皮肤衰老过程中弹性蛋白的损伤及其机制研究进展

孔 杰，刘全忠

（天津医科大学总医院，天津 300052）

皮肤衰老是当今社会备受关注的话题。老化皮肤的主要特征为表皮变薄、真表皮连接处变平和真皮细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的整体降解。弹力纤维在皮肤老化中具有重要作用，它的降解和破坏会造成皮肤弹性减退、皮肤松垂、各种皱纹，甚至出现失去肤色的斑块和结节。

弹性蛋白是弹力纤维的主要成分，含量达90%，其前体为可溶性的弹性蛋白原（tropoelastin，TE），在皮肤中主要由成纤维细胞合成。在细胞内，TE 与弹性蛋白结合蛋白（elastin-binding protein，EBP）相结合，EBP 可以保护TE 免受不必要的细胞内降解和凝聚，还能负责TE 向细胞膜的运送。随后TE 被分泌到细胞外微纤维构成的骨架上，通过赖氨酰氧化酶（lysyl oxidase，LOX）的交联作用转化为不可溶的弹性蛋白聚合物。

TE 的表达在胎儿生命晚期开始，在新生儿阶段达到非常高的水平，然后开始逐渐下降，成年后几乎没有新的弹性蛋白生成。弹性蛋白半衰期约为70 年，因此需要常年发挥作用但数十年无更新，在长时间的工作中会积累各种损伤，破坏弹性组织的机械性能［1］。而这些损伤通常会带来难以修复的损容后果，成为学术界一直关注的重点。近年来对弹性蛋白损伤的发生机制有了深刻的认识，把弹性蛋白的损伤分为内在因素、物理因素和外界因素。

1 内在因素

1.1 基因突变 弹性蛋白基因（elastin，ELN）的主要缺陷与许多疾病相关，包括主动脉瓣上狭窄、Williams-Beuren 综合征、常染色体显性皮肤松弛症等，此类缺陷往往是严重甚至致命的。由于弹性蛋白极低的周转率，微小突变的影响也可能逐渐积累造成不良后果。David 等［2］分析了人类单核苷酸多态性，确定了人类ELN 中的118 个突变，其中17 个是非同义突变；在弹性蛋白多肽和全长ELN 中引入其中两种变体，G422S 和K463R，导致蛋白的合成和机械性能发生改变；值得注意的是G422S 出现在多达40%的欧洲人口中。所以即使是人类ELN 中微小的多态性也可能会影响弹性基质的性状，这种影响在一生漫长的时间中可能会导致包括皮肤在内的弹性组织的改变。

1.2 酶促降解 弹性蛋白的不溶性和交联性使其高度抵抗蛋白水解，是ECM 中最稳定持久的成分。然而在皮肤老化过程中，弹性蛋白会出现对酶促降解敏感性的提高［3］。参与人体组织中弹性蛋白降解的蛋白酶有丝氨酸蛋白酶，包括组织蛋白酶G、蛋白酶3、人白细胞弹性蛋白酶和糜蛋白酶样弹性蛋白酶1；基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），包括MMP-2、-7、-9、-12、-14 和脑啡肽酶；半胱氨酸蛋白酶，包括组织蛋白酶B、F、K、L、S 和V［4］。

在自然老化过程中，TE 疏水性大结构域会发生切割，而紫外线诱导的外源性皮肤老化使TE 分子的N 末端和中心部分更容易受到酶促切割，因此加速了与年龄相关的弹性蛋白降解［5，6］。

弹性蛋白降解产生的弹性蛋白衍生肽（elastinderived peptides，EDPs）可参与调节多种细胞活性，如细胞粘附、趋化、增殖、蛋白酶激活、血管生成和凋亡。特别是含有GXXPG 基序的EDP，能够与介导生物活性的EBP 相互作用而显示出生物效应。酶促作用诱发的弹性蛋白损伤与EDP 触发的生物过程相结合，会导致各种病理状态的发生和发展［6］。

1.3 非酶糖基化 非酶糖基化（nonenzymatic glycosylation，NEG）又称为Maillard 反应，是以蛋白质、脂质、核酸等为反应物，不需要酶催化的一类复杂反应，最终生成不可逆的晚期糖基化终产物（advanced glycation end products，AGEs）。在此过程中反应物与葡萄糖或果糖等糖分子共价结合，导致靶分子正常功能受到抑制［7］。

