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AHR介导皮肤衰老机制的研究情况综述

来源:原创论文网 添加时间:2021-10-11

  摘    要: 芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AHR)是一种在皮肤细胞中表达的核转录因子,可介导多环芳烃类化合物(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)的细胞毒性反应,在皮肤细胞的分化增殖发挥重要作用,继而产生对皮肤细胞衰老、凋亡等方面的影响。外源性污染物主要是通过皮肤上的芳香烃受体进行传导作用。目前关于AHR与肿瘤和炎性皮肤病的研究已比较成熟,本综述旨在对AHR介导的皮肤衰老机制的研究进展进行综述,探讨针对芳烃受体靶向抗衰的途径。

  关键词 :     芳香烃受体;皮肤衰老;外源性衰老;皮肤抗衰;外用抗氧化剂;

  Abstract: Aryl hydrocarbon receptor(AHR), which mediates the cytotoxic reaction of polycyclic aromatic hydrocarbons, is a nuclear transcription factor expressed in skin cells. AHR is essential in the progress of differentiation and proliferation of the skin cells, and subsequently affects senescence and apoptosis. Transmission of the exogenous pollutants are predominantly through the AHR receptor. Currently, the association between AHR and tumor, as well as inflammatory skin disease, have been widely studied. Therefore, this review aims to summarize the advances in the mechanisms of AHR-mediated skin exogenous aging, and to explore the anti-aging pathway targeting AHR receptor.

  Keyword: aromatic hydrocarbon receptor; skin aging; exogenous aging; anti-aging; topical antioxidants;

  芳香烃受体,又称为二恶英受体,是配体激活的核转录因子,因作为环境污染物多环芳烃类的配体被发现后命名,介导外源性化学或物理刺激,从而影响皮肤衰老表型和衰老相关基因的表达,随着研究的深入,发现该受体不仅介导各种环境毒物如卤代芳烃、杂环胺和多环芳烃等的细胞毒性反应,还影响了许多重要的生物学过程,包括细胞增殖分化、皮肤免疫调节和皮肤稳态的维持。直到最近几年,外界环境与皮肤的衰老的相关机制逐步引起人们的重视,本综述将探究环境污染因素在外源性皮肤衰老进程中,与芳香烃受体相关的作用机制。

  1、 芳香烃受体

  AHR在人体发育以及免疫调节中发挥重要作用,同时在皮肤的角质形成细胞、成纤维细胞、黑素细胞和调节T细胞中均高度表达,参与皮肤屏障功能、色素调节、皮肤免疫与应对环境变化的反应[1]。而AHR在皮肤免疫和免疫抑制的调节中发挥着重要的作用,可以调节和保护。AHR作为配体激活的核转录因子,可以被多种化学物质激活,并且在所有皮肤类型的细胞胞浆中高度表达。当未被激活时,AHR被困在环状多蛋白复合物中,AHR与配体结合后可破坏该复合物,转移到细胞核中,在那里它成为具有不同反应元件的启动子的功能转录因子,以配体依赖性的方式转位进入细胞核,与芳香烃受体核转位子(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator, ARNT)在核内形成异二聚体,这种二聚体的结合形式能够与 DNA高度亲和,识别并结合位于AHR反应性的基因启动子上游的外源性化学物调节元件(xenobiotic regulative element, XRE),引发其下游靶基因,比如药物代谢I期酶细胞色素(cytochromeP450, CYP1A1)和基质金属蛋白(matrix metalloproteinase, MMP)[2]的转录及表达,产生相应的生物学效应。AHR的功能远较单纯的调控外来化学物质的代谢复杂得多,它几乎涉及细胞分化、增殖、衰老与凋亡的各个方面,其与机体的衰老存在密不可分的关系,且在皮肤完整性(即屏障功能),色素沉着调节,对环境状况的反应和皮肤免疫中起关键作用。
 

