WMZ: Z191701361450 WMR: R209318204033 |
Melanocyte biology and skin pigmentation | |
.Melanocytes are phenotypically prominent but histologically inconspicuous skin cells. They are responsible for the pigmentation of skin and hair, and thereby contribute to the appearance of skin and provide protection from damage by ultraviolet radiation. Pigmentation mutants in various species are highly informative about basic genetic and developmental pathways, and provide important clues to the processes of photoprotection, cancer predisposition and even human evolution. Skin is the most common site of cancer in humans. Continued understanding of melanocyte contributions to skin biology will hopefully provide new opportunities for the prevention and treatment of skin diseases.
Рис.1. | Figure 1: Vertebrate pigmentation. Рис.2. | Figure Figure 2: The MITF promoter. Рис.3. | Figure 3: Labelled melanoblasts in DCT–lacZ mouse embryos. Рис.4. | Figure 4: DCT–lacZ melanoblasts in mouse hair follicles. | Меланоциты могут абсорбировать УФЛ и помогают переживать множество генотоксических стрессов. Кожа является основным барьером для внешней среды и на меланоцитах, среди прочего, лежит фотопротекция и терморегуляция путем продукции меланина. Степень продукции пигмента отражается на кожном 'фототипе' (окраска кожи и легкость загара) и является одним из наиболее пригодных показателей риска рака кожи в генеральной популяции.
Окраску мы наблюдаем в перьях, мехе и коже, которая в основном предопределяется меланоцитами. В дополнение к carotenoids и haemoglobin, меланин является главным вкладчиком в пигментацию. Существуют два главных типа меланина- красно-желтый pheomelanin и коричнево-черный eumelanin. Меланин-содержащие гранулы известны как меланосомы и экспортируются из меланоцитов в соседние кератиноциты, где обнаруживаются наибольшие количества пигмента. Как результат различия в пигментации могут возникать в результате изменчивости количества, размера, состава и распределения меланосом, в то время как количество меланоцитов остается обычно относительно постоянным.
Существуют два самостоятельные популяции меланоцитов в волосяных фолликулах: стволовые клетки меланоцитов и их дифференцирующееся потомство, которое располагается в географически отличающихся местах, чтобы представлять фолликулярную единицу, которая тесно связана с окружающей популяцией кератиноцитов. Стволовые клетки меланоцитов волосяного фолликула выполняют важную роль , как в нормальной пигментации волос, так и в старческом поседении волос, а специфические генные дефекты проливают дальнейший свет на свойства выживания этой популяции клеток. Regulation of pigmentation Melanocortin-1 receptor Вклад меланоцитов в пигментацию законсервирован у многих видов. У определенных видов, таких как рыбы, пигмент продуцируется др. типами клеток, известных как xanthophores и iridiphores2 (Fig. 1c). Несмотря на идентификацию более 100 локусов, участвующих в пигментации у позвоночных, melanocortin-1 receptor (MC1R) является наиболее репрезентативным локусом и основным детерминантом пигментного фенотипа3. Протяженность локуса (Mc1re/e) впервые была установлена у мышей на базе изменений окраски шерсти4,5. Рецессивные мутанты имеют желтые или pheomelanotic волоски, в то время как мыши дикого типа имеют black/brown eumelanotic волоски. Эта мутация законсервирована у пушных зверей от мамонтов до существующих по настоящий день кошек и собак6 (Fig. 1d). Др. члены семейства melanocortin рецепторов обнаруживаются в различных клеточных клонах - напр., MC4R экспрессируется в гипоталямусе, где он модулирует энергетический метаболизм7.
