雌激素干預晝夜節律變化與皮膚老化

李茗晞,王艷,張秀君,王磊

晝夜節律(circadian rhythm)一詞源自拉丁語circa diem,意思是“大約一天”。它調節著地球上幾乎所有生物的心理、生理和行為變化,是生物體自我維持的內源性過程,表現出大約24 h的振蕩模式,包括睡眠-覺醒周期以及激素產生的波動[1]。晝夜節律系統由中央時鐘和外周時鐘組成,哺乳動物的中央時鐘是位于下丘腦前部視交叉上核(SCN)的神經元網絡,通過光敏性的視網膜神經節細胞(ipRGCs)表達的黑視蛋白(melanopsin,OPN4)將來自外界環境的光信號轉化為電刺激,并啟動神經元和激素信號驅動和同步周圍器官組織(如肺、心臟,肝臟和皮膚)的外周時鐘[2-3]。在正常情況下,人體皮膚的許多生理特征都呈現周期性,如經皮水分丟失(transepidermal water loss,TEWL)、皮膚滲透性、血流量、皮膚厚度、皮脂排泄、組織介電常數、pH值和溫度[4-6]。

早期研究發現,晝夜節律系統可以與內分泌系統相互作用,共同影響激素產生和分泌的時間、生殖生理變化和運動行為[7-8]。人體皮膚作為獨立的外周內分泌器官,可以產生、激活、代謝多種激素,其中雌激素在皮膚組織的發育和生理功能中發揮著重要作用,調控著皮膚老化、色素沉著、毛發生長、皮脂產生和皮膚癌等多種病理生理進程[9]。在雌激素水平發生急性或慢性變化的時期,包括圍產期、妊娠期、更年期和生殖周期,晝夜節律紊亂的發生率增加,表明雌激素可以在改變時鐘控制基因的輸出中發揮作用,雌激素的激活很可能發生在晝夜節律系統的各個層面,包括位于下丘腦的中央時鐘和周圍器官組織的外周時鐘[10]。在日常生活中,皮膚與多種環境因素(如紫外線輻射)直接接觸,暴露在大量內源性和外源性的活性氧(ROS)下,會在激素、環境和遺傳因素的影響下逐漸老化。植物雌激素被認為是天然存在的選擇性雌激素受體調節劑(SERMs),可以有效延緩皮膚衰老,也可以預防或治療晝夜節律相關疾病[11]。本文圍繞著雌激素與晝夜節律系統的相互作用關系,及其水平變化對皮膚老化的影響予以闡述,并為使用植物雌激素延緩皮膚衰老和調節晝夜節律提供理論支持。見圖1。

圖1 植物雌激素與晝夜節律對光老化的調節機制

1 晝夜節律系統的分子機制

在分子水平上,晝夜節律系統由兩個相互連接的轉錄-翻譯反饋環(transcription-translation feedback loop,TTFL)所控制[12],其核心機制依賴于腦和肌肉組織芳香烴受體核轉運蛋白的類似蛋白1 (brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator protein-like-1,BMAL1)和晝夜運動輸出周期(circadian locomotor output cycles kaput,CLOCK) 的異二聚體蛋白復合物控制時鐘控制基因(CCG)的轉錄。復合物與靶向節律基因啟動子區域的E-box元件結合,從而激活周期蛋白(period,PER)1-3和隱花色素(cryptochrome,CRY)1-2的轉錄。由此產生的PER和CRY蛋白從細胞核轉移并積聚在細胞質中,延遲一段時間后,PER和CRY蛋白結合并易位回細胞核,通過抑制BMAL1-CLOCK異二聚體活性阻礙自身轉錄,形成了負反饋回路[13-14]。隨著PER和CRY蛋白被降解,BMAL1-CLOCK異二聚體再次轉錄,從而重置時鐘。除了核心時鐘基因網絡之外,二級反饋回路涉及另一組時鐘控制基因,包括視黃酸受體相關孤兒受體(retinoic acid receptor-related orphan receptor,ROR) 和母紅血球病逆轉錄病毒(reverse erythroblastosis virus,REV-ERB)。在BMAL1-CLOCK異二聚體啟動轉錄后,每個蛋白分別易位到細胞核中并競爭性結合BMAL1啟動子中的視黃酸相關孤兒受體反應元件(RORE)。REV-ERB的結合抑制BMAL1轉錄,而ROR促進其轉錄[15-16]。隨著BMAL1水平降低,REV-ERB轉錄停止,直到重新建立BMAL1轉錄。