AHR介导皮肤衰老机制的研究情况综述
 

  2、 AHR在皮肤衰老进程中的表达证据

  最近研究表明高水平的PAHs可以直接破坏皮肤表皮,特别是铺在表皮上的分层的鳞状角质形成细胞和皮肤成纤维细胞。流行病学研究还发现了诸多皮肤病如接触性皮炎,湿疹和自身免疫性疾病与空气中多环芳烃的协同作用密切相关[3]。在多环芳烃污染下,皮肤总是表现出衰老的表型。而这些增加的证据表明多环芳烃可能与皮肤细胞的衰老有关。

  AHR对衰老存在着负面影响[4],人类的AHR表达水平可以作为血管和器官衰老的预测因子[5], 颗粒物质(PM)污染物可通过AHR引起皮肤衰老。在一项鸡尾酒加氢的抗衰老研究中,通过HDAC1和p63联合定位皮肤中的滤泡间表皮干细胞(IFESCs)[6],观察IFESCs中AHR的表达情况,其加氢处理是对全脸进行浅表皮剥离后,用具有抗衰老作用的GHR制剂[7]处理全脸后,细胞中AHR的表达水平显着降低,而芳烃受体抑制因子(AHRR)的水平急剧增加,AHRR通过其抑制性激活作用负调节AHR信号传导。在AHR的表达被抑制后,细胞外基质蛋白(包括I型和IV型胶原纤维)的表达增加,这对面部年轻化具有积极的意义。这项研究表明,AHR在衰老皮肤中的表达是增加的,而通过抗衰处理,AHR的表达则会降低。

  当然AHR的表达不全是负面作用,在一定范围的表达情况下,AHR信号传导对表皮屏障功能有增强作用。在AHR-null小鼠中,屏障功能被显着破坏,表明功能性的AHR表达在皮肤屏障完整性中起关键作用[8]。在另一项实验研究中,通过AHR拮抗衰老进程的控制大量抗氧化酶的主转录因子:核因子-红细胞2相关因子-2(NRF2)的高水平的表达,会导致这种基因小鼠的皮肤干燥,有脱发,脱屑,表皮棘皮症和角化过度[9]。所以氧化和抗氧化过程之间的适当平衡对维持表皮稳态也起着重要作用。

  3、 环境污染通过AHR介导衰老的通路机制

  皮肤衰老分为内源性衰老与外源性衰老,而皮肤衰老主要表现是粗皱纹形成、干燥和不均匀色素沉着[10],我们既往认为UVA和UVB是导致外源性衰老的元凶。随着全球工业化进程的不断推进,环境污染日益加重,而不同环境污染地区的人群的表皮氧化应激水平存在差异[11],不同空气污染颗粒来源的城市和乡村,皮肤衰老的水平也不尽相同[12]。我们逐渐认识到UVA和UVB都在与无处不在的环境颗粒物协同作用,通过AHR直接引起皮肤的外在衰老。环境污染物PMs作为一个多孔状大颗粒物质,表面可吸附大量的多环芳烃(PAHs)。PMs暴露诱导皮肤产生诸多不良反应,包括色斑的形成,产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)和致炎因子。其中,ROS的累积对皮肤的适当分化、屏障功能、细胞外基质会产生不利影响,还会破坏DNA,这都会诱导衰老表型的产生。大量研究表明,包括四氯二苯-p-二恶英(tetrachlorodibenzo-p-dioxin, TCDD)、苯并芘(BaP)等在内的众多PAHs引起的细胞毒性反应,大部分是由AHR所介导的[13]。 AHR下游信号通道众多,根据是否依赖芳香烃受体核转位因子(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator, ARNT)及下游激活的靶位基因,可分为:①经典TCDD/AHR/ARNT途径,是AHR和ARNT结合成异二聚体,作用于二恶英反应元件,激活的下游靶位基因主要包括CYP1A1、白介素及转化生长因子等;② 不依赖ARNT的蛋白磷酸化信号转导途径,其下游激活靶位基因包括P-联蛋白、原癌基因c-Myc、表皮生长因子受体等。非经典激活的AHR可与其他信号级联相互作用,包括促炎和免疫调节分子,如表皮生长因子受体(EGFR)和下游丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)[14],核因子NFκB[15],过氧化物酶体增殖物激活受体[16]等。AHR在细胞中的多种信号转导途径也证明AHR在不同 细 胞、不 同 组 织 中 所 介 导 的生物学效应有所不同。这些外源性氧化剂的刺激会导致受体酪氨酸激酶(RTKs)磷酸化的和下游信号通路的激活,包括3个丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)家族:胞外信号调节激酶(ERK),p38和c-Jun N-末端激酶(JNK/SAPK)。①AHR入核后激活调控钙调蛋白激酶 II(CaKM II)[17],继而导致MAPK/ERK的快速激活;活化的MAPK途径将会磷酸化c-Jun, c-Fos和ATF-2,导致它们的核转位和与MMP-1启动子区域的转录因子激活蛋白-1(AP-1)元件的结合。②AHR的入核还能通过激活c-scr激酶,从而激活EGFR受体,间接导致 ERK 的激活。ERK激活后介导AHR分子通过26S 蛋白酶体-泛素化途径降解,从而负反馈调控AHR信号通路及下游靶基因CYP1A1和MMPs的表达[18],ERK的激活也会导致c-fos磷酸化水平升高,c-fos通过AP-1转录复合物的结合而调节MMPs的转录。而ERK抑制剂会抑制AHR的降解从而导致衰老相关靶基因的过度表达。③AHR的入核同时可以导致JNK/SAPK信号通路的激活,从而使c-Jun的磷酸化水平增高,MAPK-c-Jun的激活,使转录因子激活蛋白(AP-1)的生成增加,AP-1在MMP1,MMP3和MMP9的转录上调中起关键作用[19], MMPs的过表达导致真皮细胞外基质片段化,即真皮中胶原纤维和弹力纤维发生降解。

