皮膚黑色素形成機(jī)理與干預(yù)機(jī)制

陳卓?jī)x，劉曉英，鄭雅婷，洪 婷，劉潭林，杜志云

（1. 廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006；2. 無限極（中國(guó)）有限公司，廣東 廣州 510000）

俗話說“一白遮三丑”，美白是現(xiàn)代廣大女性關(guān)注的熱門話題。由于皮膚的顏色主要由皮膚色素含量及分布決定，黑色素是最主要的決定因素。因此美白化妝品功效性評(píng)價(jià)往往通過皮膚黑色素含量的減少程度來進(jìn)行評(píng)判。

皮膚的色素物質(zhì)主要包括黑色素、胡蘿卜素等。黑色素廣泛存在于人的皮膚、黏膜、視網(wǎng)膜、軟腦膜、膽囊及卵巢等處。其中，白種人皮膚含褐黑色素居多，膚色較淺；黃種人的皮膚以真黑色素居多，膚色較深。因此抑制真黑素和褐色素的形成是美白的主要途徑之一。

1 黑色素的形成與調(diào)控

1. 1 黑色素形成機(jī)理

黑色素的形成主要涉及3種酶：酪氨酸酶（TYR）、DHICA氧化酶（TRP-1）和多巴色素異構(gòu)酶（TRP-2）。酪氨酸酶是一種銅蛋白，是黑色素生成的關(guān)鍵酶，其活性中心的雙核銅離子在酶催化中起重要作用。

黑色素生成的初始階段是由苯丙氨基酸和酪氨酸在TYR的催化作用下氧化生成多巴醌（DQ）開始，DQ可以成為合成真黑素和褐色素的基質(zhì)。第1個(gè)步驟是黑色素合成的關(guān)鍵步驟，剩余的反應(yīng)可自發(fā)地在生理pH下進(jìn)行。DQ形成后，DQ經(jīng)過分子內(nèi)除氨基生成白色多巴色素。白色多巴色素與DQ之間的氧化還原再產(chǎn)生多巴色素和多巴。多巴色素逐漸分解，大部分脫羥生成二羥基吲哚（DHI），而少部分生成二羥基吲哚羧酸（DHICA）。最后，DHI氧化成吲哚-5，6-醌（IQ），IQ、DHICA和白色多巴色素生成的吲哚-5，6-醌-2-羧酸（ICAQ）一起被氧化生成真黑素。其中TRP-1是催化DHICA氧化成真黑素的重要酶。另外，在谷胱甘肽或半胱氨酸的作用下，DQ轉(zhuǎn)換成5-S-半胱氨酸多巴（5-S-CD）和少量的2-S-半胱氨酸多巴（2-S-CD）。之后反應(yīng)生成谷胱氨酸多巴，進(jìn)而被氧化生成半胱苯肼噻嗪（HBTA），生成褐色素[1-5]。真黑素與褐色素最終合成黑色素。

圖 1 黑色素的生成路徑（真黑色素和褐色素生成）[25]Fig. 1 Pathway of melanin production （eumelanin and pheomelanin）

圖 2 EDN1和SCF靶點(diǎn)的運(yùn)作機(jī)制Fig. 2 The mechanism of EDN1 and SCF targets

1. 2 黑色素在細(xì)胞分子水平上的調(diào)控

內(nèi)皮素1（EDN1）和干細(xì)胞因子（SCF）是最本質(zhì)的導(dǎo)致黑色素在皮膚上發(fā)生不均勻色素沉積的靶點(diǎn)。相對(duì)于直接抑制酪氨酸活性，干預(yù)EDN1或SCF特有的細(xì)胞內(nèi)通路是一個(gè)十分有效的路徑。對(duì)皮膚黑變病、日光斑、黃褐斑或者與它們相關(guān)色素沉積的抑制也是有效的。

細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制與EDN1、SCF、小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（MITF）、蛋白激酶A（PKA）、蛋白激酶C（PKC）、酪氨酸相關(guān)蛋白質(zhì)-1（TYRP-1）、多巴色素異構(gòu)酶（DCT）、酪氨酸激酶（TYK）和α-促黑色素細(xì)胞激素（α-MSH）等都有關(guān)[9]。

