皮膚黑色素形成機理與干預機制

陳卓儀，劉曉英，鄭雅婷，洪 婷，劉潭林，杜志云

（1. 廣東工業大學，廣東 廣州 510006；2. 無限極（中國）有限公司，廣東 廣州 510000）

俗話說“一白遮三丑”，美白是現代廣大女性關注的熱門話題。由于皮膚的顏色主要由皮膚色素含量及分布決定，黑色素是最主要的決定因素。因此美白化妝品功效性評價往往通過皮膚黑色素含量的減少程度來進行評判。

皮膚的色素物質主要包括黑色素、胡蘿卜素等。黑色素廣泛存在于人的皮膚、黏膜、視網膜、軟腦膜、膽囊及卵巢等處。其中，白種人皮膚含褐黑色素居多，膚色較淺；黃種人的皮膚以真黑色素居多，膚色較深。因此抑制真黑素和褐色素的形成是美白的主要途徑之一。

1 黑色素的形成與調控

1. 1 黑色素形成機理

黑色素的形成主要涉及3種酶：酪氨酸酶（TYR）、DHICA氧化酶（TRP-1）和多巴色素異構酶（TRP-2）。酪氨酸酶是一種銅蛋白，是黑色素生成的關鍵酶，其活性中心的雙核銅離子在酶催化中起重要作用。

黑色素生成的初始階段是由苯丙氨基酸和酪氨酸在TYR的催化作用下氧化生成多巴醌（DQ）開始，DQ可以成為合成真黑素和褐色素的基質。第1個步驟是黑色素合成的關鍵步驟，剩余的反應可自發地在生理pH下進行。DQ形成后，DQ經過分子內除氨基生成白色多巴色素。白色多巴色素與DQ之間的氧化還原再產生多巴色素和多巴。多巴色素逐漸分解，大部分脫羥生成二羥基吲哚（DHI），而少部分生成二羥基吲哚羧酸（DHICA）。最后，DHI氧化成吲哚-5，6-醌（IQ），IQ、DHICA和白色多巴色素生成的吲哚-5，6-醌-2-羧酸（ICAQ）一起被氧化生成真黑素。其中TRP-1是催化DHICA氧化成真黑素的重要酶。另外，在谷胱甘肽或半胱氨酸的作用下，DQ轉換成5-S-半胱氨酸多巴（5-S-CD）和少量的2-S-半胱氨酸多巴（2-S-CD）。之后反應生成谷胱氨酸多巴，進而被氧化生成半胱苯肼噻嗪（HBTA），生成褐色素[1-5]。真黑素與褐色素最終合成黑色素。

圖 1 黑色素的生成路徑（真黑色素和褐色素生成）[25]Fig. 1 Pathway of melanin production （eumelanin and pheomelanin）

圖 2 EDN1和SCF靶點的運作機制Fig. 2 The mechanism of EDN1 and SCF targets

1. 2 黑色素在細胞分子水平上的調控

內皮素1（EDN1）和干細胞因子（SCF）是最本質的導致黑色素在皮膚上發生不均勻色素沉積的靶點。相對于直接抑制酪氨酸活性，干預EDN1或SCF特有的細胞內通路是一個十分有效的路徑。對皮膚黑變病、日光斑、黃褐斑或者與它們相關色素沉積的抑制也是有效的。

細胞內信號轉導機制與EDN1、SCF、小眼畸形相關轉錄因子（MITF）、蛋白激酶A（PKA）、蛋白激酶C（PKC）、酪氨酸相關蛋白質-1（TYRP-1）、多巴色素異構酶（DCT）、酪氨酸激酶（TYK）和α-促黑色素細胞激素（α-MSH）等都有關[9]。

EDN1和SCF分別和它們的受體EDNRB、c-KIT結合，引起聚磷酸肌醇水解生成三磷酸肌醇（IP3），IP3可調動細胞內Ca2+，而甘油二酯通過活化磷脂酶Cγ，從而激活PKC。其中激活的PKC使蘇氨酸蛋白激酶（Raf-1）發生磷酸化，磷酸化的Raf-1將信號傳遞到絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）時，使MEK，ERK和RSK均按順序被激活并發生磷酸化，最終磷酸化的RSK將信號傳導至cAMP應答元結合蛋白（CREB），使其激活并發生磷酸化。磷酸化的CREB作用于MITF基因上并與其基因啟動子結合，使MITF被轉錄并翻譯，最終作用于TYR基因上，使TYR激活，導致黑色素的產生[10]。

于此同時，活化的PKC也通過α-MSH及其黑色素受體1（MC1R）造成cAMP的升高，cAMP能通過信號傳導激活細胞內的PKA，而活化PKA也能引起CREB磷酸化，磷酸化的CREB同樣作用于MITF基因上，導致黑色素的產生。

