线粒体在皮肤衰老中的作用
RoisinStoutandMarkBirch-Machin*
DermatologicalSciences,InstituteofCellularMedicine,MedicalSchool,NewcastleUniversity,Newcastleupon
TyneNE24HH,UK;r.stout2
newcastle.ac.uk*Correspondence:mark.birch-machin
newcastle.ac.ukReceived:21December;Accepted:7February;Published:11May
摘要皮肤衰老是细胞功能丧失的结果，外部因素会进一步加速细胞功能的丧失。线粒体在皮肤功能中起着重要作用，线粒体损伤已被发现不仅随着年龄的增长而在皮肤细胞中累积，而且其损伤也是对阳光和污染的反应。越来越多的证据表明，线粒体功能障碍和氧化应激是包括皮肤在内的所有衰老组织的关键特征。这与皮肤衰老表型直接相关：皱纹形成、头发变白和脱落、色素沉着不均以及伤口愈合缓慢。皮肤衰老过程中屏障功能的丧失会增加感染的易感性，并影响伤口愈合。因此，理解相关机制对于临床研究和抗衰老护肤品的开发都很重要。
关键词线粒体，皮肤，衰老，活性氧，光老化
1.皮肤结构
皮肤是人体最大的器官，由三个不同的层组成：表皮、真皮和皮下脂肪。它可作为对环境的屏障，提供对微生物以及流体和温度稳态的保护。表皮是一层薄薄的密集堆积的角化上皮细胞（角质细胞），不含神经或血管，依赖于下面的厚皮层进行新陈代谢。真皮是皮肤中的主要活组织，由细胞外基质中的成纤维细胞组成，散布着汗腺、毛囊、肌肉、毛细血管和神经末梢。表皮基底层是分散着黑素细胞的表皮最内层，它将表皮的外层与提供营养的乳头状真皮和下方厚的支撑性网状真皮层分开，所有这些都位于皮下脂肪层上。随着皮肤受到大量环境侵害，角质形成细胞通过表皮干细胞不断更新以替换受损的细胞。黑素细胞产生黑色素，黑色素被转运到角质形成细胞，产生皮肤色素沉着，提供一定的日光防护作用。由前胶原蛋白产生的I型胶原纤维可提供皮肤真皮层内的结构完整性、修复能力和强度。胶原蛋白的调节通过细胞因子TGF-β的合成促进、转录因子AP-1的抑制和胶原酶基质金属蛋白酶（MMP）的主动降解来实现。
2.线粒体在皮肤中的作用线粒体在皮肤中起着至关重要的作用。虽然在皮肤中能量需求可能不如骨骼肌等其他器官那么大，但对于细胞信号传导、伤口愈合、色素沉着、脉管系统稳态和毛发生长等过程仍是必需的。线粒体在微生物防御中至关重要；已经发现，在对金黄色葡萄球菌皮肤感染及对缺氧诱导的代谢应激的反应中，糖酵解和ATP生成迅速增加。这是通过缺氧诱导因子1α(HIF1α)的激活和免疫细胞的募集，来实现线粒体活性氧（ROS）的信号传导，进而防御皮肤感染的。线粒体功能和ROS的产生有助于干细胞分化的调节，并进一步与表皮稳态和毛囊发育密切相关。因此，经由线粒体的活性氧信号传导与皮肤的结构和功能特别相关。在患有遗传性线粒体疾病的患者中，由于其对能量的高需求，该疾病主要影响神经肌肉系统，因此皮肤表现通常被忽略了。然而，线粒体功能的各种异常，例如线粒体修复基因和血红素合成的突变，都与许多皮肤畸变直接相关。在线粒体疾病患者中，脂肪瘤和色素沉着障碍是最常见的皮肤不适症。这可能分别是缘于棕色脂肪中的线粒体缺陷和线粒体功能在色素生成中的直接作用的结果。因此，皮肤不适症可与遗传性线粒体功能障碍及复杂的ROS信号直接相关。然而，皮肤和线粒体之间的相关性应谨慎处理，因为许多其他皮肤病主要并不影响线粒体本身，而是疾病中次要因素导致的结果，例如单纯性大疱性表皮松解症中的皮肤起泡现象。