XVⅡ型胶原蛋白(COL17)护肤的研究现状与展望

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  胶原蛋白是哺乳动物体内含量最多的蛋白质,对其进行研究有着重要意义。本文简要介绍了胶原蛋白和XV型胶原蛋白(COL17)的概况,重点阐述了COL17 在基底膜、皮肤衰老机制和毛囊干细胞方面的最新研究进展,为研究延缓衰老化妆品,以及大疱性表皮松解症的解决和脱发的治疗提供了理论基础。
  胶原蛋白是一类纤维状、大分子蛋白质,存在于所有哺乳动物体内,由结缔组织细胞和其他类型的细胞(如肝脏、肺、脾及脑组织细胞)分泌,普遍分布于细胞外基质中,约占总蛋白的1/3[1]。目前已发现了至少49 种不同的胶原蛋白多肽链,其中可人工合成的胶原蛋白类型有 28 种。根据在体内的分布,胶原蛋白又可分为间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原, 其中间质胶原蛋白是整个机体胶原的主要部分,包括I、Ⅱ和II型胶原蛋白分子。[2]
  XVII 型胶原蛋白(COL17),又称Hemidesmosomes Fraction4 (HD4),是一种含有1497个氨基酸的跨膜蛋白,其N 端位于细胞质中,C 端位于细胞外基质中。COL17 在细胞外基质中有15 个胶原结构域,并且表位在紧密排列的非胶原第16A(NC16A)结构域内紧密排列[3]。以两种形式存在:一种是由180kDa的COL17A1链的同源三聚体跨膜分子,另一种是3个120kDa 的多肽不溶性胞外域通过弗林蛋白酶介导的蛋白水解可以从细胞表面脱落[4]。与其他跨膜胶原家族成员类似,COL17 的胞外域可以被解联蛋白和金属蛋白酶从细胞表面裂解,有趣的是,胞外域脱落发生在含有BP autoAb的主要表位的NC16A 结构域内。COL17 的NC16a 结构域含有血球样表位的免疫优势表位[5]。目前已经克隆了整个人类COL17 基因,并阐明了其内含子—外显子组织,该基因包含56 个不同的外显子,是一种在10 号染色体的长臂上间隔约52kb 的基因组。它编码多肽α1(XVII)链,有胞内球状结构域,跨膜片段和细胞外含有15 个独立的胶原亚结构域,其中最大的由242 个氨基酸组成[6]。
  COL17 在自身免疫性起泡性疾病大疱性类天疱疮 (Nishie,2014)中被定性为特征蛋白。最近的研究表明,COL17 的减少可导致毛囊干细胞(HFSC)小型化,因为缺乏该蛋白的小鼠和COL17A1突变的人类具有灰发和脱发等过早老化的皮肤表型[16]。此外, 表皮基底膜蛋白,包括COL17,在人皮肤中的标记减少与衰老也密不可分。但是目前COL17 在维持滤泡间表皮及其干细胞中的作用尚不清楚。
  COL17 在皮肤基底膜中的研究现状
  在皮肤中,基底膜(BM)对于表皮的基底角质细胞与下层真皮间的附着起到重要作用。目前已知细胞质和细胞外基质(ECM)蛋白的正确表达对于BM 的形成是必不可少的,一个分子的无效表达可以导致人类未成熟的BM形成相关的起泡疾病。但是 BM 形成中半桥体或ECM 蛋白的翻译后加工过程目前还不太清楚。研究表明,C 端卵裂球体跨膜COL17 卵裂对BM 正确形成至关重要,COL17 可诱导 BM 基因突变和人类起泡[10]。
  COL17基因COL17Al突变时, 会导致COL17蛋白缺陷,从而降低角质形成细胞—基底膜黏附作用,并减少涉及表皮黏附的半桥粒(HD)斑块大小。这些缺陷会导致一种常染色体隐性起泡性疾病—大疱性表皮松解症,这种疾病的临床表型严重程度很大程度上依赖于COL17基因突变的严重等级。COL17 表达缺陷的表皮角质形成细胞表现出可变的基底膜黏附,增加的皮肤分离度和增加的迁移率具有相似的表型,其典型特征为多发性糜烂毛疵和头发过早损失。梭子外结构域通过诱导细胞脱离来调节附着,深度影响细胞黏附和随后的信号传导,从而增加运动性并破坏分化,并且其参与自身免疫性疾病多发生在细胞外基质上的细胞迁移过程中,不仅在维持表皮稳态中有关也在促进血管生成中起关键作用,并参与炎症 、胚胎发育、伤口修复和肿瘤转移[7]。在这个过程中,丝裂原活化蛋白激酶的激活(MAPK)途径控制着细胞增殖和分化的重要基因的转录。然而, 生长因子受体和整合素也可以诱导多个信号事件,从而导致MAPK快速激活,这表明MAPK 可以导致细胞内运动机制的直接活化而不依赖于从头基因转录。
