脊椎動物毛囊黑色素細胞黑色素表達及其分子機制

【中圖分類號】Q57【文獻標識碼】A【文章編號】1003-8183-（2011)09-0024-03

【摘要】自然界看起來是多么絢麗多彩，這一切大部分都歸結于色素，我們看到脊椎動物的羽毛、毛發和皮膚的顏色，主要是由黑色素細胞所決定，此外類胡蘿卜素和血紅素對于顏色也有一定的作用。本文概述了毛囊黑色素細胞的發育，黑色素的表達與基因調控，以及色素的合成與紊亂。最后，我們對于黑色素細胞生物學的所遇到的問題和未來的發展前景做出了初步的概述和展望。

【關鍵詞】色素；黑色素；黑色素細胞；毛囊黑色素細胞引言

脊椎動物黑色素(Melanin)由黑色素細胞（Melanocyte）分泌和表達，是決定人類皮膚、眼睛和頭發顏色的重要因素。人類黑色素表達的基因調控是非常嚴謹和復雜的，其中任何一個環節發生變化，都會導致色素的表達異常，從而可能引發疾病。諸如黑色素的過量表達，則可引起色素的過度沉淀，導致雀斑、褐斑、黑斑、老年斑、黑色素細胞瘤等；而色素表達過低或者沒有色素產生，則引起衰老性白發，誘導性白發、白癜風和白化病等。這些病理現象所產生的原因，有的是由外源刺激產生的，而有的則是由先天遺傳造成的。由此而產生的對人的傷害，有社會方面的，嚴重影響著人們的審美觀；有個體方面的，對人們的心理以及身體健康，產生嚴重的損害。隨著現代生物技術的發展，人們試圖人為的參與這個系統，通過生物學手段來解決這些問題，并取已經得了很大的成果，本文概述了黑色素細胞的起源與分化、基因調控以及色素的合成與色素紊亂，對于該領域的研究成果和未來的發展做了初步的概述和展望。

1毛囊黑色素細胞的發育

在哺乳動物中，成體中所有的黑色素細胞的發育，除了視網膜色素細胞外[1]，都起源于胚胎時期的神經嵴細胞（Neural Crest Cell，NCC），在胚胎發育過程中，NCC從背側神經管出發，在成纖維生長因子FGF-2等多個細胞因子的調控下，沿著特殊的途徑遷移到其特定的組織，再分化為各種組織特異型細胞，在這些細胞當中，黑色素前體細胞就包括在其中[2]。隨后，黑色素前體細胞先分化為KIT(+)細胞，再分化為多巴胺陽性（DOPA+）細胞， 最后才分化為成熟黑色素細胞，具有分泌和表達黑色素的能力[3]。在皮膚的表面，表皮黑色素細胞與表皮的其他細胞緊密結合，形成一個有序的有機體，其中表皮黑色素細胞與數個或數十個角質形成細胞角質相互作用，形成一個功能單位，對黑色素信號的傳遞、分泌、調節起著重要的作用。對于構成該功能單位的黑色素細胞與角質細胞數目的比例與相應的物種有關 [4]。

毛囊中的黑色素細胞的發育，貫穿于毛囊發育的整個過程[5]。在胚胎發育時期，小鼠黑色素干細胞在毛囊突起部分（bulge）聚集，但是在出生數天后，毛囊黑色素干細胞從毛囊突起部分消失，由于沒有特定的黑色素標記跟蹤，因此，我們至今還在迷惑：毛囊再生中的黑色素細胞到底來自于哪里？毛囊黑色素細胞分2種亞型，一種為位于毛囊毛母質與漏斗部具有黑色素合成能力的黑色素細胞，另一種為位于生長期毛囊外根鞘中的無合成黑色素能力的黑色素細胞，我們有理由認為后者可以遷移到DP，并分化為前者，為持續的黑色素表達提供細胞來源[6]。二者同樣來源于NCC細胞分化而來的間充質細胞，與表皮黑色素細胞的來源相同，毛囊中的黑色素細胞同樣與角質形成細胞形成配合的功能單位，負責黑色素的表達、分泌和信號調控[7]。與皮膚黑色素細胞不同的是，毛發黑色素細胞表達黑色素細胞是階段性的，只在毛發生長期合成黑色素，不像表皮黑色素細胞一樣，能持續表達黑色素。至于毛發黑色素細胞的再生問題，一直是人們無法搞清楚的難點，當成年的小鼠受到創傷而失去皮膚和毛囊時，可以再生出皮膚、白色的毛發但是沒有色素，表明黑色素細胞可能與毛囊干細胞遷移模式可能存在差異[8]。