EDN1和SCF分別和它們的受體EDNRB、c-KIT結(jié)合，引起聚磷酸肌醇水解生成三磷酸肌醇（IP3），IP3可調(diào)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+，而甘油二酯通過活化磷脂酶Cγ，從而激活PKC。其中激活的PKC使蘇氨酸蛋白激酶（Raf-1）發(fā)生磷酸化，磷酸化的Raf-1將信號(hào)傳遞到絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）時(shí)，使MEK，ERK和RSK均按順序被激活并發(fā)生磷酸化，最終磷酸化的RSK將信號(hào)傳導(dǎo)至cAMP應(yīng)答元結(jié)合蛋白（CREB），使其激活并發(fā)生磷酸化。磷酸化的CREB作用于MITF基因上并與其基因啟動(dòng)子結(jié)合，使MITF被轉(zhuǎn)錄并翻譯，最終作用于TYR基因上，使TYR激活，導(dǎo)致黑色素的產(chǎn)生[10]。

于此同時(shí)，活化的PKC也通過α-MSH及其黑色素受體1（MC1R）造成cAMP的升高，cAMP能通過信號(hào)傳導(dǎo)激活細(xì)胞內(nèi)的PKA，而活化PKA也能引起CREB磷酸化，磷酸化的CREB同樣作用于MITF基因上，導(dǎo)致黑色素的產(chǎn)生。

另外，SCF與其受體c-KIT結(jié)合，也通過二聚化和自身磷酸化調(diào)節(jié)酪氨酸激酶本身的活性。被激酶磷酸化的ERK和RSK也與其他轉(zhuǎn)錄因子SOX10，PAX3等結(jié)合，從而增加黑色素細(xì)胞特殊蛋白的基因和蛋白質(zhì)水平的表達(dá)。

所以在正常人類黑色素細(xì)胞中EDN1和SCF兩個(gè)信號(hào)之間發(fā)送信號(hào)，在細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通道內(nèi)相互傳遞信 號(hào)[15]，刺激表皮黑色素的合成與沉積。

2 黑色素的干預(yù)機(jī)制

2. 1 黑色素合成通路

黑色素的生成通過一系列細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通道進(jìn)行調(diào)控，主要有3個(gè)最常見的信號(hào)通道分別是cAMP-依賴信號(hào)通路、Wnt/β-連環(huán)蛋白通路和ERK信號(hào)通路，這3個(gè)常見的信號(hào)通路均參與了MITF監(jiān)管調(diào)控黑色素生成[6-8]。MITF是黑色素在黑色素細(xì)胞主要的調(diào)節(jié)因子，通過綁定TYR，TRP-1和TRP-2基因表達(dá)的啟動(dòng)因子區(qū)域調(diào)節(jié)TYR，TRP-1和TRP-2的轉(zhuǎn)錄。

2. 1. 1 cAMP-依賴信號(hào)通路

MC1R是在黑色素細(xì)胞中生成黑色素的關(guān)鍵控制器。當(dāng)α-MSH刺激MC1R時(shí)，它通過腺苷酸環(huán)化酶（AC）激活產(chǎn)生cAMP。cAMP進(jìn)而激活PKA，PKA通過CREB的磷酸化激活MITF的基因表達(dá)。最后通過與TYR，TRP-1和TRP-2啟動(dòng)區(qū)域相互作用，MITF基因轉(zhuǎn)錄生成黑色素相關(guān)的蛋白。

一旦α-MSH與MC1R結(jié)合，黑色素原生成增加100倍[25]。除了α-MSH之外，β-MSH和促腎上腺皮質(zhì)激素也通過這個(gè)方式促進(jìn)黑色素生成。

2. 1. 2 Wnt或β-連環(huán)蛋白通路

Wnt配體與受體Frizzled結(jié)合激活后，一系列復(fù)雜的反應(yīng)會(huì)引起β-連環(huán)蛋白（β-catenin）在細(xì)胞內(nèi)的積累。在這個(gè)通道內(nèi)，Wnt與G-蛋白耦合因子（Go/Gq）綁定，蓬亂蛋白（DVl）被吸收到質(zhì)膜，從而導(dǎo)致糖原合成絲氨酸激酶-3β（GSK-3β）失活。隨后，復(fù)合物被破壞，β-catenin的降解被抑制。穩(wěn)定的β-catenin從而進(jìn)入細(xì)胞核促進(jìn)MITF基因的表達(dá)[19，20]。因此，Wnt通路是通過上調(diào)MITF活性來刺激黑色素的生成。

2. 1. 3 ERK信號(hào)通路

ERK信號(hào)通路也稱為MAPK信號(hào)通路，涉及MAPK在內(nèi)的許多蛋白。當(dāng)一個(gè)信號(hào)分子SCF與細(xì)胞表面的受體c-Kit結(jié)合，Ras致癌基因會(huì)激活Raf激酶、MEK激酶和ERK1/2。被磷酸化的MITF泛素化和退化，從而消除相關(guān)蛋白基因的表達(dá)。因此，ERK信號(hào)通路是通過激活Ras致癌基因抑制正常和病變的黑色素細(xì)胞中黑色素的生成。

