角蛋白在皮肤老化过程中的研究进展

张 琪 王再兴 杨 森

安徽医科大学第一附属医院皮肤性病科,安徽医科大学皮肤病研究所，合肥，230032

作为人体的第一道物理和免疫屏障，皮肤是一个高度专业化的器官，由最外层的表皮、真皮和真皮白色脂肪组织三层组成[1]。皮肤老化，就像其他器官的老化一样，其特点是功能和再生潜力的逐渐丧失。与其他器官相比，皮肤的衰老过程取决于外在因素，取决于生活方式和接触环境有害物质，以及衰老的内在驱动因素[2]。皮肤的老化是生物老化最明显的表现，可以作为健康的预测指标。皮肤老化机制尚未完全明确，本文总结了近年来角蛋白在皮肤老化过程中的研究进展，主要包括皮肤屏障破坏后角蛋白的表达，以及光老化和自然老化层面的研究进展。

1 角蛋白的概述

角蛋白是上皮细胞中由中间丝形成的一种蛋白质，迄今为止已经发现了54种人类角蛋白，包括28种I型和26种II型角蛋白，占总蛋白的30%～80%。这些角蛋白高度多样化，根据其pH值分为两类：酸性I型角蛋白(K9～K40)和中性-碱性II型角蛋白(K1～K8，K71～K86)[3]。编码I型和II型角蛋白的基因聚集在两个不同的染色体区域，其中I型角蛋白(K18除外)在染色体17q12-q21，所有II型角蛋白和K18在染色体12q11-q13[4]。尽管I型和II型角蛋白在基因组中的位置不同，但在特定的表皮细胞层中，它们表现出高度特异性和一致的表达模式[5]。角蛋白在一种I型角蛋白和一种II型角蛋白之间形成异二聚体，通过自我组装形成反平行、交错的四聚体，通过纵向和横向相互作用形成中间丝[6]。

角蛋白是细胞骨架的中间丝蛋白，中间丝在细胞内部形成三维蜂窝状结构，为上皮细胞提供结构支撑，以此维持细胞形状和抵抗外界压力，它是上皮细胞生长、分化及成熟的重要分子标志物[7]。角蛋白参与表皮许多功能，最重要的是保护细胞和组织免受损伤。此外，角蛋白是上皮细胞骨架的主要成分，负责维持角质形成细胞的结构稳定性和完整性，对调节细胞生长和迁移以及免疫调节均起重要作用[4,8]。

2 皮肤屏障破坏后角蛋白的表达

皮肤提供了一个防止有害微生物、毒素的物理屏障，并保护机体免受紫外线的辐射。越来越多的证据表明，衰老细胞在自然老化和光老化的皮肤中积累，并可能导致与年龄相关的皮肤变化和病理变化[9]。完整的皮肤屏障是抵御外界不良因素侵扰的第一道防线，角质形成细胞位于皮肤表面，经常暴露于外界刺激，是入侵病原体和损伤的第一反应者。在皮肤损伤时，激活的角质形成细胞分泌一系列警报分子，提供对危险信号的快速和特异的先天免疫反应[10]。在皮肤的每一层中，角质形成细胞表达不同的角蛋白中间丝。角蛋白是角质形成细胞分化过程中差异表达的弹性纤维蛋白，是角质形成细胞主要的结构蛋白[11]。基底增殖区表达角蛋白对K5/K14，在终末分化过程中被K1/K10所取代，而K6/K16/K17在屏障破坏和疾病中出现，包括特应性皮炎和银屑病[12]。

Lessard等[13]发现，使用K16基因敲除鼠为实验模型，当表皮屏障受到外源性物理或化学刺激时，缺乏角蛋白K16的角质形成细胞无法适当调节先天危险信号的产生，并过度激活皮肤屏障功能的损伤相关分子模式(DAMPs)、细胞因子和其他调节因子的表达，这表明K16在维持皮肤屏障功能中发挥作用。Ditommaso等[14]建立了角蛋白K76基因缺失的小鼠模型，研究发现K76与表皮紧密连接中的封闭蛋白CLDN1相互作用，K76的缺失可以引起CLDN1的定位发生改变，最终导致新生小鼠表皮剥脱，色素沉着，炎症性破坏，伤口愈合延缓，影响皮肤屏障功能[14]。Ekanayake-Mudiyanselage等[15]使用屏障破坏的小鼠模型，通过测定表皮角蛋白的表达，证明了急性和慢性屏障破坏导致角蛋白K6、K16和K17的表达。急性屏障破坏后角蛋白K10表达增加，慢性屏障破坏后K1和K10表达增加。

