翟文麗 何聰芬 董坤

膠原蛋白是哺乳動物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì)，對其進行研究有著重要意義。本文簡要介紹了膠原蛋白和XV型膠原蛋白（COL17）的概況，重點闡述了COL17 在基底膜、皮膚衰老機制和毛囊干細胞方面的最新研究進展，為研究延緩衰老化妝品，以及大皰性表皮松解癥的解決和脫發(fā)的治療提供了理論基礎(chǔ)。

膠原蛋白是一類纖維狀、大分子蛋白質(zhì)，存在于所有哺乳動物體內(nèi)，由結(jié)締組織細胞和其他類型的細胞（如肝臟、肺、脾及腦組織細胞）分泌，普遍分布于細胞外基質(zhì)中，約占總蛋白的1/3[1]。目前已發(fā)現(xiàn)了至少49 種不同的膠原蛋白多肽鏈，其中可人工合成的膠原蛋白類型有 28 種。根據(jù)在體內(nèi)的分布，膠原蛋白又可分為間質(zhì)膠原、基底膜膠原和細胞外周膠原， 其中間質(zhì)膠原蛋白是整個機體膠原的主要部分，包括I、Ⅱ和II型膠原蛋白分子。[2]

XVII 型膠原蛋白（COL17），又稱Hemidesmosomes Fraction4 （HD4），是一種含有1497個氨基酸的跨膜蛋白，其N 端位于細胞質(zhì)中，C 端位于細胞外基質(zhì)中。COL17 在細胞外基質(zhì)中有15 個膠原結(jié)構(gòu)域，并且表位在緊密排列的非膠原第16A（NC16A）結(jié)構(gòu)域內(nèi)緊密排列[3]。以兩種形式存在：一種是由180kDa的COL17A1鏈的同源三聚體跨膜分子，另一種是3個120kDa 的多肽不溶性胞外域通過弗林蛋白酶介導(dǎo)的蛋白水解可以從細胞表面脫落[4]。與其他跨膜膠原家族成員類似，COL17 的胞外域可以被解聯(lián)蛋白和金屬蛋白酶從細胞表面裂解，有趣的是，胞外域脫落發(fā)生在含有BP autoAb的主要表位的NC16A 結(jié)構(gòu)域內(nèi)。COL17 的NC16a 結(jié)構(gòu)域含有血球樣表位的免疫優(yōu)勢表位[5]。目前已經(jīng)克隆了整個人類COL17 基因，并闡明了其內(nèi)含子—外顯子組織，該基因包含56 個不同的外顯子，是一種在10 號染色體的長臂上間隔約52kb 的基因組。它編碼多肽α1（XVII）鏈，有胞內(nèi)球狀結(jié)構(gòu)域，跨膜片段和細胞外含有15 個獨立的膠原亞結(jié)構(gòu)域，其中最大的由242 個氨基酸組成[6]。

COL17 在自身免疫性起泡性疾病大皰性類天皰瘡 （Nishie，2014）中被定性為特征蛋白。最近的研究表明，COL17 的減少可導(dǎo)致毛囊干細胞（HFSC）小型化，因為缺乏該蛋白的小鼠和COL17A1突變的人類具有灰發(fā)和脫發(fā)等過早老化的皮膚表型[16]。此外， 表皮基底膜蛋白，包括COL17，在人皮膚中的標記減少與衰老也密不可分。但是目前COL17 在維持濾泡間表皮及其干細胞中的作用尚不清楚。

COL17 在皮膚基底膜中的研究現(xiàn)狀

在皮膚中，基底膜（BM）對于表皮的基底角質(zhì)細胞與下層真皮間的附著起到重要作用。目前已知細胞質(zhì)和細胞外基質(zhì)（ECM）蛋白的正確表達對于BM 的形成是必不可少的，一個分子的無效表達可以導(dǎo)致人類未成熟的BM形成相關(guān)的起泡疾病。但是 BM 形成中半橋體或ECM 蛋白的翻譯后加工過程目前還不太清楚。研究表明，C 端卵裂球體跨膜COL17 卵裂對BM 正確形成至關(guān)重要，COL17 可誘導(dǎo) BM 基因突變和人類起泡[10]。