3.皮肤衰老的标志皱纹是考虑面部外观和衰老时首先想到的特征之一。内源性衰老是皮肤细胞随时间推移的、不可避免的衰老的结果，且取决于种族、激素和受影响皮肤的解剖学区域。外源性皮肤衰老是导致皮肤衰老的所有外部因素的结果，例如生活方式、吸烟、紫外线照射和环境，这些因素随着时间的推移会产生累积效应。细纹、皮肤结构的破坏、可见血管增加导致的泛红和弹性降低是内源性衰老的主要临床特征；外源性衰老会产生更深的皱纹、干燥的皮肤、蜘蛛静脉和色素沉着不均。由于皮肤一直在抵御环境侵害，因此保持其完整性很重要：衰老的皮肤降低了伤口愈合能力，增加了水分流失。这增加了对割伤和感染的易感性，并使其更容易引起刺激和皮肤病。维持适当的皮肤屏障并了解其丧失的所涉机制对于防止与年龄相关的失调至关重要。4.线粒体与衰老“衰老的自由基理论”由哈曼（Harman）在年代首次提出。该理论指出，线粒体DNA（mtDNA）在生命过程中的突变，无论是自然发生的还是通过应激获得的，都会破坏诸如线粒体氧化磷酸化等细胞代谢过程，并最终增加ROS。反过来，这导致包括蛋白质、脂质、DNA和RNA在内的细胞成分被氧化，从而形成一个新陈代谢改变至进一步损害的循环过程。最终导致后续的细胞功能下降，并可在衰老和退行性疾病中观察到。
这一理论自从首次提出以来，已被大量研究试图通过分析衰老中的mtDNA损伤来证实。虽然迄今为止尚无共识，但普遍认为mtDNA损伤、氧化应激增加和衰老这三者之间存在相关性。在皮肤样本中，已发现mtDNA缺失的积累不仅会随年龄的增长而增加，而且暴露于阳光的皮肤与受保护区域相比也会增加。在Ray等人的研究中，与真皮皮肤相比，长期暴露于阳光下的表皮皮肤的mtDNA缺失显著增加，而受保护皮肤的mtDNA缺失量没有显著变化，而这高于正常衰老状态下的水平。此外，在衰老的人成纤维细胞中观察到点突变的增加，这表明存在可导致皮肤衰老的不同mtDNA损伤类型。在其他组织中，也发现了线粒体突变和缺失随衰老而增加的现象。在肌肉组织的非编码区中，观察到体细胞mtDNA点突变的积累；在乳房和脑组织中，常见的bp缺失的频率也随年龄的增长而增加。已经发现，这种特定的缺失在整个人的皮肤中均以年龄依赖性的方式增加，然而最近的研究表明，这种增加仅与日晒有关，特别是在真皮中。此外，mtDNA启动子区域中TG的转换突变与皮肤成纤维细胞的衰老具有很强的相关性，且在暴露于紫外线的区域中显著增加。目前已经在受年龄相关疾病影响的组织中发现了这种突变，例如阿尔茨海默病患者的大脑以及结肠中的癌前细胞，且在肌肉组织中也发现了这种年龄依赖性的突变。这表明，在各种组织中，mtDNA的损伤都会随着年龄的增长而增加，而且紫外线应激会加速其在皮肤中的损伤。然而，很难确定这些突变是由ROS产生还是诱导了ROS产生，这是围绕该理论的许多争论的焦点。
紫外线诱导的氧化应激及其在外源性衰老过程中的信号传导作用已经在皮肤中得到了很好展现，但是氧化应激也可以在其他地方产生衰老效应。将热量摄入减少10-50%被认为可以减少代谢应激，清除ROS。研究已证明这可以延长许多生物的寿命，包括酵母和小鼠，并减少非人灵长类动物的衰老生物标志物，使其成为测试Harman理论的良好模型。总之，在热量限制（也称卡路里限制，CR）后，线粒体效率和氧化应激反应的组织特异性增加，以及所致ROS和氧化应激的相应减少都已被证明；虽然并非所有CR研究模型都能延长寿命，但证据已表明其确实能够改善衰老健康。这些研究的重点主要放在了皮肤以外器官对寿命的影响。然而，关于恒河猴CR的报告显示，与CR猴子相比，在随意控制组中毛发脱落主观上是增加的。因此，CR及其引起的代谢变化也可能对皮肤产生影响。