  尽管层粘连蛋白332(ECM 蛋白的主要亚型)与COL17相互作用,但突变使两个分子的结合不变。相反,突变使 ECM中COL17 的生理C-末端切割受阻。因此,未切割的 COL17胞外域残余物诱导层粘连蛋白332 在ECM中的異常沉积,这是由该突变导致的BM 重复的主要发病机制[8]。据推测,正常皮肤中COL17 胞外域脱落与基底角质形成细胞的迁移、增殖和分化有关,但是目前并没有直接的证据。一种可能的生理作用与基底角质形成细胞的分化有关,因为它们必须从ECM分离以分化成棘突和角质层;或者,正常表皮可能是一个更有活力的器官,通过包括COL17 在内的细胞表面受体与ECM 蛋白进行有效的通信,即使在正常情况下,分子的胞外域脱落也是必不可少的[12]。据报道,裂解的COL17 胞外域保留在人造水泡的表皮侧,这证明了 ECM中裂解的COL17 胞外域结合蛋白的存在。COL17 的 C-末端在体外与层粘连蛋白332 结合,而层粘连蛋白332总是存在于剥离皮肤的真皮面上,这表明ECM 中存在表皮侧上的另一个结合分子,且脱落的COL17 胞外域比层粘连蛋白332更强,该结合分子的候选分子是已知的、能够与 COL17 胞外域结合的整合素α6[9]。
  COL17 在衰老中的研究现状
  皮肤是高度结构化的器官,其干细胞自我更新、细胞增殖和分化协调维持动态平衡。除了毛囊和其他皮肤附属物之外,滤泡间表皮(IFE;非毛发皮肤)还包含不同的细胞群体。IFE 干细胞存在于基底细胞层中,这些细胞都自我更新并产生终末分化的外层细胞层,作为外部环境的障碍并防止体液损失[10]。有机体老化被定义为诱导细胞损伤的许多内在和外在因素累积引起的组织损伤。人类皮肤衰老的例子是真皮和皮肤附属物的变化,如真皮变薄、干燥、皱纹、灰发和脱发。但是老龄化对IFE 的影响一直存在争议,目前并不清楚老化使得表皮增生减少还是增多,因此机体衰老影响IFE 及其干细胞的机制尚未阐明[11]。   COL17 作为表皮和真皮之间的连接体,其在基底细胞中表达,且大部分在表皮中定型为祖细胞,数据表明COL17缺失可以通过IFE 角质形成细胞的过度增殖来诱导表皮增厚,至少部分通过新生儿阶段皮肤表皮粘连的松动。对干表皮的维持和增殖,表皮干细胞的存在是必不可少的[12],然而这些干细胞居于表皮以及其调节表皮体内平衡的理论仍然存在争议,并且可能取决于身体上的位置[13]。
  在FE(非毛发皮肤)中,科学家提出大多数基底细胞为定向祖细胞(CPs),其经历细胞分裂和分化。这些发现突出了COL17在皮肤中作为抗衰老分子的作用。COL17激活Wnt(信号通路)是新生小鼠中IFE 增殖不可缺少的调节因素。IFE 过度增殖是由机体老化引起的,可以通过COL17补充来逆转[14]。COL17 可能作用于这些干细胞标志物的下游,并且在过度表达时可以使IFE 保持在少年状态。衰老已经成为干细胞克隆扩张的触发因素,这种干细胞通过肿瘤发生来干扰组织健康,目前已经报道了在致癌处理恢复过程中老年表皮中Ki-67 阳性细胞的增生[9]。
  COL17 在毛囊干细胞中的研究现状
  头发稀疏和损失是衰老的突出表现,研究表明,毛囊干细胞(HFSC)的逐步老化可导致毛囊逐步小型化,最终导致脱发[15]。毛囊干细胞(HFSCs)存在于毛囊(HF)的凸起/亚凸起区域,在重复的毛发上维持毛发循环再生。 HFSCs 的体内分析显示,HFSCs中的DNA损伤反应可导致COL17Al/BP180水解,而COL17Al正是HFSC 维持功能的关键分子,最终引发HFSC 衰老[16]。HFSCs 最终分化为表皮角质形成细胞,驱使HF 微型化,并且能够从皮肤表面脱落受损的干细胞,如脱落的角质细胞。老化过程可以通过Coll7al缺陷来重演,并通过在HFSCs中强制维持 COL17A1来预防,表明HFSC中的COL17AI协调上皮微器官的干细胞中心老化程序[17]。