3 光老化皮肤中角蛋白的表达

90%的皮肤老化由紫外线导致的光老化引起[16]。皮肤老化是一个复杂的过程，由年龄等内在因素介导，以及外部因素引起的损伤，如慢性暴露于紫外线(UV)照射。慢性暴露于紫外线照射也被称为光老化，光老化可导致红斑、水肿、晒伤、增生、早衰以及非黑素瘤和黑素瘤皮肤癌的发生和发展[17]。

动物模型中的研究表明，重复紫外线照射与角蛋白K1、K5和K10的增加之间存在因果关系，胶原纤维和弹性纤维没有变化，导致皮肤弹性丧失，皮肤皱纹形成[18,19]。Hachiya等[20]为研究UVB照射与皮肤变化的关系，建立了小鼠光损伤皮肤模型。该实验使用人皮肤异种移植到严重联合免疫缺陷小鼠，随后反复使用UVB照射6周，结果表明角蛋白K6、K16及K17的表达显著增加。在此研究中，反复UVB照射刺激角蛋白K6、K16和K17的稳定表达，而不是K1、K5和K10。这些表皮角蛋白的增加直接影响表皮细胞的结构改变和再上皮化过程中的迁移行为。因此推测，除了真皮成分中胶原和弹性蛋白的改变外，表皮重塑，即角蛋白K6和K16和/或K6和K17之间的相互作用，对皮肤光老化过程有很大的贡献。值得注意的是，在反复的UVB辐照结束后，角蛋白K6和K16的蛋白表达在UVB暴露的表皮中持续至少4周。然而，在皮肤老化过程中诱导K6、K16和K17表达的确切机制有待解决[20]。

4 自然老化皮肤中角蛋白的表达

光老化模型是最常见的外源性老化模型，而 D-半乳糖诱导的亚急性衰老模型则被认为最接近自然老化状态。亚急性衰老模型的机制不明确，其原理可能是体内自由基形成过多，引起细胞损害，从而导致多器官功能衰退，造成皮肤老化[21]。

Oender等[22]比较了年轻人和老年人皮肤中角蛋白1～23的表达，结果表明K1、K3、K4、K9、K13、K15、K18、K19和K20基因的mRNA水平在老年皮肤中下调，K5和K14不变，K2、K16和K17在老年皮肤中上调，在蛋白质水平上也证实了mRNA数据。Yeo等[23]为评估羽毛角蛋白对皮肤健康的影响，从鸡羽毛中提取了低分子量(LMW)角蛋白，以研究它们对基质金属蛋白酶(MMPs)的抑制作用。结果表明，LMW羽毛角蛋白对胶原酶、弹性蛋白酶和自由基清除活性有一定的抑制作用。另一方面，LMW羽毛角蛋白对人真皮成纤维细胞中紫外线B(UVB)诱导的MMP-1和MMP-13的表达有明显的抑制作用。总之，这些结果表明，LMW羽毛角蛋白是抗皮肤老化潜在的候选的美容肽[23]。Dos Santos等[24]发现基底膜蛋白多糖在皮肤自然老化过程中的表达减少。体外研究显示，衰老的角质形成细胞的基底膜蛋白多糖转录水平降低。体外皮肤模型的产生表明，衰老的角质形成细胞形成了一个薄并且组织不良的表皮。用纯化的基底膜蛋白多糖补充这些模型，逆转了这一现象，使分化良好的多层上皮得以恢复。在培养的角质形成细胞中，基底膜蛋白多糖的下调导致了表达角蛋白15的细胞群的耗竭，表明了老化皮肤表皮中角蛋白15表达的缺陷。Kim等[25]研究了从光合细菌中分离出来的细菌叶绿素a的皮肤抗衰老活性，结果证明细菌叶绿素a具有抗皮肤衰老的作用，实验同时表明细菌叶绿素a上调了角蛋白K10的表达，表明角蛋白K10在抗皮肤衰老过程中发挥作用。

5 小结

角蛋白是角质形成细胞的主要蛋白，它的表达在维持和修复皮肤屏障中发挥重要作用。同时，在光老化和自然老化皮肤中，不同的角蛋白协调作用，共同影响着皮肤的年轻化及老化。因此，进一步研究角蛋白的表达不仅有助于研究皮肤老化的机制，更是为皮肤年轻化提供了更多的思路。