋白產生的重要細胞因子［22］。此外，煙霧可以誘導MMP-7 的產生，增加彈性蛋白的降解。煙霧中的尼古丁還可以抑制成纖維細胞的增殖［12］。

Abigail 等［23］在近期的研究中發現，吸煙者非曝光部位皮膚彈力纖維由于彈性蛋白和原纖維蛋白微纖維的大量沉積發生結構重塑。以往認為彈力纖維重塑的重要機制是局部MMP-2 和MMP-9 的活性增高，而在這項研究中無論吸煙狀況如何，皮膚內這兩種酶活性水平是不變的。吸煙者可以出現全身性氧化應激，自由基通過血液循環分布全身，高度血管化的真皮可能對氧化應激特別敏感，導致一連串下游反應，最終導致彈性蛋白和原纖維蛋白微纖維降解和重塑。

4 結語

隨著社會的發展，抗老化的問題被越來越重視，皮膚是最直觀反映人衰老特征的器官，因此對于皮膚抗衰老的關注尤為突出。皮膚衰老過程中，膠原纖維和彈力纖維受到的影響最為嚴重，膠原蛋白的一些損傷可以在頻繁的更新中得到修復，而彈性蛋白的損傷逐漸積累，對皮膚造成的影響多是不可逆的。外在因素和機械因素可以人為去避免或減少，內在因素也在研究有可能的調節機制，對化妝品的研發、修復方法的探索都有一定積極意義。