  AHR被激活后其下游细胞色素代谢酶(CYP1A1,CYP1A2,CYP1B1等)随后被激活,CYP1A1的活性作用可以导致细胞内累积ROS,导致细胞损伤[20];与此同时,环境污染物经过代谢后水溶性增加,其毒性也随之增强,特别是芳香烃类的代谢物可以直接攻击DNA形成突变,基因水平的不稳定是衰老的八大特征之一[21]。参与ROS或DNA损伤的CYP1A1可诱导细胞衰老, MMP1则介导结缔组织损伤和影响基质重塑,而皮肤的衰老主要表现是胶原和血管的变化,因此污染物激活AHR会导致皱纹的发生[22]。而在细胞水平层面,能反应皮肤细胞衰老的特征有:细胞周期停滞,增殖抑制和中度凋亡。Yuan的实验研究中,与对照细胞相比,使用递增浓度的SRM1649b(PAH组成的标准参考物质)处理的永生化角质形成细胞(HaCaT细胞)和原代新生儿皮肤纤维母细胞(NHDF)后,显示细胞凋亡率明显增加,细胞增殖能力下降,细胞周期阻滞,其原因是调控细胞周期G1向S期转化的关键蛋白Cyclin A和Skp2蛋白表达下调[6];在SRM1649的刺激下,皮肤细胞的周期阻滞也会导致增殖减弱;在细胞衰老水平也显示了升高的凋亡细胞的数量和比例。以上研究证实,在环境污染物让人皮肤细胞经历显着的衰老。

  综上,环境污染物通过激活AHR-MAPKs(ERK/JNK)信号传导途径和上调衰老相关基因诱导人皮肤细胞衰老。同时在细胞凋亡水平也观察到了污染物刺激下的细胞增殖和周期阻滞等与衰老相关的表型。

  4、 AHR与UVA和UVB的协同作用

  在城市环境中,人们或多或少的会共同暴露于环境污染物与阳光照射下,而多环芳烃的光氧化反应会产生含有羟基的衍生物和活性氧(ROS),而其中单线态氧是多环芳烃主激发产生的主要ROS[23]。研究显示,在众多多环芳烃中,四环和五环芳烃在模拟太阳紫外线(UVA+UVB)照射下具有光毒性,但是随着照射时间的延长,大多数多环芳烃都产生了光毒性作用[24]。环境中的多环芳烃会进入暴露在最外层的皮脂和角质形成细胞中,而在UVA照射下,会增加多环芳烃的光反应性,能产生局部的光氧化应激反应,加速光老化[25]。而在另一项研究中,在UVA1与污染物的共同暴露下,除了细胞内产生的高水平的ROS外,还触发了超氧化物的生成和线粒体的损伤[26],可能会干扰能量代谢,进而引起皮肤细胞衰老。

