丝聚蛋白的功能及在化妆品中的研究进展

谢雨含+许雪飞+杨舒然+郑立波+李丽+董银卯

化妆品早已成为人们生活必需品，随着科学技术的发展，它的研发也不再是传统的工艺技术。2013年，迪奥美妍科学中心实验显示丝聚蛋白生成的减少是导致肌肤黑色素生成的一项重要因素。而其他有关丝聚蛋白的研究和应用基本局限于医学，在化妆品中的应用少之又少。本文描述FLG的产生和在皮肤中的相关生化作用，结合目前FLG在医学上的研究，总结出FLG在化妆品中的皮肤屏障功能中的作用，为化妆品领域开拓视野。

在角质层中，丝聚蛋白（filaggrin，FLG）又称丝聚合蛋白，相对分子质量约35000，是参与皮肤屏障的重要因子，主要功能是参与表皮细胞的分化及皮肤屏障的形成。FLG是表皮中末分化的重要组成蛋白，主要存在于表皮颗粒层和透明层。在肽基精氨酸去亚氨基酶的催化下，其碱性精氨酸位点去亚胺基形成中性瓜氨酸，产生中性及酸性异构体；酸性异构体只有很弱的亲和能力与角质蛋白作用，使丝聚蛋白从角质丝中释放出来，继而被逐步降解为高度保湿的氨基酸及其衍生物。目前认为这些氨基酸及其衍生物是皮肤的天然保湿因子，可能对维持皮肤的正常pH值、调节蛋白酶活性、表皮屏障的通透性及其皮肤对微生物的防御功能起关键作用，对维持角质层的水和作用非常重要。

FLG的基因表达与调控

1.1 FLG基因表达

FLG基因定位于人类染色体1q21 的表皮分化复合物区域（ EDC）内，EDC 是一个包含了几个保持正常表皮屏障功能重要基因的区域。在颗粒层、角蛋白中间丝与新合成的FLG相互作用，进一步聚集成束。兜甲蛋白、内披蛋白及富含脯氨酸的小蛋白（SPRRs）等沉积在细胞膜内侧，通过转谷胺酰胺酶的交叉连接作用，共同形成一种稳定的蛋白壳膜即角质化包膜（CE），成为表皮防御屏障的基础。它是一层坚韧的不溶于水的组成和保持皮肤屏障的大分子层。角质化包膜表皮终末分化的过程不仅包括表皮终末分化特异性角蛋白的表达，而且涉及其他几种重要的角蛋白中间丝相关蛋白，包括：丝聚合蛋白、兜甲蛋白、内披蛋白及SPRRs等，这些结构蛋白由转谷氨酰胺酶广泛交联作为角质化包膜的支架。在角质化包膜的形成过程中，丝聚蛋白原经脱磷酸化和蛋白水解作用由丝氨酸蛋白水解酶裂解，释放丝聚蛋白功能片段。

FLG在颗粒层强烈的表达，导致巨大的前体蛋白—丝聚蛋白原产生。丝聚蛋白原是一个大的、高度磷酸化的多肽，是颗粒层透明角质颗粒的重要成分。丝聚蛋白原经过脱磷酸和蛋白水解作用后，在颗粒细胞的终末分化期被裂解为功能丝聚蛋白肽。这种肽可以捆绑和崩解角蛋白细胞骨架，随后每个肽段逐渐被酶降解为亲水的氨基酸，包括吡咯酮、羧酸、丙氨酸和反式尿刊酸（咪唑丙烯酸）这些氨基酸和各种离子被叫做天然保湿因子（NMF）。NMF在角质层的水合作用中起至关重要的作用。所以说丝聚蛋白在保持有效的皮肤屏障和保水方面起着关键作用。

1.2 FLG的基因调控

由于游离的FLG单体可以引发角蛋白丝的聚合和塌陷，所以表皮分化期间丝聚蛋白原的表达必须被严格的控制，从而防止骨架之间这些成分任何过早地相互作用。在控制FLG表达方面，有几个重要的因素。早期研究表明，AP1家族转录因子近端FLG启动子应答元件的结合对于维持高水平的丝聚蛋白原的表达是必不可少。