另外，SCF與其受體c-KIT結合，也通過二聚化和自身磷酸化調節酪氨酸激酶本身的活性。被激酶磷酸化的ERK和RSK也與其他轉錄因子SOX10，PAX3等結合，從而增加黑色素細胞特殊蛋白的基因和蛋白質水平的表達。

所以在正常人類黑色素細胞中EDN1和SCF兩個信號之間發送信號，在細胞內信號通道內相互傳遞信 號[15]，刺激表皮黑色素的合成與沉積。

2 黑色素的干預機制

2. 1 黑色素合成通路

黑色素的生成通過一系列細胞內的信號通道進行調控，主要有3個最常見的信號通道分別是cAMP-依賴信號通路、Wnt/β-連環蛋白通路和ERK信號通路，這3個常見的信號通路均參與了MITF監管調控黑色素生成[6-8]。MITF是黑色素在黑色素細胞主要的調節因子，通過綁定TYR，TRP-1和TRP-2基因表達的啟動因子區域調節TYR，TRP-1和TRP-2的轉錄。

2. 1. 1 cAMP-依賴信號通路

MC1R是在黑色素細胞中生成黑色素的關鍵控制器。當α-MSH刺激MC1R時，它通過腺苷酸環化酶（AC）激活產生cAMP。cAMP進而激活PKA，PKA通過CREB的磷酸化激活MITF的基因表達。最后通過與TYR，TRP-1和TRP-2啟動區域相互作用，MITF基因轉錄生成黑色素相關的蛋白。

一旦α-MSH與MC1R結合，黑色素原生成增加100倍[25]。除了α-MSH之外，β-MSH和促腎上腺皮質激素也通過這個方式促進黑色素生成。

2. 1. 2 Wnt或β-連環蛋白通路

Wnt配體與受體Frizzled結合激活后，一系列復雜的反應會引起β-連環蛋白（β-catenin）在細胞內的積累。在這個通道內，Wnt與G-蛋白耦合因子（Go/Gq）綁定，蓬亂蛋白（DVl）被吸收到質膜，從而導致糖原合成絲氨酸激酶-3β（GSK-3β）失活。隨后，復合物被破壞，β-catenin的降解被抑制。穩定的β-catenin從而進入細胞核促進MITF基因的表達[19，20]。因此，Wnt通路是通過上調MITF活性來刺激黑色素的生成。

2. 1. 3 ERK信號通路

ERK信號通路也稱為MAPK信號通路，涉及MAPK在內的許多蛋白。當一個信號分子SCF與細胞表面的受體c-Kit結合，Ras致癌基因會激活Raf激酶、MEK激酶和ERK1/2。被磷酸化的MITF泛素化和退化，從而消除相關蛋白基因的表達。因此，ERK信號通路是通過激活Ras致癌基因抑制正常和病變的黑色素細胞中黑色素的生成。

圖 3 黑色素形成的信號通路[25]Fig. 3 Melanin formation signaling pathway

2. 1. 4 其他路徑

1）通過增加表皮γδT細胞的白介素-13（IL-13）抑制TYR和DCT。2014年Han等[13]發現人參腺苷F1通過抑制人皮膚表面黑色素細胞或角質層的黑色素細胞中酪氨酸酶和DCT的mRNA表達，從而達到美白的效果。其中人參腺苷F1增加了人表皮上γδT細胞的IL-13的量，而IL-13對TRY和DCT的蛋白數量和它們在正常人表皮mRNA表達的減少有重要的作用。

2）通過調節降低環氧酶-2（COX-2）從而抑制黑色素的生成。COX-2是一種促進黑色素生成的誘導酶，UV促進COX-2的表達。Kim等[15]發現在黑色素細胞中COX-2降低可抑制TYR、TRP-1、TRP-2、gp100質粒DNA和MITF的表達，同時降低TYR酶的活性。并且COX-2的基因小干擾RNA（siRNA）明顯地降低α-MSH，從而抑制其誘發黑色素細胞色素 沉積。

因此，COX-2是抑制黑色素生成和α-MSH誘發色素沉積的一個重要靶點，與COX-2的表達有關。COX-2的抑制劑可能在美白化妝品中對于色素沉積失常如雀斑、色素過多、色斑等的調節有作用。

3）糖基化。Diwakar等[26]通過皮膚活體組織和角質黑色素細胞在外源凝集素的板上混合培養，實驗結果表明，黑色素細胞內黑色素含量的變化與糖蛋白的含量變化成正比，從而證明黑色素的生成與糖蛋白相關，但糖基化的路徑還未知。

4）脂肪干細胞通過白介素-6（IL-6）調控抑制表皮黑色素細胞。2014年Kim等[27]發現，IL-6對人表皮黑色素細胞有直接的作用。他們通過將人類表皮黑色素細胞分成3組分別在脂肪干細胞條件培養基、人類皮膚纖維細胞條件培養基和對照培養基上進行培養。結果發現脂肪干細胞條件培養基和人類皮膚纖維細胞條件培養基都抑制了黑色素增殖和生成，但脂肪干細胞培養基比人皮膚成纖維細胞條件培養基對人黑色素細胞增殖、生成和酪氨酸酶活性更有效果。