COL17基因COL17Al突變時， 會導(dǎo)致COL17蛋白缺陷，從而降低角質(zhì)形成細胞—基底膜黏附作用，并減少涉及表皮黏附的半橋粒（HD）斑塊大小。這些缺陷會導(dǎo)致一種常染色體隱性起泡性疾病—大皰性表皮松解癥，這種疾病的臨床表型嚴重程度很大程度上依賴于COL17基因突變的嚴重等級。COL17 表達缺陷的表皮角質(zhì)形成細胞表現(xiàn)出可變的基底膜黏附，增加的皮膚分離度和增加的遷移率具有相似的表型，其典型特征為多發(fā)性糜爛毛疵和頭發(fā)過早損失。梭子外結(jié)構(gòu)域通過誘導(dǎo)細胞脫離來調(diào)節(jié)附著，深度影響細胞黏附和隨后的信號傳導(dǎo)，從而增加運動性并破壞分化，并且其參與自身免疫性疾病多發(fā)生在細胞外基質(zhì)上的細胞遷移過程中，不僅在維持表皮穩(wěn)態(tài)中有關(guān)也在促進血管生成中起關(guān)鍵作用，并參與炎癥 、胚胎發(fā)育、傷口修復(fù)和腫瘤轉(zhuǎn)移[7]。在這個過程中，絲裂原活化蛋白激酶的激活（MAPK）途徑控制著細胞增殖和分化的重要基因的轉(zhuǎn)錄。然而， 生長因子受體和整合素也可以誘導(dǎo)多個信號事件，從而導(dǎo)致MAPK快速激活，這表明MAPK 可以導(dǎo)致細胞內(nèi)運動機制的直接活化而不依賴于從頭基因轉(zhuǎn)錄。

盡管層粘連蛋白332（ECM 蛋白的主要亞型）與COL17相互作用，但突變使兩個分子的結(jié)合不變。相反，突變使 ECM中COL17 的生理C-末端切割受阻。因此，未切割的 COL17胞外域殘余物誘導(dǎo)層粘連蛋白332 在ECM中的異常沉積，這是由該突變導(dǎo)致的BM 重復(fù)的主要發(fā)病機制[8]。據(jù)推測，正常皮膚中COL17 胞外域脫落與基底角質(zhì)形成細胞的遷移、增殖和分化有關(guān)，但是目前并沒有直接的證據(jù)。一種可能的生理作用與基底角質(zhì)形成細胞的分化有關(guān)，因為它們必須從ECM分離以分化成棘突和角質(zhì)層;或者，正常表皮可能是一個更有活力的器官，通過包括COL17 在內(nèi)的細胞表面受體與ECM 蛋白進行有效的通信，即使在正常情況下，分子的胞外域脫落也是必不可少的[12]。據(jù)報道，裂解的COL17 胞外域保留在人造水泡的表皮側(cè)，這證明了 ECM中裂解的COL17 胞外域結(jié)合蛋白的存在。COL17 的 C-末端在體外與層粘連蛋白332 結(jié)合，而層粘連蛋白332總是存在于剝離皮膚的真皮面上，這表明ECM 中存在表皮側(cè)上的另一個結(jié)合分子，且脫落的COL17 胞外域比層粘連蛋白332更強，該結(jié)合分子的候選分子是已知的、能夠與 COL17 胞外域結(jié)合的整合素α6[9]。