圖 3 黑色素形成的信號(hào)通路[25]Fig. 3 Melanin formation signaling pathway

2. 1. 4 其他路徑

1）通過增加表皮γδT細(xì)胞的白介素-13（IL-13）抑制TYR和DCT。2014年Han等[13]發(fā)現(xiàn)人參腺苷F1通過抑制人皮膚表面黑色素細(xì)胞或角質(zhì)層的黑色素細(xì)胞中酪氨酸酶和DCT的mRNA表達(dá)，從而達(dá)到美白的效果。其中人參腺苷F1增加了人表皮上γδT細(xì)胞的IL-13的量，而IL-13對(duì)TRY和DCT的蛋白數(shù)量和它們?cè)谡Ｈ吮砥RNA表達(dá)的減少有重要的作用。

2）通過調(diào)節(jié)降低環(huán)氧酶-2（COX-2）從而抑制黑色素的生成。COX-2是一種促進(jìn)黑色素生成的誘導(dǎo)酶，UV促進(jìn)COX-2的表達(dá)。Kim等[15]發(fā)現(xiàn)在黑色素細(xì)胞中COX-2降低可抑制TYR、TRP-1、TRP-2、gp100質(zhì)粒DNA和MITF的表達(dá)，同時(shí)降低TYR酶的活性。并且COX-2的基因小干擾RNA（siRNA）明顯地降低α-MSH，從而抑制其誘發(fā)黑色素細(xì)胞色素 沉積。

因此，COX-2是抑制黑色素生成和α-MSH誘發(fā)色素沉積的一個(gè)重要靶點(diǎn)，與COX-2的表達(dá)有關(guān)。COX-2的抑制劑可能在美白化妝品中對(duì)于色素沉積失常如雀斑、色素過多、色斑等的調(diào)節(jié)有作用。

3）糖基化。Diwakar等[26]通過皮膚活體組織和角質(zhì)黑色素細(xì)胞在外源凝集素的板上混合培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黑色素細(xì)胞內(nèi)黑色素含量的變化與糖蛋白的含量變化成正比，從而證明黑色素的生成與糖蛋白相關(guān)，但糖基化的路徑還未知。

4）脂肪干細(xì)胞通過白介素-6（IL-6）調(diào)控抑制表皮黑色素細(xì)胞。2014年Kim等[27]發(fā)現(xiàn)，IL-6對(duì)人表皮黑色素細(xì)胞有直接的作用。他們通過將人類表皮黑色素細(xì)胞分成3組分別在脂肪干細(xì)胞條件培養(yǎng)基、人類皮膚纖維細(xì)胞條件培養(yǎng)基和對(duì)照培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)脂肪干細(xì)胞條件培養(yǎng)基和人類皮膚纖維細(xì)胞條件培養(yǎng)基都抑制了黑色素增殖和生成，但脂肪干細(xì)胞培養(yǎng)基比人皮膚成纖維細(xì)胞條件培養(yǎng)基對(duì)人黑色素細(xì)胞增殖、生成和酪氨酸酶活性更有效果。

之后將IL-6中和抗體與脂肪干細(xì)胞培養(yǎng)基混合培養(yǎng)人表皮黑色素細(xì)胞，再次測(cè)定黑色素細(xì)胞的生長(zhǎng)和黑素生成。結(jié)果表明[27]，IL-6中和抗體能顯著影響脂肪干細(xì)胞培養(yǎng)基對(duì)表皮黑色素細(xì)胞的抑制作用，使人表皮黑色素細(xì)胞增殖， 黑素含量、酪氨酸酶活性和酪氨酸酶mRNA水平恢復(fù)正常。

所以，胚胎干細(xì)胞條件培養(yǎng)基通過降低黑色素合成的酶活性來抑制黑色素細(xì)胞增殖和黑色素生成，其中IL-6起到關(guān)鍵作用。

2. 2 黑色素運(yùn)輸路徑干預(yù)

2. 2. 1 纖維母細(xì)胞（根源產(chǎn)生）

黑色素細(xì)胞與相鄰細(xì)胞（皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞和成纖維細(xì)胞）之間的相互作用在人類皮膚顏色的調(diào)節(jié)中起著重要的作用。神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白-1（NRG1）高度表達(dá)于菲茨帕特里克VI型皮膚的纖維母細(xì)胞，很大程度決定了人類的基本膚色。Choi等[29]研究參與調(diào)節(jié)黑色素細(xì)胞黑色素生成的NRG1活性基序，發(fā)現(xiàn)8基序增加黑色素的生成，卻沒有促進(jìn)黑色素細(xì)胞的增殖，且產(chǎn)生這種效應(yīng)的是最小的片段四肽。所以這種小生物活性肽只調(diào)節(jié)色素沉著而不刺激黑色素細(xì)胞增殖。