之后將IL-6中和抗體與脂肪干細胞培養基混合培養人表皮黑色素細胞，再次測定黑色素細胞的生長和黑素生成。結果表明[27]，IL-6中和抗體能顯著影響脂肪干細胞培養基對表皮黑色素細胞的抑制作用，使人表皮黑色素細胞增殖， 黑素含量、酪氨酸酶活性和酪氨酸酶mRNA水平恢復正常。

所以，胚胎干細胞條件培養基通過降低黑色素合成的酶活性來抑制黑色素細胞增殖和黑色素生成，其中IL-6起到關鍵作用。

2. 2 黑色素運輸路徑干預

2. 2. 1 纖維母細胞（根源產生）

黑色素細胞與相鄰細胞（皮膚角質形成細胞和成纖維細胞）之間的相互作用在人類皮膚顏色的調節中起著重要的作用。神經調節蛋白-1（NRG1）高度表達于菲茨帕特里克VI型皮膚的纖維母細胞，很大程度決定了人類的基本膚色。Choi等[29]研究參與調節黑色素細胞黑色素生成的NRG1活性基序，發現8基序增加黑色素的生成，卻沒有促進黑色素細胞的增殖，且產生這種效應的是最小的片段四肽。所以這種小生物活性肽只調節色素沉著而不刺激黑色素細胞增殖。

2. 2. 2 肌球蛋白（中間攔截）

調整actin-based肌球蛋白可以調節黑色素在表皮黑色素細胞的運輸系統，Rab-肌球蛋白運輸系統已經成為許多類型細胞的細胞器運輸的一個基本機制。

2. 2. 3 黑色素沉積被巨噬細胞吞噬（后期消除）

巨噬細胞通過泛素蛋白酶體循環（UPS）調控皮膚黑色素細胞中控制黑色素合成的TYR的分解。對碳水修飾物的研究[22]已經表明內質網（ER）的TYR通過與內質網關聯的蛋白質降解發生水解作用。內因子調節UPS和脂肪酸已經被證實通過調節，增加或減少酪氨酸可加速泛素酪氨酸酶水解，泛素酪氨酸酶又可以通過蛋白酶體進行加速或減速分解。

2. 3 黑色素的分解及代謝

黑色素排泄主要有2條途徑：一是黑色素在皮膚內被分解、溶解和吸收后穿透基底膜，被真皮層的嗜黑色素細胞吞噬后，通過淋巴液帶到淋巴結再經血液循環從腎臟排出體外；二是黑色素通過黑色素細胞樹枝狀突起，向角質形成細胞轉移，然后隨表皮細胞上行至角質層，隨老化的角質細胞脫落而排出體外[23，24]。

2. 4 外在環境因素干預

皮膚色素沉著的外在調節主要受紫外線輻射的影響。色素沉著很大程度上是由于UVA，它使得黑色素的合成增加。在3～4 d紫外線輻射后，色素沉著延長，主要是由于UVA和UVB輻射，增加表皮黑色素的水平，黑色素生成保護皮膚[20]。一方面，紫外線輻射增加黑色素細胞增殖、樹突數和黑素體轉移，黑色素停留在角質形成細胞的細胞核上起保護作用，防止染色體受到光線輻射受損；另一方面，在角質形成細胞和黑色素細胞POMC表達肽中，MC1R和黑素酶增加。

2. 5 內在生理性因素調節

由于人口老齡化的增加，孤獨、退休、健康問題和睡眠問題引起的壓力變得越來越普遍。這些壓力和睡眠不足會影響皮膚再生和皮膚狀況，從而導致黑色素的生成。研究證實[4]，壓力和睡眠習慣都對面部皮膚狀況有影響。因此，要正確地調節壓力和睡眠，才能保持皮膚健康和活力。

另外，人正常表皮黑色素細胞中含有雌激素受體。在雌激素對其影響的研究中[28]，TYR活性顯示刺激了黑素酶。而雄性激素調節TYR活性，是皮膚色素沉著的關鍵調節因子。研究強調2種性激素在調節皮膚色素沉著的重要性，因為2種性激素都同時參與不同細胞因子的調控，引起皮膚色素沉著。

3 結論

綜上所述，即使皮膚黑色素的機理研究已在多個方面取得顯著進展，但在化療藥物的調控機制、糖基化路徑和內質網中酪氨酸酶的研究等方面仍面臨著巨大挑戰。且市場大部分美白產品的研究仍相對較傳統，在抑制黑色素細胞增殖分化方面的研究甚少。相信隨著科技與研究的進步，黑色素機理通路等的研究會更加全面成熟，美白產品研究中的黑色素立體多途徑復合干預，皮膚滲透技術等新思路也將會被廣泛 應用。