MC1R кодирует 7 раз пронизывающий мембрану с G-protein-связанный рецептор. Связанный с агонистом MC1R активирует adenylyl cyclase, индуцируя продукцию cyclic AMP8, что ведет к фосфорилированию чувствительных к cAMP членов семейства транскрипционных факторов cAMP responsive-element-binding protein (CREB) , которые в свою очередь активируют различные гены, включая, те, что кодируют microphthalmia transcription factor (MITF), транскрипционный фактор, который жизненно необходим для экспрессии многочисленных пигментных энзимов и факторов дифференцировки9 (Fig. 2). Агонистами MC1R у человека являются α-melanocyte-stimulating hormone (α-MSH) и adrenocorticotropic hormone (ACTH), и те, что вызывают увеличение продукции eumelanin за счет увеличения уровней cAMP10,11. Ген agouti (Asip) кодирует антагониста MC1R12, который ответственен за pheomelanotic характер полос шерсти у мышей дикого типа. Инактивирующая мутация (nonagouti) в данном локусе ответственна за черную окраску шерсти мышей линии C57BL6. Недавно были получены доказательства ассоциации между полиморфизмом одиночных нуклеотидов в 3' не транслируемой области белка agouti человека и темными волосами и кариеми глазами13. The role of MC1R in hair pigmentation is striking. Кодирующая область MC1R человека очень полиморфна с 30, по крайней мере, аллельными вариантами, большинство из которых возникает в результате одиночных аминокислотных замен14. Определенные замены, такие как R151C, R160W и D294H ассоциируют с рыжими волосами. Фенотип 'red-head' определяется не только цветом волос, но и также белой кожей, неспособной к загару и склонной к веснушкам. Функциональные исследования подтвердили, что эти варианты кодируют гипоморфных мутантов, которые неспособны или связывать лиганд или активировать adenylyl cyclase15,16. Т.о. вполне возможен аддитивный эффект двух разных вариантов аллелей17. Две точковые мутации во втором трансмембранном домене дают конституитивно активные рецепторы с результирующим доминантной темной окраской шерсти у мышей5, хотя такие мутации с избыточной функцией пока не были описаны у людей18.
Отслеживание MC1R локусов в разных типах кожи и географических областях привели к разным теориям эволюции пигментации у людей. Эпидемиологические исследования показывают, что пигментация находится под функциональным принуждением в Африке и что подобное принудительное влияние было потеряно в популяциях, покинувших Африканский континент. Неясно, управляется ли селекция необходимостью воздействия УФЛ-индуцируемой продукции витамина D для защиты от повреждений ДНК, вызываемых УФЛ, или является результатом ещё неоткрытого критического пути14,18. MC1R может быть эволюционно важным по др. биологическим причинам, таким как повышенная κ-opioid аналгезия, которая была недавно связана с вариантом аллеля MC1R как у мышей, так и людей19. Несмотря на кажущееся строгое влияние MC1R как на пигментацию волос и кожи, очевидно, что др. факторы также участвуют в контроле пигментации кожи, т.к. существует множество белокожих, но темноволосых индивидов, у которых вряд ли только MC1R обеспечивает пигментацию кожи.
Недавно идентифицирован SLC24A5, который кодирует предположительно cation exchanger, в качестве гомолога у человека гена рыбок данио, который вызывает 'golden' фенотип20 (Fig. 1). Хотя его функция неясна, вполне вероятно, что химия катионов может модулировать процесс созревания меланосом. Люди, имеют два первичных аллеля SLC24A5, которые отличаются одиночной аминокислотной заменой. Почти у всех Африканцев и Азиат заменой является alanine, но у 98% Европейцев аллель кодирует треонин. Функция SLC24A5в пигментации у людей пока неясна, но корреляция его вариантов в популяциях людей строго указывает на то, что он важен для контроля кожной пигментации. Melanosomes and melanogenesis Продукция меланина происходит преимущественно в лизосом-подобных структурах, известных как меланосомы. Pheomelanin и eumelanin отличаются не только по цвету, но и также по размеру, форме и упаковке своих гранул21. Оба меланина происходят из одного и того же общего tyrosinase-зависимого пути с одним и тем же предшественником, tyrosine. Обязательной ступенью является гидроксилирование тирозина до dopaquinone, из которого происходит также L-DOPA22. Отсутствие или тяжелая дисфункция tyrosinase и др. ключевых пигментных энзимов (включая P ген, человеческий гомолог мышиного локуса pink-eyed dilution, tyrosinase-related protein 1, TRP1 и membrane-associated transporter protein, MATP) приводит к oculocutaneous albinism (OCA1-4), который представлен интактными меланоцитами, но неспособностью продуцировать пигмент (see ref. 23 for a review).