  在毛发变薄和脱落的区域中,HFSC 的标志物在老年 HFs 中的数量显著减少。而HFSC 维持的关键基因在|期和Ⅱ期HFs 中通常检测不到,表明HFSC 标记分子的下调先于 HF 在生理性衰老过程中发生糜烂和脱发。即使在HFSC 标志物表达有所降低的情况下,单个HF 成分在早期HF 中也得到良好维持;但是一旦HF 引发小型化,HF 逐渐减少,包括真皮乳头细胞的间充质细胞减少,表明老龄化相关的脱发和潜在的HF小型化和HFSC失调的特点是生理老化过程中的HFSC信号的损失[18]。老化的HFSC衍生的子代在毛发周期的诱导下不向毛发表面迁移,而是在表皮中迁移,因而不会在毛孔中自我更新,这表明HFSC 的表皮分化也促使 HF小型化。此外,在DNA损伤反应实验(DDR)中,年轻和老化的HFSC 都有不同程度的损伤,而在DNA修复实验中却发现其只在年轻的HFSCs 中富集,而老龄化的HFSC 对累积的DNA损伤没有修复作出反应。持续的DDR后,静止的HFSCs失去了干细胞的信号特性。因此,HFSCs中持续的DDR 可能是HFSC 老化的早期征兆,具有内在或外在基因组不稳定性的HFSC 达到HFSC老化状态[19]。 由TTD(trichothiodystrophy),一種人类DNA修复综合征突变引起的HF小型化或丧失和皮肤变薄所代表的相应的组织学变化与生理性HF 衰老和相关的皮肤变化相似表明存在一个共同的皮肤老化过程。
  研究表明[20],COL17A1可被ELANE(嗜中性粒细胞弹性蛋白酶,在异常分泌时被称为细胞毒蛋白酶,在年龄较大的HFSCs 中异位诱导而不能在年轻的HFSCs 中检测到)有效地降解,ELANE在HFSC中响应DNA损伤而被诱导活化。一些HFs恢复了COL17A1的原始分布表达水平,但是在TTD之后,其他不确定的HFs 降低了COL17A1蛋自表达,显示出其他关键HFSC分子的下调,这表明COL17A1表达水平降低在一定程度上使得一些HFs的COL17Al在 HFSC中降解。同时在凸起角质形成细胞中COL17A1具有统计学意义的减少或丢失,因此,HFSCs 中未修复的DNA损伤最有可能导致HFSC老化状态的特点是COL17A1消耗与持续DDR。COL17A1过表达即使在老年也显示HF 更少的小型化和明显的脱发延迟,COL17A1的强制性维护抑制了HFSC 的老化,从而延缓了过度的脱发凹。这是干细胞衰老可诱导头发变薄这一理论的关键原因,HFSCs 中 COL17A1的稳定化对于预防HFSC老化和相关的皮肤组织变化至关重要且有效[22,23]。
  总结与展望
  综上,无论是基底膜、衰老机制,还是毛囊干细胞的研究,COL17作为跨膜蛋白在表皮和真皮之间的作用是极为重要的。COL17 末端切割异常或异常降解损失,会对机体造成衰老、疾病等很严重的影响。近年COL17 的作用位点和机制成为皮肤学和医学的研究热点。研究表明22,将COL17 导入表皮可以帮助组织保持更年轻的状态,并且该现象及规律也适用于老年动物。这些发现可以帮助研究者更好地认识表皮细胞的分裂能力及其在哺乳动物不同阶段的调节机制,现已确定COL17 是控制小鼠和人类皮肤中表皮细胞分裂的关键分子。COL17作为表皮最深层形成的蛋白质,通过与Wnt信号通路协调防止新生小鼠表皮增厚,但随着年龄的增长, COL17 在小鼠和人中的分布有着显著变化,可见COL17是未来延缓皮肤衰老研究的一个有潜力的关注点。
  作者单位:北京工商大学化学与材料工程学院北京市植物资源研究开发重点实验室
  项目支持:北京市科技计划课题,项目编号 Z181100002418014
  参考文献
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