色素系統是相當復雜的，其細胞在構成上，也不是簡單的由某一種細胞組成，而是由黑色素細胞、角質形成細胞和成纖維細胞等組成，以旁分泌或自分泌的形式，來調節黑色素細胞的形態和生物學功能。當然，毛囊黑色素細胞不是簡單的分泌色素，它們對毛發的生長，也具有重要的意義，例如毛囊黑色素細胞在發育過程中，毛囊黑色素細胞主要分泌的的信號分子有：c-KIT，MITF，SCF，bFGF，α-MSH，ET3，BMP家族，Wnt家族等蛋白，對于毛囊的形態建成具有重要的意義。其中相當一部分基因調控構成一個獨立的系統，任何一個信號分子突變，都可能導致嚴重的后果，如瓦登伯革氏癥候群（Waardenburg Syndrome），其病理機制就頗為復雜，涉及的基因眾多，目前已知的有PAX3 、MITF 、EDN3 、EDNRB 及SOX 10 等多個基因的參與協同運作，其中任何一個基因有缺陷，均會造成瓦氏癥候群。

2黑色素細胞表達黑色素的基因調控

黑色素的表達主要由黑色素細胞、角質形成細胞和成纖維細胞共同調控，目前已經發現約有127個基因直接或者間接的參與其中，其中至少有25個基因直接參與了黑色素體的黑色素表達調控，在復雜的調控系統末端，幾個特異性的酶和結構基因合成黑色素。當外源刺激物刺激黑色素細胞、角質形成細胞或者成纖維細胞時，黑色素細胞提過兩種途徑進行信號傳導，一方面，黑色素細胞通過c-KIT，MC1R，ETBR，PAR2，FGFR等受體從角質形成細胞接收并傳遞信息；另一方面，則通過c-MET，FGFR，c-KIT，Wnt受體從成纖維細胞接收與傳遞信息。盡管信號錯綜復雜，但是其中只有MC1R是控制色素產生的主效基因，該受體的正調控配體為ACTH和α-MSH配體， 而ASP為負調節因子，它們相互競爭，競爭的結果使宿主具有不同的顏色。但是ASP本身的具體受體不明，競爭導致毛色變化的機制也就不是很清楚，而且因為物種的不同而毛色調節的具體機制也就比較模糊。MC1R基因主要通過cAMP 信號通路，激活PKA激酶，還有通過某些未知的途徑，導致小眼相關轉錄因子(microphthalmia-associated transcription factor，MITF)表達的上調，MITF 結合并激活黑素原生成基因、TYR 與酪氨酸酶相關蛋白-1(tyrosinase related protein 1，TRP-1)的啟動子，刺激這些基因的轉錄，促進黑色素的表達而增加黑色素的合成。

最近，人們發現一個新的基因，SLC24A5，一種Ka+-Na+依賴性的Ca+通道蛋白，調節色素的沉淀。該蛋白擁有兩個變體，如果該基因突變，使色素調控系統產生突變，突變的結果導致了人類亞洲人、歐洲人、非洲人皮膚，頭發顏色的不一樣，而歐洲的SLC24A5突變產生的負面影響更大，從病理上看，可以將他們劃為第五類白化病人，因此該人種在皮膚疾病的抵御方面，要差于其他人種。目前該基因調控色素的具體機制同樣不是很清楚。