Из dopaquinone, дивергируют пути eumelanin и pheomelanin. Два энзима, критические для eumelanogenesis, это tyrosinase-related proteins TRP1 (известный также как GP75 или b-локус) и TRP2 (известный также как dopachrome tautomerase, DCT). TRP1 и 2 обнаруживают 40-45% идентиыность с tyrosinase и являются хорошими маркерами дифференцировке. Pheomelanin возникает благодаря конъюгации с помощью thiol-содержащего cysteine или glutathione. Как результат, pheomelanin является более фотолабильным и может продуцировать среди своих ко-подуктов, перикись водорода, superoxide и hydroxyl радикалы, все они являются известными триггерами оксидативных стрессов, которые могут вызывать дальнейшие повреждения ДНК. Индивидуальные меланоциты обычно синтезируют eumelanins и pheomelanins, в соотношении, предопределяемом балансом переменных, включая экспрессию пигментных энзимов и доступность tyrosine и sulphydryl-содержащих восстанавливающих агентов в клетке22.
Меланин упаковывается и высвобождается кератиноцитами с помощью меланосом. Формирование, созревание и трафик меланосом является критическим для пигментации, а дефекты этого процесса ведут к депигментным и dilutionary нарушениям, таким как Hermansky-Pudlak Syndrome (HPS) и Chediak-Higashi Syndrome (CHS)24. На стороне кератиноцита protease-activated receptor-2 (PAR2), 7 раз пронизывающий мембрану рецептор кератиноцитов, играет центральную роль в переносе меланосом25. В кератиноцитах меланосомы распределяются и в ответ на УФЛ располагаются стратегически на 'sun-exposed' стороне ядер в виде шапочко-подобных структур, напоминающих зонтик. Melanocytes and physiological responses Ultraviolet-induced pigmentation Наиболее распространенным примером приобретенной пигментации является загар. Эффекты УФЛ видны невооруженным глазом в виде заметного 'sunburn' и/или 'солнечного загара'. Чувствительность к солнцу проявляется степенью кожного воспаления (erythema) и пигментации, которые возникают в результате воздействия УФЛ и которые могут проявляться клинически несколькими способами. Даже низкие дозы УФЛ могут вызывать повреждения ДНК прежде появления каких-либо изменений на коже26.
Реакция загара является одним из наиболее впечатляющих эффектов средовой адаптации у людей. Хорошо известно, что α-MSH увеличивает потемнение кожи у людей, феномен традиционно наблюдаемый у пациентов с недостаточностью надпочечников, чей гипофиз продуцирует компенсаторный избыток. Pro-opiomelanocortin (POMC) является предшественником как для α-MSH, так и ACTH, так и для др. биоактивных пептидов, включая β-endorphin. Хотя первоначально идентифицированный в гипофизе, продукция POMC, как сегодня известно, происходит в коже и волосяных фолликулах также27,28. После своего возникновения из POMC, α-MSH секретируется с помощью кератиноцитов и меланоцитов29. У людей мутации в POMC дают фенотип рыжих волос (подобно тому. что вызывают аллели MC1R), а также метаболические аномалии, такие как недостаточность надпочечников и тучность30.
Имеются доказательства, что повреждения ДНК сами по себе могут запускать продукцию пигмента. УФЛ - обычно УФЛ (длиной волны 290-320 nm) - индуцируют thymidine разрывы в ДНК и наиболее общим проявлением является формирование cyclobutane димеров. Обработка с помощью T4 endonuclease V, энзима, как известно, обеспечивающего первую и скорость-ограничивающую ступень в репарации thymidine димеров, улучшает загар в ответ на облучение УФЛ меланоцитов in vitro31. Местное применение небольших фрагментов ДНК, таких как thymine dinucleotides (pTpT) было впервые предложено Gilchrestс коллегами и как было установлено индуцирует позитивную регуляцию tyrosinase uи усиливает пигментацию31. Молекулярный механизм может быть связан с p53, p21 или PCNA (proliferating cell nuclear antigen), уровни которых увеличиваются после воздействия pTpT во временной рамке, сходными с теми, что наблюдаются после облучения УФЛ32.
p38 stress-activated kinase, как полагают, участвует в пигментации, связанной с УФЛ, путем фосфорилирования upstream transcription factor (USF-1), a basic helix-loop-helix leucine zipper транскрипционного фактора, который может соединяться с tyrosine промотором, В меланоцитах, происходящих из Usf-1-/-мышей, наблюдается дефектная активация с помощью УФЛ POMC и MC1R промоторов33. α-MSH , как было показано, активирует также p38 mitogen-activated протеин киназу in vitro34. Др. сопичастные пути включают те, что используют endothelin-1, β-fibroblast growth factor (β-FGF), nitric oxide, p-locus и stem-cell factor (SCF)35. Отдельные физиологические процессы - такие как рентгеновское облучение и вызывающие повреждения ДНК химиотерапевтические агенты - могут также стимулировать реакцию загара, которая потенциально использует пути, которые перекрываются с путями ответа на УФЛ36.