COL17 在衰老中的研究現(xiàn)狀

皮膚是高度結(jié)構(gòu)化的器官，其干細胞自我更新、細胞增殖和分化協(xié)調(diào)維持動態(tài)平衡。除了毛囊和其他皮膚附屬物之外，濾泡間表皮（IFE;非毛發(fā)皮膚）還包含不同的細胞群體。IFE 干細胞存在于基底細胞層中，這些細胞都自我更新并產(chǎn)生終末分化的外層細胞層，作為外部環(huán)境的障礙并防止體液損失[10]。有機體老化被定義為誘導(dǎo)細胞損傷的許多內(nèi)在和外在因素累積引起的組織損傷。人類皮膚衰老的例子是真皮和皮膚附屬物的變化，如真皮變薄、干燥、皺紋、灰發(fā)和脫發(fā)。但是老齡化對IFE 的影響一直存在爭議，目前并不清楚老化使得表皮增生減少還是增多，因此機體衰老影響IFE 及其干細胞的機制尚未闡明[11]。

COL17 作為表皮和真皮之間的連接體，其在基底細胞中表達，且大部分在表皮中定型為祖細胞，數(shù)據(jù)表明COL17缺失可以通過IFE 角質(zhì)形成細胞的過度增殖來誘導(dǎo)表皮增厚，至少部分通過新生兒階段皮膚表皮粘連的松動。對干表皮的維持和增殖，表皮干細胞的存在是必不可少的[12]，然而這些干細胞居于表皮以及其調(diào)節(jié)表皮體內(nèi)平衡的理論仍然存在爭議，并且可能取決于身體上的位置[13]。

在FE（非毛發(fā)皮膚）中，科學(xué)家提出大多數(shù)基底細胞為定向祖細胞（CPs），其經(jīng)歷細胞分裂和分化。這些發(fā)現(xiàn)突出了COL17在皮膚中作為抗衰老分子的作用。COL17激活Wnt（信號通路）是新生小鼠中IFE 增殖不可缺少的調(diào)節(jié)因素。IFE 過度增殖是由機體老化引起的，可以通過COL17補充來逆轉(zhuǎn)[14]。COL17 可能作用于這些干細胞標志物的下游，并且在過度表達時可以使IFE 保持在少年狀態(tài)。衰老已經(jīng)成為干細胞克隆擴張的觸發(fā)因素，這種干細胞通過腫瘤發(fā)生來干擾組織健康，目前已經(jīng)報道了在致癌處理恢復(fù)過程中老年表皮中Ki-67 陽性細胞的增生[9]。

COL17 在毛囊干細胞中的研究現(xiàn)狀

頭發(fā)稀疏和損失是衰老的突出表現(xiàn)，研究表明，毛囊干細胞（HFSC）的逐步老化可導(dǎo)致毛囊逐步小型化，最終導(dǎo)致脫發(fā)[15]。毛囊干細胞（HFSCs）存在于毛囊（HF）的凸起/亞凸起區(qū)域，在重復(fù)的毛發(fā)上維持毛發(fā)循環(huán)再生。 HFSCs 的體內(nèi)分析顯示，HFSCs中的DNA損傷反應(yīng)可導(dǎo)致COL17Al/BP180水解，而COL17Al正是HFSC 維持功能的關(guān)鍵分子，最終引發(fā)HFSC 衰老[16]。HFSCs 最終分化為表皮角質(zhì)形成細胞，驅(qū)使HF 微型化，并且能夠從皮膚表面脫落受損的干細胞，如脫落的角質(zhì)細胞。老化過程可以通過Coll7al缺陷來重演，并通過在HFSCs中強制維持 COL17A1來預(yù)防，表明HFSC中的COL17AI協(xié)調(diào)上皮微器官的干細胞中心老化程序[17]。