此外，POU结构域蛋白（含二分DNA结合转录因子域被称为POU结构域）在表皮中表达，POU结构域蛋白结合体内两个特定识别元件的启动子，并且通过该启动子的刺激或拮抗活性发挥其功效。研究表明，转录因子p63对于表皮发育至关重要，转录因子p63存在多种亚型，并且是启动子的替代。这些亚型的表达在角质形成细胞分化期间存在差异。p63蛋白（TAp63α和TAp63γ基因）封闭的TA-结构域阻挡了FLG基因的转录，但对分化标志物角蛋白1和角蛋白10没有影响，这表明这些异构体对丝聚蛋白原的表达有影响。同样，N端短亚型Np63α的α-尾也妨碍了丝聚蛋白原基因的表达，而P63亚型Np63p40（缺乏ΔNp63α完整的α-尾）可以让表皮分化标志一个完整的面板，包括丝聚蛋白原，鼠FLG已被证明含有一个末端同源异型域蛋白DLX3的结合位，该结合位点是p63蛋白下游的靶向目标。DLX3通常在颗粒层中表达，但是，当它在表皮的基底细胞层被异位表达时，丝聚蛋白原就会被过早地诱导表达，这导致了表皮分化被严重破坏。人类的FLG启动子还包含视黄酸和糖皮质激素反应元件，其功能是抑制在它们的配体存在下启动子的活动。丝聚蛋白原表达的其他调节者包括过氧化物酶体增生物激活受体（PPAR）家族。PPARs是有配体活性的转录因子，但是与转录因子有不同的功用。在小鼠中，丝聚蛋白原的表达可以随着局部治疗的进行与PPARγ兴奋剂量的增加而增加；然而，通过对PPARγ缺陷的小鼠兴奋剂治疗，没有观察到丝聚蛋白原表达水平的变化，这表明PPARγ的活性直接影响丝聚蛋白原的表达。综上所述，表皮分化期间FLG启动子活性的调控非常复杂，这涉及众多的转录因子之间微妙平衡的相互作用。

FLG在皮肤屏障功能中的作用

2.1 表皮物理屏障作用

丝聚合蛋白在参与组成皮肤表皮外层的角质包膜过程中，促进表皮分化，形成表皮角质层独特的屏障结构，在维持皮肤的屏障功能中具有重要作用。且FLG是连接角蛋白纤维的重要分子，在FLG单体的协助连接下，角蛋白成纤维束有规则地聚集，进而引起细胞紧密的状态，促使角蛋白细胞骨架塌陷，使椭圆形的颗粒层细胞塌陷成扁平的角质细胞，形成皮肤最外层。

在FLG与表皮分化过程涉及的一系列物质的共同作用下，人表皮角质形成细胞（KC）中形成不溶性的角质包膜，大量的扁平的含角质包膜的KC在表皮的最外层形成了坚实的物理屏障。KC衍生的脂质一方面与细胞外表面共价连接，一方面粘附于结构蛋白形成的骨架结构之上，从而在细胞外层形成外脂质膜，当皮肤受到外界环境刺激时或者破坏时，组成角化包膜的蛋白会代偿性表达上调，从而防止表皮水分的丢失和外界过敏物质的入侵。endprint

2.2 表皮保水作用

FLG在表皮角质层降解形成的氨基酸小分子具有保湿功能，因此被称为“ 天然保湿因子”。在角质层中上层，FLG从角蛋白纤维束中解离出来，转化降解形成吸水性氨基酸混合物，组成具有渗透活性的物质，形成NMF。NMF占到角质层细胞基质的10%，通过渗透压来吸引水分子，再通过水合作用锁住皮肤水分。据研究显示，与NMF结合的水是角质层中较固定的一部分。NMF的吸水功能能够维持表皮的水合作用，减少经表皮水分的丢失，保持表皮的含水量。

2.3 表皮酸性环境的维持

FLG 是一种富含组氨酸的蛋白质，其降解产物组氨酸经代谢能转变为反式利尿酸以及吡咯烷酮-5-羧基酸。表皮的这种弱酸性环境能够防止外界微生物的入侵同时为一些表皮蛋白酶发挥作用提供一个较适宜的环境。Jungersted[15]等发现FLG 失功能突变基因携带者表皮的pH 值会升高，导致一系列疾病发生。因此，认为FLG降解代谢产生的酸性产物在维持表皮的酸性环境中具有重要作用。

2.4 表皮防晒作用

已有一些研究证实，FLG 降解产物顺式利尿酸具有一定的紫外线防护作用。丝聚蛋白原经过蛋白水解处理后得到聚角蛋白微丝，聚角蛋白微丝可以降解成丰富的组氨酸，其降解产物是表皮利尿酸的主要来源。反式利尿酸再通过紫外线辐射转化为顺式利尿酸。顺式利尿酸不仅能产生一种光谱为280～310 nm的分子，还对KC和白细胞具有免疫调节功能。FLG 的减少会导致利尿酸浓度的下降，从而使细胞对紫外线诱导的表皮细胞凋亡的敏感性增加，这进一步说明FLG可能具有一定的防止皮肤晒伤作用。

FLG在皮肤屏障功能受损疾病中的差异性

有学者表示，在银屑病皮损中，可能与丝聚蛋白减少致角质形成细胞及颗粒层细胞之间的链接和聚集功能受限有关。另外已经证实，缺少丝聚蛋白的基因可以导致寻常型鱼鳞病的发生，这也是特应性皮炎的高危因素。