2. 2. 2 肌球蛋白（中間攔截）

調(diào)整actin-based肌球蛋白可以調(diào)節(jié)黑色素在表皮黑色素細(xì)胞的運(yùn)輸系統(tǒng)，Rab-肌球蛋白運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)成為許多類型細(xì)胞的細(xì)胞器運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)基本機(jī)制。

2. 2. 3 黑色素沉積被巨噬細(xì)胞吞噬（后期消除）

巨噬細(xì)胞通過泛素蛋白酶體循環(huán)（UPS）調(diào)控皮膚黑色素細(xì)胞中控制黑色素合成的TYR的分解。對(duì)碳水修飾物的研究[22]已經(jīng)表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）的TYR通過與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)降解發(fā)生水解作用。內(nèi)因子調(diào)節(jié)UPS和脂肪酸已經(jīng)被證實(shí)通過調(diào)節(jié)，增加或減少酪氨酸可加速泛素酪氨酸酶水解，泛素酪氨酸酶又可以通過蛋白酶體進(jìn)行加速或減速分解。

2. 3 黑色素的分解及代謝

黑色素排泄主要有2條途徑：一是黑色素在皮膚內(nèi)被分解、溶解和吸收后穿透基底膜，被真皮層的嗜黑色素細(xì)胞吞噬后，通過淋巴液帶到淋巴結(jié)再經(jīng)血液循環(huán)從腎臟排出體外；二是黑色素通過黑色素細(xì)胞樹枝狀突起，向角質(zhì)形成細(xì)胞轉(zhuǎn)移，然后隨表皮細(xì)胞上行至角質(zhì)層，隨老化的角質(zhì)細(xì)胞脫落而排出體外[23，24]。

2. 4 外在環(huán)境因素干預(yù)

皮膚色素沉著的外在調(diào)節(jié)主要受紫外線輻射的影響。色素沉著很大程度上是由于UVA，它使得黑色素的合成增加。在3～4 d紫外線輻射后，色素沉著延長(zhǎng)，主要是由于UVA和UVB輻射，增加表皮黑色素的水平，黑色素生成保護(hù)皮膚[20]。一方面，紫外線輻射增加黑色素細(xì)胞增殖、樹突數(shù)和黑素體轉(zhuǎn)移，黑色素停留在角質(zhì)形成細(xì)胞的細(xì)胞核上起保護(hù)作用，防止染色體受到光線輻射受損；另一方面，在角質(zhì)形成細(xì)胞和黑色素細(xì)胞POMC表達(dá)肽中，MC1R和黑素酶增加。

2. 5 內(nèi)在生理性因素調(diào)節(jié)

由于人口老齡化的增加，孤獨(dú)、退休、健康問題和睡眠問題引起的壓力變得越來越普遍。這些壓力和睡眠不足會(huì)影響皮膚再生和皮膚狀況，從而導(dǎo)致黑色素的生成。研究證實(shí)[4]，壓力和睡眠習(xí)慣都對(duì)面部皮膚狀況有影響。因此，要正確地調(diào)節(jié)壓力和睡眠，才能保持皮膚健康和活力。

另外，人正常表皮黑色素細(xì)胞中含有雌激素受體。在雌激素對(duì)其影響的研究中[28]，TYR活性顯示刺激了黑素酶。而雄性激素調(diào)節(jié)TYR活性，是皮膚色素沉著的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。研究強(qiáng)調(diào)2種性激素在調(diào)節(jié)皮膚色素沉著的重要性，因?yàn)?種性激素都同時(shí)參與不同細(xì)胞因子的調(diào)控，引起皮膚色素沉著。

3 結(jié)論

綜上所述，即使皮膚黑色素的機(jī)理研究已在多個(gè)方面取得顯著進(jìn)展，但在化療藥物的調(diào)控機(jī)制、糖基化路徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中酪氨酸酶的研究等方面仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。且市場(chǎng)大部分美白產(chǎn)品的研究仍相對(duì)較傳統(tǒng)，在抑制黑色素細(xì)胞增殖分化方面的研究甚少。相信隨著科技與研究的進(jìn)步，黑色素機(jī)理通路等的研究會(huì)更加全面成熟，美白產(chǎn)品研究中的黑色素立體多途徑復(fù)合干預(yù)，皮膚滲透技術(shù)等新思路也將會(huì)被廣泛 應(yīng)用。