体内以蛋白质所产生的AGEs 最多，特别是赖氨酸的ε-氨基最易与糖类赖氨酸生成N-ε-（羧基甲基）赖氨酸。弹性蛋白代谢缓慢，而且含较多的赖氨酸及羟赖氨酸，这为发生NEG 提供了物质基础。弹性蛋白与细胞外液的葡萄糖发生NEG 形成AGEs，导致弹力纤维发生变性交联，皮肤弹性减退。真皮AGEs 随增龄而明显增加，中老年人群皮肤中糖基化蛋白质含量明显高于青年人群［8］。

紫外线联合NEG 能够增强参与ECM 降解的蛋白酶和促炎细胞因子IL-1α 的表达，同时糖基化的弹性蛋白对酶促降解的敏感性增加［4］，由此对弹性蛋白造成破坏；二者联合同时促进了编码弹性蛋白、弹性蛋白酶和TE 的mRNA 表达增加，增加了变性弹性组织的沉积。此外，AGEs 在衰老过程中会在皮肤中积累，紫外线需要一定水平的AGEs 来增促进氧化应激，产生的活性氧又会促进糖氧化产物的出现，这是一种恶性循环，进而逐步导致皮肤衰老和弹性丧失［9］。

1.4 氨基甲酰化 氨基甲酰化是一种蛋白质的非酶翻译后修饰，异氰酸与赖氨酸残基的游离ε-NH2 基团结合形成高瓜氨酸，这是最具特征性的氨基甲酰化衍生物，可进行特异性定量。异氰酸主要由尿素解离或髓过氧化物酶介导的硫氰酸盐分解代谢产生，生物质燃烧、生物燃料使用或烟草使用是其次要来源。

因主要来源于尿素，所以慢性肾病者的皮肤组织中有明显的氨基甲酰化累积。相比年轻人，老年人皮肤弹性蛋白的氨基甲酰化程度明显升高；与真皮乳头层相比，网状层成熟的弹力纤维高瓜氨酸标记特别强烈，弹性蛋白的长半衰期可能网状层更容易发生氨基甲酰化的原因。氨基甲酰化通过破坏分子构象、改变酶活性、降低降解能力或干扰受体识别来干扰正常功能，导致蛋白质分子衰老，这些改变可能影响弹性蛋白的结构和功能，通过降低皮肤弹性促进皮肤老化［10］。

1.5 天冬氨酸外消旋化 弹性蛋白的老化过程与D-天冬氨酸的积累有关，D-天冬氨酸是通过 L-天冬氨酸的年龄依赖性外消旋化形成的，速率约为每年0.1%。由于极慢的速度，天冬氨酸外消旋化只能在长寿命蛋白质中测定。随着年龄增长，不同组织弹性蛋白中D-天冬氨酸含量均有不同程度的增加，皮肤和黄韧带的弹性蛋白积累率最高，分别为36×10-4年-1、 41×10-4年-1。D-天冬氨酸的积累及其通过羧甲基转移酶的甲基化可能会引起弹性蛋白构象变化，从而导致进一步的交联，同时对酶促降解的敏感性也会提高［4］。 有资料表明氧化应激与弹性蛋白肽热处理溶液中D-天冬氨酸的形成之间存在联系，这表明L-天冬氨酸在衰老组织中的消旋化可能受到氧化应激的影响［11］。

2 物理因素

皮肤能够通过变形承受一定量的外力，当外力被移除时皮肤由于其黏弹性返回到静止状态。胶原纤维和弹力纤维的存在是形成皮肤这种力学特性的原因。胶原纤维在施加力的方向上重新滑动排列，分散了外力施加的能量，允许皮肤变形到一定的极限，而不会造成严重的损伤；弹力纤维通过储存来自所施加的力的能量使皮肤维持弹性，并确保皮肤在外力消除后能够恢复到原始静止状态［12］。由于弹力纤维的重复拉伸或弹力纤维内部和之间剪切应力的重复循环，造成“弹性蛋白疲劳”，导致其不可阻挡的降解和弹性丧失，使机械负荷从弹性蛋白转移到胶原蛋白，进而造成组织硬化［13］。

细胞对机械力产生生理反应，称为机械力转导。细胞会将机械负荷识别为刺激，并将信号传递给ECM 的成分，例如胶原蛋白、弹性蛋白、包括整合素、肌动蛋白丝、非肌肉肌球蛋白在内的跨膜受体。成纤维细胞的循环拉伸激活了 ECM 成分的基因表达，这通常会导致富含胶原蛋白的致密 ECM 组装。新合成的ECM 将在与施加力相同的方向上排列［12］。

3 外界因素

3.1 紫外线 紫外线引起的光老化会导致皮肤粗糙变厚，失去弹性，形成皱纹。光老化皮肤的特征性病理改变是变性弹力纤维在真皮中上层的堆积，这些纤维增粗、卷曲，排列紊乱，无功能，形成无定型、颗粒状均匀嗜碱性物质。一般认为是由弹性蛋白等弹性成分表达异常升高和正常弹力纤维降解共同造成。