3黑色素的合成、轉運

黑色素細胞內有多種酶催化合成黑色素．其中酪氨酸酶(Tyrosinase)、TPR1和TRP2的影響最為重要，在三者中，酪氨酸酶又是最關鍵的主導蛋白，該酶在內質網合成，然后通過高爾基體經過系列修飾而活化，該酶的活性中心含有2個Cu2+，因此，任何Cu2+螯合劑，或者其他Cu2+競爭性離子，都可以影響該酶的生物學活性[22，23]。黑色素基本上分兩種，即真黑色素(Eumelanin)和脫黑色素(Phaeomelanin)兩種，它們都來源于黑素體，細胞內酪氨酸在酪氨酸酶的作用下，生成DQ(Dopaquinone)，然后進入兩條不同的之路，一條是DQ在酪氨酸酶等作用下，通過系列酶促反應直接生成真黑色素；另一條是在含硫化合物半胱氨酸(Cysteine)參與合成時，生成脫黑色素。

純凈的色素是可溶性質的，但是我們很少看到動物的毛色在有機溶劑中掉色，原因是黑色素在合成過程中，與細胞內的其他物質，如蛋白質等形成一個復雜的有機體，阻止了黑色素直接暴露于外界而掉色。黑色素細胞通過高爾基體或其他途徑，形成黑素體亞細胞結構，在黑色素體內，黑色素通過系列的酶促反應，黑色素與蛋白質基質結合，形成排列規則的黑色素粒，該顆粒通過色素傳遞系統傳遞到相應的細胞。在毛囊黑色素的轉運過程中，黑色素在黑色素細胞中以黑素體為單位，將黑色素由黑色素細胞轉往毛囊的角質細胞，該過程由毛囊黑色素細胞，角質細胞，毛乳突成纖維細胞組成黑色素的轉運系統。其中涉及多種信號分子，可能通過受體依賴與非依賴性途徑等途徑進行細胞間色素傳遞。成熟的黑色素體在驅動蛋白的作用下，沿微管運往黑色素細胞的樹突，再通過某種途徑進入角質細胞，其具體機制還有待于進一步研究。同時，有人發現毛發生長中期的毛囊中具有很多具有黑色素顆粒的朗格罕氏細胞（Langerhans cell），據此推斷這可能也是毛發生長中期毛發色素的一種轉運機制。

色素轉運完成后，接收細胞對黑色素的處理是不同的，在表皮細胞中，角質細胞接收到黑色素后，迅速降解黑色素。而在表皮角質細胞中，毛囊的角質細胞接收到黑色素后，降解的程度很低，因此，毛干總是黑色而表皮的角質層卻是透明的。

4色素紊亂

在先天性角度來看，黑色素細胞的遷移、分化、成熟黑色素細胞的黑色素表達與運輸，及已知涉及到的127個相關基因，任何一個環節異常、基因的突變，都可能影響黑色素的表達與正常定位。如前面提到的瓦登伯革氏癥候群（Waardenburg Syndrome），就是由多個基因突變而引發的疾病。再有，如白化病，與多基因的突變是分不開的，從而導致同一個病理現象，卻有著不同的分子機制。如I型白化病是由于酪氨酸酶受到了異常的降解，從而導致黑色素合成受阻，具體機制未明。P（pink-eyed dilution）和 MATP（membrane-associated transporter protein）蛋白是TYR進入黑色素體的關鍵的轉運蛋白，對于皮膚，毛發，眼睛的色素的正常起著重要的作用，在白化病II中，主要是由于P蛋白的缺乏而引起色素轉運紊亂。白癜風同樣由多基因病變所引發，目前大多從自身免疫角度來解釋其病因，認為白癜風是由于自身免疫缺陷導致的疾病，由于黑色素細胞受到免疫細胞的攻擊，而缺乏色素的沉淀引起的疾病。所有這些遺傳因素引起的病癥，至今為止，由于因素眾多，還沒有一個完整清晰的機制來解釋。同樣，當某種調控細胞色素表達的蛋白，被機體確認為異源蛋白而產生抗體進行封閉，導致信號無法下傳，也可以導致色素合成受阻。當然，也有很多毛發色素基因的表達或者突變是無害的，如動物身上的花斑、條紋，顏色等，為多姿多彩的生物世界提供了很大的幫助。