Forni等人进一步研究了CR引起的皮肤变化。热量限制导致真皮中线粒体功能增加（但表皮没有增加）、毛发重塑和与温度调节相关的血管收缩受损。这意味着线粒体是皮肤冷适应的能量提供者，这与以前所观察到的线粒体解偶联是寒冷应激的预防机制相符。就皮肤衰老而言，CR促进表皮增厚并增加毛囊干细胞池，并通过防止可以指示皮肤衰老的皮肤变薄和脱发现象来指示皮肤的再年轻化。另一佐证是，没有线粒体基质抗氧化剂超氧化物歧化酶SOD2（可将超氧化物阴离子转化为过氧化氢用于进一步代谢）的小鼠在更年轻的时段就会表现出正常的衰老表型，尤其是皮肤细胞衰老过程（cellularsenescence）。因此，在该模型中，分解超氧阴离子能力的降低导致了更高的氧化应激和加速的皮肤衰老。
在小鼠中的另一个重要发现源于用POLG1的氨基酸取代来诱导mtDNA缺失。具有这种突变的小鼠表现出皮肤中所有OXPHOS复合物活性的显着降低以及表型衰老症状，例如头发变白和脱落、脊柱弯曲、运动减少和皮肤起皱等。其中皮肤和头发的变化归因于毛囊畸形化及表皮细胞增殖增加，进而引起深层皱纹和表皮增厚。然而，在解决人类POLG突变的症状时，皮肤并不经常被评论，因此尚无法进行令人满意的比较。
迄今为止，研究已经表明在衰老过程中mtDNA突变会增加，且新陈代谢压力的降低与衰老健康程度之间的联系也已被证实，但没有显示出因果关系。这些模型的问题有两个方面：首先，细胞中突变mtDNA的数量是否足以引起致病效应；其次，观察到的与年龄相关的突变是否会使呼吸链失调？这可以部分由观察到的衰老肌肉组织中线粒体功能和代谢的降低以及同时出现的随衰老而增加的突变负荷来回答。但这既不能排除与观察到的突变无关的线粒体功能障碍的其他机制，也不能证明ROS是发病机制中的混淆因素。
5.色素沉着黑色素（melanin）是应答黑素细胞（melanocyte）的氧化反应而形成的。褐黑素（pheomelanin）是一种与红头、雀斑和真黑素（eumelanin，在深色头发的个体中更为普遍）相关的黄红色色素，褐黑素/真黑素的比例受黑素皮质素1受体（MCR1）基因的调控，该基因先前已有综述。褐黑素已被证明对细胞具有更高的促氧化作用，因为它在合成过程中螯合半胱氨酸和谷胱甘肽抗氧化剂；而且MCR1功能丧失导致其无法响应α-黑素细胞刺激激素（α-MSH）产生真黑素，其过程也会产生一些抗氧化特性。就皮肤衰老而言，MCR1功能的丧失使感知年龄（也称表象年龄，perceivedage）平均增加了两年，而没有完全丧失功能的杂合变体的感知年龄则平均增加了一年。有人认为，这可能与由褐黑素生成导致的氧化作用或在MCR1缺乏下成纤维细胞功能的变化所产生的效应有关。至于与线粒体功能的关系，经α-MSH预处理的黑素细胞已被证明对应答VUB光线的mtDNA拷贝数具有保护效果。这可以推断出，对真黑素而不是褐黑素的刺激可能更具有光保护特性；然而，至今还没有进行褐黑素/真黑素的定量分析。线粒体功能、mtDNA和褐黑素/真黑素比率之间的联系尚未展开正式研究，而这可以为通过氧化应激导致皮肤衰老的机制提供一种见解。色素沉着不均是皮肤衰老的标志之一。线粒体甚至与黑素细胞（紫外线照射下产生色素沉着的过程所必需）中黑色素的生物合成有关。人们发现位于线粒体内膜中的抑制素蛋白直接与黑素生成素（melanogenin，一种合成色素沉着促进剂）结合。抑制素沉默（prohibitinsilencing）直接干扰黑色素生成素的活性，并被认为参与限速黑色素酶酪氨酸酶的调节。