3.1丝聚蛋白在斑秃患者中的表达

在西兰组对“斑秃患者皮损丝聚蛋白的表达”的研究中，采用丝聚蛋白的免疫组化标记的方法对37例斑秃患者（8例伴特应性疾病、29例伴特应性疾病）皮损及10例斑秃患者皮损及外科头皮手术如皮肤色素痣，面部行美容拉皮手术切除术边缘头皮组织进行病理活检，并进行丝聚蛋白免疫组化染色。荧光半定量（RT-PCR）的方法分别对22例斑秃患者和13例正常对照头皮皮损的丝聚蛋白mRNA表达水平进行半定量荧光PCR检测。

用这两种实验方法测得FLG的免疫组化标记的方法和荧光半定量（RT-PCR）的方法的结果一致。在正常对照组及斑秃患者皮损的头皮，丝聚蛋白的分布主要位于表皮的颗粒细胞层上层、角质层、毛囊漏斗部和峡部近管壁部位的细胞胞质中。斑秃皮损丝聚蛋白和其mRNA的表达水平较正常对照明显降低，而且这种降低在脱发面积较大、病程较长和有指甲改变的斑秃患者中更明显。提示丝聚蛋白可能参与斑秃的发病，并和疾病的严重程度有关。3.2银屑病患者皮损丝聚蛋白表达

银屑病是一种常见的慢性复发性、炎症性皮肤病。银屑病皮损病理上表现为表皮基底层角质形成细胞增殖加速，有丝分裂周期及表皮更替时间缩短，组织病理上表现为角化不全，颗粒层消失，且病情多于冬天加重，这种组织学及临床表现提示银屑病患者的皮肤屏障功能可能受损。丝聚蛋白在正常皮肤组织中为阳性至强阳性的表达，而在银屑病患者皮损中为弱阳性的表达。与正常组织相比较，在银屑病组织中，丝聚蛋白表达稍微下降。银屑病患者在治疗和康复过程中，银屑逐渐减少，丝聚蛋白的表达增多。

3.3丝聚蛋白在鱼鳞病皮肤中的表达

鱼鳞病是一种常染色体半显性遗传性皮肤病。长期以来，研究者认为其发病机制主要是由于表皮透明角质颗粒的形状、大小的改变或数量的减少，甚至完全缺失引起的，而透明角质颗粒中的主要物质就是丝聚蛋白原分子。鱼鳞病患者的皮肤组织病理检查显示，其表皮中的透明角质颗粒减少或缺失，而透明角质颗粒的主要成分就是丝聚蛋白原。近年来Smith发现FLG基因第3个外显子内的两个功能突变R501X和 2282del4 与鱼鳞病发生有关。R501X和 2282del4功能突变导致FLG分子表达水平下降，使得表皮终末角化过程出现障碍，表皮的保湿和屏障功能受损，皮肤表现为干燥、脱屑，抵挡外界过敏原和化学物质等入侵的能力下降，易于发生鱼鳞病。

3.4丝聚蛋白在特应性皮炎中的表达

特应性皮炎是一种常见的慢性反复性炎症性皮肤疾病，FLG基因突变是该病的发病基础，FLG基因突变使角质层细胞结构异常、细胞间连接过度裂解、细胞间脂质减少、丝聚合蛋白及NMF含量降低，表皮的保水能力、皮肤弹性及机械性能降低，外界变应原及刺激物更易侵入皮肤，而NMF含量的减少又使皮肤表面pH值升高，进一步影响表皮脂质代谢酶的活性，构成恶性循环，可以引起皮肤屏障的改变。

FLG在化妆品中的应用

丝聚蛋白是表皮细胞的分化蛋白，是表皮屏障的重要组成成分，其缺乏可导致外来变应原通过破损的表皮屏障进入机体，并和抗原提呈细胞结合导致特应性疾病的发生发展。FLG的功能缺失突变，从而出现皮肤干燥、起皮疹，伴瘙痒等特应性皮炎的症状及体征，严重时瘙痒难以忍受，甚至影响睡眠，大大降低了生活质量。

2013年科学家通过激光对组织切片进行显微解剖，精确分析色斑区域的皮肤细胞群及其周围组织，发现黑色素生成区域缺少一种名为丝聚蛋白的蛋白质，但它却存在于肌肤无斑之处。这一发现显示丝聚蛋白生成的减少是导致肌肤黑色素生成的一项重要因素。

化妆品已经成为我们的必需品，如果我们把丝聚蛋白的研究引用到化妆品的研发中，FLG作为皮肤屏障的生物标记物，可能在修复FLG皮肤屏障方面起到很大的作用，而增加丝聚蛋白表达具有实用价值。endprint