  Tigges等[27]的研究结果证实AHR的拮抗剂可以保护UVB引起的光老化损伤,这就反证了UVB引起的皮肤衰老是由AHR参与介导的。Fritsche等学者研究发现UVB照射表皮的角质形成细胞过程中可以产生一种类似光产物的物质-芳烃受体激动剂(FICZ),它可以激活AHR[14],AHR的激活可以导致细胞膜上EGFR的异常激活,在此基础上又会进一步激活MAPK/ERK1/2通路,继而引起了一系列的细胞核内的效应,这条通路也会导致MMP的表达上调,而MMP的上调是细胞衰老的重要分子生物学机制,其会导致胶原的降解而导致皮肤衰老。

  5、 AHR拮抗剂与其他抗氧化剂逆转外源性皮肤衰老

  Yuan在实验中利用AHR特异性小分子拮抗剂1031来抑制AHR的功能[2],目前己被用于治疗紫外线引起的皮肤损伤。实验研究中,向SRM1649b处理后的HaCaT细胞添加1031后,SRM1649b所诱导的MMP-1蛋白和mRNA表达水平显着降低。Yuan的实验结果揭示了AHR拮抗剂对于皮肤抗衰的作用,为严重空气污染下皮肤衰老的未来治疗提供了潜在的靶标。

  外界的污染物刺激和体内的氧化代谢会激活AHR在表皮角质形成细胞中的大量表达,因此会介导活性氧物质的产生。在通过AHR拮抗衰老的过程中有一个自然抗氧化和诱导解毒的关键因子:核因子-红细胞2相关因子-2(NRF2),是一个用于抗氧化信号传导的主开关[28]。各类抗氧化物质可以通过激活NRF2转录因子,并上调一系列抗氧化酶,中和氧化应激并保护角质形成细胞免受氧化损伤,其中洋蓟苦苷(cynaropicrin, Cyn)是一种倍半萜内酯,是洋蓟中主要的生物活性植物化学物质,可以诱导人角质形成细胞中抗氧化途径AHR-NRF2-NQO1(苯醌氧化还原酶1)的激活,并且激活的途径是AHR和NRF2依赖性的,从而预防UVB诱导的光老化[29]。具有AHR拮抗活性的NRF2激动剂已被用于皮肤抗衰老的美容目的。例如,肉桂醛能通过NRF2的表达发挥其抗氧化活性,并下调苯并芘诱导的氧化应激[30]。然而,肉桂醛不能激活AHR,而是显着抑制其作用,这与大豆焦油,仙人掌榕提取物,鱼腥草提取物和鬼针草提取物形成鲜明对比。肉桂醛的双重功能,即抑制AHR和激活NRF2,特别有利于治疗环境污染物如二恶英的毒性作用。另一个抗氧化剂是表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG),它也能上调NRF2的表达[31],并抑制AHR作用[32]。而其他的抗氧化剂,例如维生素C和E,以及微量矿物质硒,可以在一定程度逆转环境带来的外在损害。新的抗氧化剂配方以及调节AHR的新药还在研究中。

  6、 小结

  本文总结了多环芳烃对皮肤衰老的不利影响,系统地揭示了复杂的分子调节网络,为未来针对PAHs污染的人体皮肤衰老设计有效治疗策略铺平了道路。但是针对AHR与MAPK之间的详细作用机制还不甚清晰,对于AHR的深入探讨将有助于人们更深刻地认识环境污染物如何启动或影响皮肤的衰老损伤过程,丰富人们对皮肤细胞衰老中各种信号转导途径的多样性及其相互作用的认识。

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