在毛發(fā)變薄和脫落的區(qū)域中，HFSC 的標志物在老年 HFs 中的數(shù)量顯著減少。而HFSC 維持的關(guān)鍵基因在|期和Ⅱ期HFs 中通常檢測不到，表明HFSC 標記分子的下調(diào)先于 HF 在生理性衰老過程中發(fā)生糜爛和脫發(fā)。即使在HFSC 標志物表達有所降低的情況下，單個HF 成分在早期HF 中也得到良好維持;但是一旦HF 引發(fā)小型化，HF 逐漸減少，包括真皮乳頭細胞的間充質(zhì)細胞減少，表明老齡化相關(guān)的脫發(fā)和潛在的HF小型化和HFSC失調(diào)的特點是生理老化過程中的HFSC信號的損失[18]。老化的HFSC衍生的子代在毛發(fā)周期的誘導(dǎo)下不向毛發(fā)表面遷移，而是在表皮中遷移，因而不會在毛孔中自我更新，這表明HFSC 的表皮分化也促使 HF小型化。此外，在DNA損傷反應(yīng)實驗（DDR）中，年輕和老化的HFSC 都有不同程度的損傷，而在DNA修復(fù)實驗中卻發(fā)現(xiàn)其只在年輕的HFSCs 中富集，而老齡化的HFSC 對累積的DNA損傷沒有修復(fù)作出反應(yīng)。持續(xù)的DDR后，靜止的HFSCs失去了干細胞的信號特性。因此，HFSCs中持續(xù)的DDR 可能是HFSC 老化的早期征兆，具有內(nèi)在或外在基因組不穩(wěn)定性的HFSC 達到HFSC老化狀態(tài)[19]。 由TTD（trichothiodystrophy），一種人類DNA修復(fù)綜合征突變引起的HF小型化或喪失和皮膚變薄所代表的相應(yīng)的組織學(xué)變化與生理性HF 衰老和相關(guān)的皮膚變化相似表明存在一個共同的皮膚老化過程。

研究表明[20]，COL17A1可被ELANE（嗜中性粒細胞彈性蛋白酶，在異常分泌時被稱為細胞毒蛋白酶，在年齡較大的HFSCs 中異位誘導(dǎo)而不能在年輕的HFSCs 中檢測到）有效地降解，ELANE在HFSC中響應(yīng)DNA損傷而被誘導(dǎo)活化。一些HFs恢復(fù)了COL17A1的原始分布表達水平，但是在TTD之后，其他不確定的HFs 降低了COL17A1蛋自表達，顯示出其他關(guān)鍵HFSC分子的下調(diào)，這表明COL17A1表達水平降低在一定程度上使得一些HFs的COL17Al在 HFSC中降解。同時在凸起角質(zhì)形成細胞中COL17A1具有統(tǒng)計學(xué)意義的減少或丟失，因此，HFSCs 中未修復(fù)的DNA損傷最有可能導(dǎo)致HFSC老化狀態(tài)的特點是COL17A1消耗與持續(xù)DDR。COL17A1過表達即使在老年也顯示HF 更少的小型化和明顯的脫發(fā)延遲，COL17A1的強制性維護抑制了HFSC 的老化，從而延緩了過度的脫發(fā)凹。這是干細胞衰老可誘導(dǎo)頭發(fā)變薄這一理論的關(guān)鍵原因，HFSCs 中 COL17A1的穩(wěn)定化對于預(yù)防HFSC老化和相關(guān)的皮膚組織變化至關(guān)重要且有效[22，23]。

總結(jié)與展望

綜上，無論是基底膜、衰老機制，還是毛囊干細胞的研究，COL17作為跨膜蛋白在表皮和真皮之間的作用是極為重要的。COL17 末端切割異常或異常降解損失，會對機體造成衰老、疾病等很嚴重的影響。近年COL17 的作用位點和機制成為皮膚學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究熱點。研究表明22，將COL17 導(dǎo)入表皮可以幫助組織保持更年輕的狀態(tài)，并且該現(xiàn)象及規(guī)律也適用于老年動物。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究者更好地認識表皮細胞的分裂能力及其在哺乳動物不同階段的調(diào)節(jié)機制，現(xiàn)已確定COL17 是控制小鼠和人類皮膚中表皮細胞分裂的關(guān)鍵分子。COL17作為表皮最深層形成的蛋白質(zhì)，通過與Wnt信號通路協(xié)調(diào)防止新生小鼠表皮增厚，但隨著年齡的增長， COL17 在小鼠和人中的分布有著顯著變化，可見COL17是未來延緩皮膚衰老研究的一個有潛力的關(guān)注點。

作者單位：北京工商大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院北京市植物資源研究開發(fā)重點實驗室

項目支持：北京市科技計劃課題，項目編號 Z181100002418014

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