紫外线照射可以诱导转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）表达增加，后者通过Smad 和MAPK 途径介导弹性蛋白的基因表达的上调［14］。紫外线照射可以引起皮肤氧化应激，在表达人弹性蛋白促进剂的转基因小鼠试验中，活性氧可以使该小鼠弹性蛋白促进剂的活性增加6 倍以上［15］。此外，紫外线还可以使表皮和真皮中的细胞质LOX 活性增加，可能有助于弹性蛋白的额外交联，从而增加组织硬度［16］。

在光老化皮肤中，多种酶参与弹性蛋白的降解，其中组织蛋白酶B、D、K 和G 的水平和活性可以被认为是皮肤光老化的潜在生物标志物［17］。组织蛋白酶K 是目前最强的降解弹性蛋白的酶，Codriansky 等［18］研究发现年轻人成纤维细胞暴露于UVA 后，组织蛋白酶K 被诱导表达，而老年供体的细胞没有此类现象。将皮肤成纤维细胞与荧光标记的弹性蛋白共同培养，细胞外的弹性蛋白会被内吞至溶酶体内，然后被组织蛋白酶K 降解。抑制组织蛋白酶K 活性后，具备降解弹性蛋白功能的成纤维细胞数下降了68%。与年龄相关的组织蛋白酶K 活性下降可能通过抑制有序的细胞内弹性蛋白降解和随后弹性蛋白在细胞外空间的积累来促进光线性弹性组织变性的形成。

在分子水平上，如前所述，光老化过程中TE 的N-末端和中心部分破坏增强、对酶促降解的敏感性升高［6］；弹性蛋白的糖化和脂质过氧化也会增加变性弹性蛋白的积累［4］。

3.2 红外线和热 到达地球表面的太阳能几乎有一半左右来自红外线波长的范围内，红外线与组织内的分子相互作用，使分子振动，产生热量。低剂量红外线通过NF-κB 通路起到治疗治疗作用，促进胶原蛋白和弹性蛋白的表达；高剂量的辐射会通过AP-1 产生病理作用［19］。Chen 等［20］用43℃热刺激人体皮肤90 min，皮肤TE 表达量增加，但弹力纤维的另一种重要成分原纤维蛋-1 则出现不同结果，在表皮中增加，真皮中下降。此外，红外线还可以诱导 LOXL1基因表达并增强弹性蛋白交联［21］。当皮肤温度超过39℃时，红外线和热休克诱发的活性氧会在人体皮肤中大量产生，导致MMP 的合成，降解ECM［19］。失衡的弹性成分表达以及正常弹力纤维的降解，提示红外线辐射和热也会促进皮肤的光老化。

3.3 烟草烟雾 重度吸烟者非曝光部位皮肤弹力纤维数量和总面积显著增加，数量增加是由于纤维的降解和断裂。烟草烟雾可以抑制TE 的转录和LOX的调节，使弹性蛋白合成减少；还可以通过下调TGF-β1 受体和诱导其非功能性潜伏形式来阻断细胞对TGF-β1 的反应，而TGF-β1 是刺激弹性蛋白产生的重要细胞因子［22］。此外，烟雾可以诱导MMP-7 的产生，增加弹性蛋白的降解。烟雾中的尼古丁还可以抑制成纤维细胞的增殖［12］。

Abigail 等［23］在近期的研究中发现，吸烟者非曝光部位皮肤弹力纤维由于弹性蛋白和原纤维蛋白微纤维的大量沉积发生结构重塑。以往认为弹力纤维重塑的重要机制是局部MMP-2 和MMP-9 的活性增高，而在这项研究中无论吸烟状况如何，皮肤内这两种酶活性水平是不变的。吸烟者可以出现全身性氧化应激，自由基通过血液循环分布全身，高度血管化的真皮可能对氧化应激特别敏感，导致一连串下游反应，最终导致弹性蛋白和原纤维蛋白微纤维降解和重塑。

4 结语

随着社会的发展，抗老化的问题被越来越重视，皮肤是最直观反映人衰老特征的器官，因此对于皮肤抗衰老的关注尤为突出。皮肤衰老过程中，胶原纤维和弹力纤维受到的影响最为严重，胶原蛋白的一些损伤可以在频繁的更新中得到修复，而弹性蛋白的损伤逐渐积累，对皮肤造成的影响多是不可逆的。外在因素和机械因素可以人为去避免或减少，内在因素也在研究有可能的调节机制，对化妆品的研发、修复方法的探索都有一定积极意义。