Неспособность к загару подчеркивает наличие несколько генетических признаков, которые могут быть инструктивными в отношении ответа в виде загара на УФЛ. Варианты MC1R, которые продуцируют слабо функционирующие рецепторы или из-за пониженной связи лиганда или из-за пониженной активации adenylyl cyclase, обнаруживают относительную неспособность к загару (напр., рыжеголовые не могут загореть). Такие индивиды обнаруживают тенденцию к веснушкам, но не продуцируют даже защитного пигмента. Они также склонные к солнечным ожогам, хотя триггеры этого процесса остаются неизвестными. 'Sunburn cells' - кератиноциты, в которых запускается апоптоз с помощью УФЛ - как было показано Brash с коллегами нуждаются в p53 для своего образования37, тем самым идентифицируется ключевая роль p53 в модуляции физиологической реакции на общие средовые воздействия (УФЛ), и участие p53 в качестве 'защитника ткани'38.
Дальнейшая информация о реакции УФЛ загара получена благодаря использованию K14-SCF трансгенных мышей10. Путем использования этого трансгенного фона мыши со светлой кожей (fair-skinned) (Mc1re/e) содержат эпидермальные меланоциты и остро чувствительны к УФЛ. УФЛ запускают у них более чем 30-кратное увеличение индукции POMC/α MSH в кератиноцитах мышей и людей, это подтверждает, что кератиноциты могут играть важную роль в 'восприятии' УФЛ и затем в синтезе и секреции α-MSH. Venfyns MC1R, что не явилось неожиданностью, лишены обнаружимых признаков реакции загара. Однако, восстанавливающая стратегия локального введения forskolin была использована для обхождения Mc1r мутации и непосредственной активации adenylyl cyclase, и как наблюдалось индуцирует выраженное потемнение кожи у генетически fair-skinned мышей10. Индуцированный паттерн пигментации обнаруживает нормальные гистологические признаки, такие как ядерное 'capping' в кератиноцитах и продуцирует достоверную защиту от формирования клеток солнечного ожога, образования пиримидиновых димеров и рака кожи после воздействия УФЛ10. Эти результаты подтверждают, что кухня темной пигментации остается доступной, если соотв. образом стимулируется. Начаты исследования этого феномена у людей. Response to UVR and the risk for skin cancer Как пигментация защищает кожу? Хотя предполагается, что вовлекается непосредственно защита с помощью меланина, однако, наше понимание этого процесса далеко неполное. Ясно, что пигментация кожи, как и способность к загару означает уменьшении риска рака кожи1. Если защитный эффект меланина подсчитать, используя минимальную эриматозную дозу, то защита даже наиболее темнокожих индивидов не более чем в 10-15 раз выше, чем в отсутствие меланина (безусловно означает относительно слабый sun-protection factor, SPF (Box 1)). Но фактор защиты в терминах риска рака кожи составляет 500-1,000 (refs 39, 40), указывая тем самым, что сильно пигментированная кожа прекрасно защищает от канцерогенеза. Это расхождение, хотя и является предметом многочисленных предупреждений, включая количественные подсчеты и предельные значения суррогатов, подтверждает, что защитные механизмы пигментов могут варьировать для разных исходов. таких как солнечный ожог и рак кожи.