隨著現代藥物科學的發展，越來越多的藥物投入使用，其中相當一部分藥物被發現涉及色素的紊亂，在這些藥物當中，有抗癲癇類藥物苯妥英鈉，抗類風濕藥物青霉胺等藥物引起毛發色素過度表達，也有的藥物如抗瘧疾藥物氯喹，磺胺類藥物、腎上腺激素和二巰基丙醇等藥物導致毛發白發。維A酸和壬二酸(Azelaic acid)可以阻斷黑色素在黑色素細胞內的正常運輸，從而阻止黑色素與蛋白質基質的自由結合，減少黑色素粒的形成。總之，影響色素的相關藥物通過擾亂黑色素基因調控系統、轉運系統、損傷黑色素細胞或者抑制酪氨酸酶的生物學活性，從而影響了黑色素的產生。抗腫瘤藥物是近年人們研究的重點，并取得了重大的成就，但是，很多抗腫瘤藥物的副作用日益明顯，其中對色素系統的影響尤為顯著，大多數抗腫瘤藥物導致黑色素細胞凋亡，使毛發脫落或白化。

環境的條件，也可以導致毛發的色素發生改變，如電離輻射、Cu2+等金屬離子及其螯合劑，都可以影響色素的合成。自由基是目前衰老生物學研究的熱點，也是老年性白發的研究基礎，其中最直接的實驗是H2O2可以導致白發，可以作為自由基理論的有力證據。

5結論與展望

皮膚和毛發色素與人類美容、社會心理健康以及疾病息息相關，研究其表達與調控對于人類了解自身具有非常重要的意義。然而，作為研究對象，毛發與皮膚色素的調控機制則相當復雜，所涉及的基因數目、信號網絡與其他大型組織一樣復雜，研究難度遠遠超出了人們的想象，要解決這些問題，將是一個長遠而具有挑戰的過程。

參考文獻

[1]C. LaBonne， M. Bronner-Fraser， Induction and patterning of the neural crest， a stem cell-like precursor population， J Neurobiol 36 (1998) 175-189

[2]S. Dutt， M. Matasci， L. Sommer， D.R. Zimmermann， Guidance of neural crest cell migration： the inhibitory function of the chondroitin sulfate proteoglycan， versican， ScientificWorldJournal 6 (2006) 1114-1117

[3]T. Hirobe， Histochemical survey of the distribution of the epidermal melanoblasts and melanocytes in the mouse during fetal and postnatal periods， Anat Rec 208 (1984) 589-594

[4]N.K. Haass， M. Herlyn， Normal human melanocyte homeostasis as a paradigm for understanding melanoma， J Investig Dermatol Symp Proc 10 (2005) 153-163

[5]E.M. Peters， D.J. Tobin， N. Botchkareva， M. Maurer， R. Paus， Migration of melanoblasts into the developing murine hair follicle is accompanied by transient c-Kit expression， J Histochem Cytochem 50 (2002) 751-766

[6]E.K. Nishimura， S.A. Jordan， H. Oshima， H. Yoshida， M. Osawa， M. Moriyama， I.J. Jackson， Y. Barrandon， Y. Miyachi， S. Nishikawa， Dominant role of the niche in melanocyte stem-cell fate determination， Nature 416 (2002) 854-860

[7]J.P. Ortonne， G. Prota， Hair melanins and hair color： ultrastructural and biochemical aspects， J Invest Dermatol 101 (1993) 82S-89S

[8]M. Ito， Z. Yang， T. Andl， C. Cui， N. Kim， S.E. Millar， G. Cotsarelis， Wnt-dependent de novo hair follicle regeneration in adult mouse skin after wounding， Nature 447 (2007) 316-320

作者單位：417000湖南師范大學體育學院 長沙