黑素体在黑素细胞内运输及调控机制的研究进展

宁 婧，张汝芝

(苏州大学附属第三医院 皮肤性病科， 江苏 常州 213003)

黑素体(melanosomes, MS)是黑素细胞(melano-cytes, MC)中一种专门合成、储存和运输黑素的溶酶体相关膜性细胞器。MS内含多种特殊的黑素合成酶和相关结构蛋白，其中酪氨酸酶(tyrosinase，TYR)是黑素合成的关键限速酶[1]。MS经历4个不同阶段(Ⅰ～Ⅳ期)至完全发育成熟后，沿MC骨架向外周运输直至质膜，后迁移到邻近的角质形成细胞(keratino-cytes, KC)中，聚集在核上方，保护KC的DNA免受光损伤[2]。MS运输障碍可直接影响皮肤和毛发的颜色，与多种色素性疾病相关， 如Griscelli综合征、有点状白斑的Darier病、色素性基底细胞上皮瘤及无色素痣等[3]。本文简要综述MS在MC中的运输及调节机制。

1 MS在MC中的运输路径

早期未成熟MS在核周区域停留，发育成熟后向细胞周围运输，该过程是3种蛋白[动力蛋白(dynein)、驱动蛋白(kinesin)以及肌球蛋白(myosin)]与两种细胞骨架[微管(microtubules，MT)和肌动蛋白微丝(actin filaments，AF)]相互作用的结果[4]。MT为长距离运输(>1 μm)轨道，与驱动蛋白和动力蛋白相互作用，介导MS在细胞中心和外周之间快速、双向、远距离运输。AF组成的复杂网络为短距离运输(<1 μm)轨道,与肌球蛋白共同将MS运输到MC树突顶端并锚定在胞膜上，等待下一步转运进入KC[5]。

2 MS在MT上的运输

2.1 顺向运输

驱动蛋白-1在哺乳动物的MC中高表达，与成熟MS上的Rab1A(RAB家族的一员,一种小GTP酶)以及沙门氏菌诱导丝状体A-驱动蛋白相互作用蛋白(SifA-kinesin-interacting protein，SKIP, Pleckstrin同源结构域蛋白M家族的一员)共同形成Rab1A-SKIP-驱动蛋白-1运输复合物，介导MS在MT上的顺向运输[6]。动力肌动蛋白亚基1(dynactin subunit 1，DCTN1，又称p150 Glued)缺陷的melan-a细胞中的Rab1A敲低会抑制MS顺向运输，导致MS在核周聚集，说明Rab1A在MS沿MT顺向运输过程中具有重要作用。微管相关蛋白1轻链3B (microtubule-associated protein 1 light chain 3B, MAP1-LC3B/LC3B)基因敲除的MC中可见MS核周聚集现象，说明LC3B可能也参与组成运输复合物，并且可以在不影响MT的情况下，特异性降低MS的运动速度，在调节顺向运输的过程中起着重要作用[7]。

2.2 逆向运输

依赖MT的MS逆向运输由动力蛋白-动力肌动蛋白(dynactin)运动复合体介导。动力蛋白是目前已知的最大、最快的动力蛋白，在介导MS沿MT的逆向运动中起着至关重要的作用，需与动力肌动蛋白(dynactin)结合才具有活性，再通过动力肌动蛋白上的p150 Glued亚单位与MT结合，从而介导MS的逆向运输。动力蛋白受到抑制或动力蛋白-动力肌动蛋白复合体被破坏时，均会出现MT上的MS顺向运动增强，原本聚集在核周区域的MS分散到细胞外周，甚至出现超分散现象[8]。逆向运输在MT介导的双向运动中占主导作用，这可能与利于未成熟MS在核周区域发育成熟相关，因此，MT对MS的核周聚集具有极其重要的作用。

2.3 依赖MT的MS运输的调控

无色素痣(naevus depigmentosus, ND)又称脱色素痣，是一种病因不明的先天性、非家族性皮肤色素减退斑，皮损内可见MC中部分MS停滞在Ⅰ、Ⅱ期并伴转运异常，可能与未成熟MS主要受逆向运输调控相关[9]。

MS的最终定位很大程度上取决于驱动蛋白和动力蛋白的数量和激活状态。顺向运输过程中动力蛋白始终附着于MT并与驱动蛋白竞争，而逆向运输过程中驱动蛋白脱离轨道，不影响运输过程。动力肌动蛋白可以与动力蛋白和驱动蛋白-Ⅱ发生竞争性的结合，提示其可能是协调双向运动平衡的关键性分子[10]。MS沿MT的双向运输也受Rab7和Rab27A相对数量调控。早期未成熟MS主要和Rab7结合，Rab7与Rab相互作用溶酶体蛋白(Rab-interacting lysosomal protein，RILP)和p150 Glued结合形成Rab7-RILP-肌动蛋白复合物，发挥逆向运输调控作用，以促使其核周聚集并进一步发育成熟[11]。黑素调节蛋白(melanoregulin，Mreg)通过影响MS对动力蛋白和动力肌动蛋白的招募调控MS在MT上的逆向运输[12]。摩托蛋白的结合伴侣和调节蛋白上的修饰物也可决定MS的最终定位，微管结合蛋白4(microtubule-associated protein 4，MAP4)磷酸化可抑制MS与MT结合，促进动力蛋白介导的逆向运输并抑制顺向运输[13]。整合素连接激酶(integrin-linked kinase，ILK)也是MS沿MT轨道正常运输所必需的，缺乏ILK时，未成熟MS不能在核周区域停留，而成熟MS会沿MT轨道进行随机双向运动，无法实现向MT树突端的净位移[14]。