Одним из возможных объяснений высокой защиты от рака темной пигментацией может быть связано с механизмом(ми) повышенного риска, ассоциированного со светлыми/красными пигментами. Варианты MC1R как было показано, содействуют повышенному риску меланом и non-melanoma раков кожи, независимо от пигментов кожи (включая фенотип рыжеволосости)41,42. Pheomelanin может функционировать как фотосенсибилизатор, способный регенерировать реактивные виды кислорода после УФЛ иррадиации43 и ассоциирует с высокими уровнями TUNEL (TdT-mediated dUTP nick end labelling)-позитивыных (апоптических) клеток после иррадиации УФЛ44. Т.о., повышенная продукция pheomelanin может быть фактором риска для меланом, хотя точный механизм, лежащий в основе этого процесса, остается полностью неизвестным, так что нет гарантии, что он не только маркер риска меланом, но и непосредственно вовлекается в канцерогенез. Необходимо заметить, что вопрос почему и как защита от солнца защищает от рака остается сложным и противоречивым (Box 1). Melanocyte development The migratory pathway of the melanoblast Развитие меланоцита из предшественника, клеток нервного гребня, проливает свет на уникальные свойства этого типа клеток. Клетки нервного гребня являются плюрипотентными клетками, которые возникают из наиболее дорсальной чати нервной трубки между поверхностной эктодермой и нервной пластинкой. Помимо меланоцитов клетки нервного гребня дают нейроны и глиальные клетки, medulla надпочечников, кардиальные клетки и черепно-лецевые ткани (see ref. 45 for a review). Меланобласты, предшественники меланоцитов, мигрируют, пролиферируют и дифференцируются по пути к их окончательным местам предназначения в базальном эпидермисе и волосяных фолликулах, хотя точное распределение меланоцитов варьирует среди видов (Fig. 1e, f).
Развитие меланоцитов хорошо охарактеризовано у некоторых видов, включая и эмбрионы мышей. Визуализация меланобластов у мышей достигается использованием lacZ трансгена на Trp2 промоторе, полученного Jackson и др.46 (Fig. 3). У мышей меланобласты дифференцируются из плюрипотентных клеток нервного гребня приблизительно на ст.эмбриогенеза (E)8.5, мигрируя вдоль дорсолатерального пути и в конечном итоге ныряя вентрально по всей дерме. Дефекты миграции меланоцитов обычно проявляются наиболее характерно на вентральной поверхности в виде 'белой пятнистости' т.е , на наиболее значительном расстоянии (зоне водораздела) от спины. На E14.5 у мышей меланоциты выходят из лежащего поверх дермиса и занимают эпидермис и развивающиеся волосяные фолликулы. Меланоциты достигают также хороида задней части глаз, радужки и stria vascularis улитки (внутреннее ухо). Microphthalmia transcription factor Стержневой фенотип Waardenburg Syndrome наблюдается при WS type 2 и характеризуется врожденными белыми прядями на лбу, асимметричной окраской радужки (heterochromia irides) и сенсоронейральной глухотой, всё это как результат нарушения миграции меланоцитов. Субнабор WS type 2 пациентов (WS2a) имеет гетерозиготные мутации в зародышевой линии в MITF. Mitf первоначально был описан как мутация окраски шерсти у мышей 60лет тому назад. Гомозиготные мутантные мыши имели маленькие глазки, белую шерсть и глухоту. Это характеризуется вовлечение клеточных клонов, которые включают клетки retinal pigment epithelial (RPE) (Mitf мутации вызывают микрофталмию), остеокласты (остеопетроз наблюдается у гомозигот по определенным мутантным аллелям) и мастоциты (в которых мутация вызывает тяжелые дисфункции)48. Многочисленные Mitf мутации были идентифицированы у мышей и др. видов и предоставляют важную информацию о генетических локусах и их центральной роли в развитии меланоцитов48.
MITF является членом Myc-related семейства basic helix-loop-helix leucine zipper (bHLH-Zip) транскрипционных факторов и законсервирован у всех исследованных видов позвоночных48. Подобно др. bHLH-Zip фактора он связывает канонические (CA[T/C]GTG) E box последовательности48. Подсемейство MiT факторов bHLH-Zip включает MITF, TFEB, TFE3 и TFEC48. Эти MiT факторы гомодимеризуются и гетеродимеризуются во всех комбинациях, хотя ограниченная тканевая экспрессия ограничивает доступность разных комбинаций партнеров в специфических контекстах. У меланоцитов MITF , по-видимому, единственный, критический член семейства, в то время как MITF и TFE3 гетеродимеризуются и обнаруживают функциональное перекрывание в остеокластах49. Три MiT фактора. включая MITF, были идентифицированы как онкогены у человека и, как было установлено, они участвуют во множественных озлокачетвлениях, включая меланомы50 (see page 851).