2 晝夜節律系統與雌激素的關系

2.1褪黑素與雌激素的雙向調節關系 在哺乳動物中,晝夜節律系統可以通過調節松果體激素褪黑素(melatonin,MT)的節律性分泌,進而影響促性腺激素軸釋放性激素。褪黑素是一種由松果體在夜間合成的吲哚胺,可以將光的周期信息轉化為激素信號,被認為是調節睡眠和周圍組織晝夜節律最重要的激素之一。它以晝夜模式分泌:分泌量在黑暗開始后很快增加,在午夜(凌晨2～4點之間)達到高峰,隨后逐漸下降[17-18]。研究發現,血清褪黑素水平隨著年齡的增長而逐步下降,在更年期達到最低,并且在絕經后減少30%左右[19]。臨床調查發現,口服避孕藥的女性夜間褪黑素分泌增加;與圍絕經期相比,絕經后女性服用雌激素可抑制夜間褪黑素的釋放;乳腺癌患者的夜間褪黑素分泌峰值和晝夜節律幅度均降低,并且褪黑素水平可以影響患者的雌激素受體(estrogen receptors, ER)濃度[20-21]。大量研究證明,褪黑素與雌激素之間存在雙向調節關系,這種相互作用取決于褪黑素水平、年齡、激素狀態、組織和環境條件,所涉及的直接或間接機制也給這種相互作用帶來了高度的復雜性[22]。

2.2晝夜節律系統與雌激素的相互作用機制

2.2.1晝夜節律系統調節雌激素信號的表達 晝夜節律系統可以通過BMAL1-CLOCK異二聚體與雌激素受體ERα和ERβ啟動子區域的E-Box元件結合,直接調節雌激素信號表達。Rossetti等[23]發現ERα在第一個內含子中含有一個E-box元件,可以受到BMAL1-CLOCK異二聚體影響,并且ERα在缺乏核心時鐘基因的人類乳腺癌細胞系中不再具有節律性。Cai等[24]發現ERβ近端啟動子區域中含有可以與BMAL1-CLOCK異二聚體結合的E-box元件,證實ERβ 的mRNA水平以晝夜節律模式在不同的外周組織中波動,這種震蕩在BMAL1基因敲除小鼠中被消除。并且利用siRNA轉染實驗,發現時鐘基因可以通過調節細胞內ERβ的表達水平直接影響雌激素信號傳導。

2.2.2雌激素調節時鐘基因的表達 雌激素也可以通過雌激素反應元件(ERE)調節某些時鐘基因的表達,但只有PER2和CLOCK基因可以直接通過ERE進行調節。研究發現,人類PER2基因在其5′側翼區具有不完善的ERE,可以與雌激素受體特異性結合[25]。Rossetti等[26]對人類乳腺上皮和乳腺癌細胞系進行研究發現,敲低ERα會影響時鐘基因PER2和BMAL1轉錄,并通過雌激素介導的ERα-PER2-BMAL1回路影響乳腺腺泡細胞形態發育,證實雌激素通過人體細胞中的ERE直接調節PER2基因的節律表達。Xiao等[27]發現在ERα陽性乳腺癌細胞系中,時鐘基因CLOCK的mRNA和蛋白質表達水平增高,敲除CLOCK基因可以抑制乳腺癌細胞增殖。并利用染色質免疫共沉淀技術,發現雌激素受體可以與人類CLOCK基因啟動子區域的一個ERE和1/2ERE位點結合,從而增加該節律基因轉錄。

2.2.3晝夜節律系統與雌激素的雙向調節關系 晝夜節律系統與雌激素之間也存在著雙向調節關系,這一過程可以不依賴于ERE或E-box元件,而是通過雌激素誘導時鐘基因轉錄和翻譯,從而改變晝夜節律系統的輸出。Li等[28]發現在人類乳腺癌細胞系中,時鐘基因CLOCK通過增強ERα介導的反式激活活性參與雌激素信號通路,并且二者之間的相互作用會受到雌二醇的影響,證實雌激素可以通過與時鐘基因直接結合,或誘導時鐘基因進行轉錄和翻譯來調節晝夜節律。Nakamura等[29]研究雌二醇長期治療對卵巢切除大鼠的大腦(視交叉上核和大腦皮層)和外周組織(肝臟,腎臟和子宮)中PER1和PER2基因表達的影響,發現雌激素在大腦中央時鐘和外周時鐘之間以及外周生殖組織和非生殖組織之間的影響有很大差異,說明雌激素對時鐘基因的調節作用十分復雜,其影響會因物種和組織而異。