3 MS在AF上的运输过程

3.1 MT上的MS被捕获至AF

经MT依赖的长距离顺向运输被运送到细胞周边后，未成熟MS通过逆向运输返回细胞核周区域，而成熟的MS与MT分离，在AF和肌球蛋白-Va的共同作用下被捕获，附着在AF丰富的树突顶端和侧缘区域，阻止其返回细胞中心[15]。自噬相关蛋白酶4B(autophagy related protease 4B，ATG4B)是MS转位到AF所必需的，MS在相关LC3B被ATG4B脱脂并分离后才能够转位，而内源性ATG4B水平的siRNA缺失可发生MS核周聚集[7]。肌球蛋白-Va突变的MC中，成熟MS沿MT进行双向运动，无法在外周聚集。Rab27A也参与捕获过程，Rab27a基因缺失会引起MS在MT上的逆向运输增强，导致核周聚集。Rab36是MS在MT和AF间转移的开关，RILP-动力蛋白和RILPL2-肌球蛋白-Va可与MS上的Rab36竞争性结合，从而影响捕获过程[16]。

3.2 Rab27a-Mlph-肌球蛋白-Va三元运输复合体

MS被AF捕获后，在AF富集的树突尖端区域进行局部、短距离运动。对依赖AF的MS运动的认识很大程度上依赖于格林塞利综合征(Griscelli syndr-ome，GS)。GS是一种罕见的常染色体隐性遗传病，以皮肤色素减退、银发、免疫缺陷及毛干内大量簇状色素沉着为特征。电镜下可见皮损处MC核周有大量正常、成熟MS异常沉积。Rab27A、肌球蛋白-Va和黑素亲和素(melanophilin，Mlph)发生异常或基因突变分别导致GS-Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型[3]。这些突变细胞中的MS向树突尖端转移受阻，在MC的核周区域聚集，表明AF介导的运输存在缺陷。

MS沿AF向树突尖端的运输以及分散状态的维持是由成熟MS表面表达的Rab27A依次招募Mlph和肌球蛋白-Va所形成的Rab27A-Mlph-肌球蛋白-Va三元运输复合物所介导的。以往普遍认为MT和AF及其相关的运动蛋白在长距离和短距离细胞器运输中起互补作用。然而，在MT耗竭的细胞中，肌球蛋白-Va也能迅速(速度>1 μm/min)将MS运输到细胞外周的树突尖端部位(距离>10 μm)，表明AF和三元运输复合物在MS远距离运输中也具有一定作用[17]。

3.3 依赖AF的MS运输的调控

依赖AF的MS运输过程受到Rab27A、Mlph和肌球蛋白-Va之间相互作用、与AF的结合情况及其他蛋白的调控。

Rab27A是MITF的直接作用靶点，Rab27A-交换蛋白(Rab27A-GDP/GTP exchange protein，Rab3GEP)可激活Rab27A并靶向到MS膜上，促进MS转运[18]。异甘草素(isiquiritigenin，ISL，甘草根中提取的一种黄酮类化合物)可激活MAPK/ERK通路而降低MITF的表达，导致Rab27A的表达降低，抑制MS转运[19]。而原卟啉IX(protoporphyrin IX，PPIX)通过激活cGMP/PKG信号通路诱导MITF及Rab27A的表达增加，促进MS运输[20]。Mlph在三元运输复合体中起连接作用，是关键的中间物质，其表达受糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor，GR)的调节[21]。16-Kauren-2-beta-18,19-triol(一种从热带植物-Asteraceae psiadia punctulata中提取的天然二萜类化合物)可在不影响Rab27A和肌球蛋白-Va表达的情况下选择性抑制Mlph在mRNA和蛋白水平的表达，从而抑制MS转运[22]。抗增殖蛋白(prohibitin，PHB/BAP32)可通过增强Rab27A和Mlph之间的相互作用调节MS转运[23]。突触结合蛋白样蛋白2-a(synaptotagmin-like protein 2，Slp2-a/Sytl2)也可与Rab27A及Mlph相互作用，对MS依赖AF的运输过程进行调控[13]。Mlph的C端肌动蛋白结合域(actin binding domain，ABD)的磷酸化状态可以调控MS对运动轨道的选择，低水平cAMP使大量Mlph去磷酸化，肌球蛋白-Va活性降低后与MS分离，使MS倾向于与MT结合而向细胞核的聚集，而中等水平至高水平的cAMP使Mlph磷酸化，发挥抑制动力蛋白的作用，增强与肌球蛋白-Va的结合，在不增加Rab27A-Mlph-肌球蛋白-Va三元运输复合体形成情况下促进MS与AF结合，使MS向树突尖端分散[24]。肌球蛋白-Va的ATP酶活性受RILPL2调节后可加强肌球蛋白-Va与Mlph的作用，从而调节MS依赖AF的运动[16]。

4 问题与展望

MS直接影响皮肤和毛发的颜色，在保护人体和皮肤健康方面也具有重要作用，其运输缺陷会导致多种色素相关性疾病。MS从MC核周向外周转运的过程是动力蛋白、驱动蛋白和肌球蛋白分别与MT和AF相互作用的结果，然而，此运输过程及相关调控机制尚未完全明确，MT如何与AF协同运输MS，MS运输的方向性如何被精确调控，生物体内的MS运输机制是否和体外实验完全相同，仍有待进一步研究。深入研究MC内MS运输及调控机制，有助于揭示MS运输障碍相关色素性疾病的发病及调控机制，发现潜在的治疗靶点，为临床治疗提供新的思路和方向。