Сигнальный путь WNT/β-catenin также является важным для индукции нервного гребня и развития меланоцитов. мыши, лишенные дикого типа Wnt1 и Wnt3a имеют дефекты пигментацииs51. WNT1 и WNT3A запускают канонический путь, вызывающий в результате β-catenin-индуцированную транскрипцию в TCF/LEF (T-cell factor/lymphoid enhancer factor) promoter/enhancer элементах (Fig. 2). Идентифицированы многочисленные мишени TCF/LEF, включая Myc и cyclin D1 в non-melanocytes и MITF, TRP2 и SOX10 меланоцитах и клтках меланомы (see ref. 52 for a review). Избыточная экспрессия β-catenin у рыбок данио способствует формированию меланобластов и уменьшает формирование нейронов и глии53. Melanocyte homing to the epidermis and hair follicles c-Kit является тирозин киназным рецептором, участвующим в экспансии, выживании и миграции меланобластов54. Активация c-Kit с помощью Kit-ligand (KitL, известен также как steel factor или SCF) ведет к активации Ras и мнрожественным каноническим передачам сигналов, а также к посттрансляционной модификации MITF55 (Fig. 2). c-Kit, SCF и SNAI2 (известен также как SLUG) мутации были идентифицированы у людей с пегостью (piebaldism), аутосомно доминантным нарушением с вентральной депигментацией56,57. Piebaldism характеризуется белой прядью на лбу, но в отличие от WS, она не сопровождается глухотой и наиболее часто является результатом возникновения белых, депигментированных (свободных от меланоцитов) областей кожи скорее, чем за счет вовлечения волос. Однако, имеются сообщения о носителях мутации c-Kit с сенсоронейральной глухотой и без изменений кожной пигментации, что указывает на потенциальное перекрывание между синдромами piebaldism и WS58.
Доступность SCF играет критическую роль в обеспечении жизнеспособности меланобластов и способствует пролиферации как первоначально на дорсолатеральном пути миграции, так и позднее из дермальной мезенхимы при колонизации волосяных фолликулов и эпидермиса46,59,60. Экспрессия трансгенного Scfпод контролем промотора keratin (K14), оказывается достаточной для поддержания перемещения меланоцитов в эпидермис у покрытых шерстью животных, таких как мыши, которые во всем остальном имеют меньше эпидермальных меланоцитов в областях, содержащих мех46 (Fig. 1e, f). Использование imatinib mesylate (известен также как STI 571 или Gleevec), мощного BCR-ABL тирозин киназного ингибитора, который ингибирует также c-Kit tyrosine kinase, может приводить к потере пигмента (потере меланоцитов) кожей61.
SLUG кодирует транскрипционный фактор цинковые пальчики, ассоциированный с piebaldism. У мышей впервые было отмечено, что мутации Slug дают фенотип, очень сходный с piebaldism с анемией, бесплодием и белой прядью на лбу, а также с депигментацией вентральной части туловища, хвоста и ног62. Люди с piebaldism, лишенные мутации c-Kit, были найдены как гетерозиготы по делециям, соответствующим кодирующей области SLUG63. Кроме того, SLUG были также описаны при WS2, а механизм, предложенный для объяснения этих эффектов, затрагивает связывание MITF с промотором SLUG63. SLUG, по-видимому, необходим для миграции меланобластов и/или их жизнеспособности62. В мышиной модели меланом ингибирование SLUG с помощью small interfering RNA (siRNA) супрессирует склонность к метастазированию, что потенциально связывает SLUG как с миграцией, так и с метастазирующим поведением64.