除此之外，黑素细胞中的线粒体已被证明与黑素体（melanosomes）相互作用，表明其在黑素体生物合成及其所致的黑色素产生过程中的功能性作用。褪黑素（melatonin）是一种主要在大脑中产生的调节睡眠的激素，其代谢严重依赖线粒体和ROS信号传导。它具有抗氧化作用，并能以高浓度抑制动物模型中的黑色素生成，从而有助于调节毛色。一项观察人类皮肤色素沉着变化的研究发现，对不同原因的色素过度沉着患者、黑色素瘤患者或对照组，口服褪黑素30天均无效果。但是，褪黑素及其代谢物已在体内人体皮肤模型中检测到，并且均被发现在体外抑制黑素细胞增殖和酪氨酸酶活性。以上所有这些都表明，线粒体功能是皮肤色素沉着的调节剂，并且其功能障碍可以直接或间接通过过量ROS信号和褪黑素生成而干扰黑色素的产生。这些发现与白癜风（一种导致皮肤黑素细胞失活的疾病）患者的观察结果一致——与健康黑素细胞相比，皮肤色素沉着缺失的培养黑素细胞的能量生成减少，而遗传性线粒体功能障碍患者中白癜风的出现概率增加。6.光老化光损伤是导致皮肤癌和衰老的一个众所周知的原因，而光老化是长期暴露于阳光下导致外源性皮肤衰老的过程。太阳光由紫外辐射（UVR）（10-nm）、可见光（-nm）和红外线（IR）（nm以上）组成。紫外辐射是导致皮肤损伤的最臭名昭著的元凶，所以大多数防晒霜都会防UVA和UVB。由于能量水平比UVA高，UVB曾经一度被认为是光老化的唯一原因，但现在已证明UVA是主要参与者，尽管它们会以不同的方式影响皮肤。UVA构成太阳紫外辐射的大部分，但仅间接影响DNA；而UVB只占很小的一部分，但会直接造成DNA损伤。
表皮是抵御UVB损伤的第一道防线，吸收其大部分辐射。其水平取决于种族、皮肤部位、水合作用和许多其他因素。黑色素的色素沉着在抵御紫外辐射的初始保护阶段起着很大的作用，而较高的黑色素含量与人类DNA损伤呈负相关，这在其他物种（如鲸鱼）中也可以看到。UVA、可见光和红外光较UVB可以更深地穿透到皮肤中（图1），并且事实证明，真皮成纤维细胞实际上更容易受到更长波长（nm）的光波对其DNA的损害。也有证据表明，可见光和红外光也会导致皮肤损伤，甚至所有波长都有此协同作用。
图1.UVB、UVA和红外辐射对皮肤的穿透作用
衰老是一个自然过程，而且即使没有紫外伤害，也会随着时间推移被核DNA中端粒帽的逐渐缩短、衰老所致的功能丧失以及随之而来的细胞衰老过程所引发。在许多与年龄相关的疾病中，包括老年痴呆症和动脉粥样硬化，都发现了这种衰老的损伤特征。这也可以在体外皮肤成纤维细胞中使用UVA辐射，或者将角质细胞暴露于UVB诱导产生，这进一步证明了紫外辐射在衰老中的作用。除此之外，在更高光暴露水平的皮肤中可反复见到mtDNA损伤，进而导致细胞损伤的积累和皮肤线粒体活性的降低。
尽管光老化的确切机制仍在研究中，但胶原蛋白、mtDNA损伤和ROS生成增加都是关键特征。炎症会诱导基质蛋白的分解，从而帮助免疫细胞的募集和迁移，因此慢性炎症会导致组织的有害分解。已证明由于UVA和UVB暴露引起的炎症，通过ROS信号传导和转录因子AP-1和NFB的活化，可分别诱导真皮和表皮中基质金属蛋白酶（MMP）的酶促活性。AP-1的产生减少了I型及III型前胶原的合成，从而在降解新胶原的同时破坏其形成。而在人类皮肤和紫外照射的小鼠模型的光暴露区域中，真皮中超微结构的变化和胶原纤维束的降解现象支持了这一点。此外，红外辐射也可以诱导真皮成纤维细胞中的MMP。因此，阳光暴晒可通过ROS信号传导过程与胶原蛋白的主动分解及其合成减少直接相关，进而引起深层皱纹的形成和外源性皮肤衰老。假设正如“自由基衰老理论”推论地那样，在光暴露区域观察到的mtDNA损伤可导致氧化磷酸化（OXPHOS）失调和ROS生成增加，于是进而可以加速皮肤衰老。