3 雌激素與皮膚的關系

3.1皮膚中雌激素受體及作用機制 皮膚作為一種雌激素敏感器官,其中角質形成細胞、黑素細胞和成纖維細胞均可進行雌激素的生物合成[30]。雌激素信號傳導主要由兩種在全身表達的雌激素受體介導,即ERα和ERβ[31],二者的表達具有組織特異性,ERβ比ERα更廣泛的分布在皮膚內,并且存在于表皮、真皮、毛囊和皮脂腺中[32]。值得關注的是,ERα和ERβ對雌激素的親和力幾乎相等,ERα激活是生殖癌(如乳腺癌和前列腺癌)的主要因素;ERβ激活可以促進傷口愈合,而不依賴于雌激素的抗炎特性[33]。研究發現,雌激素對細胞功能的作用復雜,主要通過兩種不同的機制進行介導:一種是經典途徑,涉及雌激素受體復合物的核定位和調節靶基因的表達水平;另一種是非經典途徑,雌激素與細胞膜上的雌激素受體結合并通過相關分子傳遞信號,從而啟動下游細胞信號級聯[34]。

3.2雌激素水平變化對皮膚的影響 循環性激素(即雌激素、孕激素和雄激素)的產生與激活可以維持皮膚穩態,女性皮膚狀態可能受到整個生命周期中雌激素水平變化的影響[35]。在青春期發育時女性的卵泡開始分泌雌激素,在成年生殖期即25～30歲左右時雌激素水平達到峰值,這與皮膚膠原蛋白和彈性蛋白產生峰值相對應。隨著年齡的增長,皮膚衰老的最初跡象開始于30歲左右,此時雌激素水平開始逐漸下降,皮膚變薄、彈性喪失,出現皺紋和膚色不均,傷口愈合延遲[36]。在絕經后,雌激素水平迅速減少,此后表現出低水平的平穩期,對應皮膚膠原蛋白含量在絕經后前5年下降30%,隨后每年下降2.1%,伴隨著皮膚厚度下降1.1%[37];彈性蛋白變性隨之增加,出現皮膚松弛和皺紋增多[38]。有充分證據表明,女性更年期雌激素水平的急劇下降會加劇年齡對皮膚的有害影響,表現為皮膚干燥、皺紋增多、感知年齡增加、傷口愈合受損、屏障功能和抗氧化能力降低、以及對氧化應激、水合作用等的防御能力降低[39]。

3.3植物雌激素對皮膚的護理作用 臨床上,激素替代療法(HRT)和/或局部雌激素治療可以改善皮膚衰老的許多標志性特征[40]。盡管已證實雌激素對各種年齡相關疾病的保護作用,但激素替代療法的長期健康風險仍存在爭議。流行病學調查顯示,激素替代療法與癌癥發病率的增加之間存在相關性,會導致乳腺癌、卵巢癌和子宮內膜癌的風險[41-42],也會導致各種皮膚不良反應包括多毛癥、痤瘡和雄激素性脫發等[43]。植物雌激素是一大類植物衍生分子,與哺乳動物雌激素的化學結構相似,具有不同程度的雌激素樣活性,既可以實現對皮膚的特定雌激素樣作用,又可以避免系統性風險。主要可分為三大類:異黃酮、木脂素和香豆素,它們可以結合雌激素受體ERα和ERβ,同時充當雌激素的激動劑和拮抗劑[44]。在生理功能上,植物雌激素可以增加皮膚中膠原蛋白和透明質酸的含量并減少其降解,對皮膚產生抗氧化、抗炎等作用,保護皮膚免受氧化應激損傷,延緩皮膚衰老[45]。最近研究發現,幾種植物雌激素類化合物(如白藜蘆醇、橙皮苷、葛根素和楊梅素等)可以通過抗氧化或與時鐘基因相互作用等機制,影響生物鐘的周期、幅度或相位,起到晝夜節律調節劑的作用[46]。

4 小結

綜上所述,目前關于晝夜節律在皮膚領域的研究多集中在對皮膚正常生理功能的影響和外界刺激對正常節律的干擾作用,雌激素作為影響皮膚狀態最重要的激素之一,它和晝夜節律系統在從基因表達到各個復雜行為的生物學功能上都存在相互作用。植物雌激素作為一類副作用極少的天然物質,在皮膚老化方面顯示出與雌激素相當的功效,并且在調節晝夜節律相關疾病方面顯示出極大的潛力。目前,現有研究結果對經典雌激素受體信號在外周時鐘中的作用知之甚少,尤其是對皮膚晝夜節律的影響作用。關于皮膚中雌激素水平與晝夜節律系統之間關系的研究可能會促進對皮膚生理學的進一步理解,尋找有效的植物雌激素同時延緩皮膚衰老和調節晝夜節律也可能會成為未來藥妝品研發的方向。