黑色素的光降解过程会导致单线态氧的产生，这已在合成模型中显示出来；而UVA辐射褐黑素可导致过氧化氢酶抗氧化剂的构象变化，而该抗氧化剂可被单线态氧猝灭剂所减弱。在人类中，与野生型基因相比，那些MC1R基因纯合子缺失的人的光老化速率增加了6倍。所有这些都表明，黑色素的光降解也可能是光暴露皮肤所表现出的氧化应激和mtDNA损伤的重要机制。
7.污染头发变白的一种理论涉及通过增加氧化应激获得线粒体DNA损伤；人们发现在发白和失去色素的毛囊（分别为40％和20％）中，“普通”的bp缺失的水平高于有色的毛囊（5％）。头发变白的特征是色素单元中的黑素细胞因凋亡而逐渐丧失，直到毛囊失去色素。发白头发中的这个色素单元被发现在黑素细胞中达到了最高水平的氧化应激，并且使Bcl-2丧失了清除ROS的活性。Bcl-2是线粒体凋亡途径的抑制剂，因此细胞应激源引起的黑素细胞凋亡增加的现象，可被Bcl-2表达的减少所解释。这些发现与Bcl2-/-小鼠的白发表型相符。以上详述了与线粒体功能相关的机制；正如SKJo等人（）所述，这三种理论机制都指出了氧化或遗传毒性应激诱导损伤的作用，且都印证了线粒体的参与。脱发可以通过衰老、营养缺乏和暂时性或永久性脱发发生，所有这些都以不同的方式出现。和头发变白一样，人们对脱发知之甚少。PolgA突变的小鼠会导致mtDNA修复机制出现故障，因此具有更高的mtDNA突变丰度和加速的衰老表型，并表现为头发密度的降低。人类与年龄相关的脱发主要是雄激素性的，且男性发病率更高。来自秃顶区域的真皮乳头细胞已被发现表达出更高水平的衰老标记物以及位于核区域的抗氧化超氧化物歧化酶的表达；这与非秃发对应区域中发现的细胞质或线粒体的定位形成对比。这种超氧化物歧化酶针对细胞中氧化应激的易位现象是一种保护机制，因为它被认为促进了氧化抗性和修复过程，并作为转录因子发挥作用。将小鼠的线粒体转录因子A（TFAM）敲低会导致表皮和毛囊上皮中mtDNA的缺失和电子传递链（ETC）复合物的丢失，而这种小鼠会出现增殖减少及细胞凋亡增加，并表现出黑色素生成和毛发生长的功能异常。来自线粒体功能的ROS信号是毛发生长所必需的，正如高线粒体膜电位以及ROS大量生成于基质表皮细胞和毛干界面的现象在发育中的培养牛和人毛囊中所表现的那样。这些上皮细胞随后在转化为毛干基质时经历了线粒体去极化。这两项研究都证明了线粒体功能和ROS信号在毛囊形态发生和毛干伸长中的关键作用，以及功能性ETC在这些过程中的重要性。尽管人们对头发衰老的认识有限，但有证据支持，线粒体通过增加氧化应激（为主）和降低的自身容量（为辅）这两条途径参与其中。总结
线粒体对皮肤功能和mtDNA突变非常重要；其功能下降与皮肤衰老相关，包括应激导致的皱纹形成、色素沉着以及头发变白和脱落等。许多导致皮肤衰老的机制尚未完全清晰，而线粒体功能可能是导致组织功能衰退和衰老的一系列复杂过程的一部分。从科学角度讲，理解皮肤衰老背后的机制，对临床制定预防策略很重要；于工业界而言，其对改善抗衰和针对成熟皮肤的配方也同样有益。编辑：佳玮预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇- 上一篇文章： 立了遗嘱一年后,我仍然好好活着hell
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