В дополнение к c-Kit/SCF, и др. механизмы, скорее всего, участвуют на поздних ступенях миграции меланоцитов из дермиса в эпидермис. Сюда входят endothelins 1 и 3, hepatocyte growth factor (HGF) и basic FGF65. Доказательства влияния HGF's на обретение меланоцитами дома получены Merlino с коллегами, которые открыли обширный melanosis в разнообразных местах у трансгенных мышей. экспрессирующих HGF под контролем промотора metallothionein66. Эта модель оказалась особенно интересной из-за её высокой пенетрантности формирования меланом после одиночной дозы облучения УФЛ новорожденных67. Cadherins также участвуют: когда дермальные меланобласты проходят через базальную мембрану, они экспрессируют E-cadherin, который затем подавляется и замещается P-cadherin во время миграции в волосяные фолликулы68. У мышей скрининг доминантных фенотипов Barsh с коллегами идентифицировали два новых класса мутантов с темной кожей dark skin (Dsk)69. Первая группа содержит активирующие мутации в G белках, Gna11 и Gnaq, продуцирует избыток меланобластов в дермисе даже при нормальном их количестве, достигающих эпидермиса и волосяных фолликулов70. Мутации Dsk были способны устранять пигментные дефекты от потери PAX3 и c-Kit, но не делали этого у Ednrb-/- мышей71, указывая тем самым на клеточно-автономную амплификацию нормальной передачи сигналов endothelin, посредством которых мутантные Gq субъединицы обеспечивают избыточное количество ранних меланобластов. Melanoblast survival Экспрессия MITF активируется рано во время перехода от плюрипотентных клеток нервного гребня к меланобластам и необходима для жизнеспособности мигрирующих меланобластов48. Полный дефицит MITF приводит к отсутствию меланоцитов, указывая тем самым, что MITF является существенным для выживания клонов, для пролиферации или для предупреждения трансдифференцировки в направлении др. клонов нервного гребня (таких как глия и нейроны). Доказательства, что MITF остается жизненно необходимым для выживания меланоцитов в течение всей жизни организма, получены на гипоморфном мутантном аллеле Mitfvit, который обеспечивает почти нормальное развитие меланоцитов, но ускоряет возраст-зависимое поседение окраски шерсти из-за потери постнатальных меланоцитов72.
Bcl-2 (B-cell leukaemia/lymphoma 2), транскрипционная мишень для MITF73 и известный ингибитор апоптоза, также необходим для жизнеспособности меланоцитов74. Cyclin-dependent kinase 2 (Cdk2), регулятор клеточного цикла, является др. мишенью для MITF75. Клетки меланомы. как было установлено нуждаются в экспрессии Cdk2 для поддержания их клеточных циклов и жизнеспособности75. Несмотря на это, MITF's взаимодействия с Bcl-2 иCdk2 не полностью объясняют потребность меланоцитов в MITF, чтобы оставаться жизнеспособными во время развития, т.к. Mitf-нулевой гомозиготный фенотип является более тяжелым, чем от одиночных нокаутов, а экспрессия любого гена в Mitf-knocked-down меланомных клетках только частично восстанавливает жизнеспособность75,76.
Цитокиновый рецептор c-Met , как недавно было установлено является еще одним непосредственной транскрипционной мишенью для MITF76. Множество дополнительных мишеней для MITF было идентифицировано, включая CDK ингибиторы p16INK4a и p21/Cip1 (see ref. 9 for a review). Все вместе они возможно вносят вклад в двойную активность MITF's в отношении дифференцировки меланоцитов и жизнеспособности/пролиферации, а некоторые могут служить в качестве суррогатных лекарственных мишеней для MITF онкогенного пути. Функцию MITF-обеспечиваемой жизнеспособности необходимо отличать от маркеров дифференцировки, т.к. MITF, как полагают, скоординировано регулирует экспрессию пигментных генов, хотя возможно в сотрудничестве с др. контекст-зависимыми факторами. В дополнение к tyrosinase, TRP1 и TRP2, пигментные мишени для MITF в меланоцитах включают silver (PMEL17, известен также как gp100, который кодирует melanoma-diagnostic эпитоп HMB45), melan-A (известен также как MART1), melastatin (TRPM1) и AIM1 (oculocutaneous albinism 4)9. Melanocyte stem cells and grey hair Меланоциты волосяного фолликула ответственны за волосяной пигмент. Жизненный цикл меланоцита волосяного фолликула тесно сцеплен с циклом волосяного фолликула, который обычно в стадии роста (anagen), но проходит короткий период регрессии (catagen) и наконец вступает в фазу покоя (telogen), в течение которой волос выпадает и цикл начинается снова (see page 834). Мультипотентные эпидермальные стволовые клетки находятся в bulge области (в основании перманентной части фолликула, непосредственно низе сальной железы)77 (Fig. 4). Здесь же располагаются стволовые клетки меланоцитов. Они отвечают за восстановление пула дифференцированных меланоцитов в волосяной луковице, где пигмент инкорпорируется, т.к. начинает синтезироваться новый волос46 (Fig. 3). Клюевым признаком. удовлетворяющим определению 'stemness' является медленные клеточные циклы, само-поддержание, незрелость и компетентность регенерировать потомство, после соотв. стимулирования78. Независимое подтверждение, что ниши стволовых клеток меланоцитов располагаются в волосяных фолликулах получены от пациентов с vitiligo (отсутствием эпидермальных меланоцитов) на базе иммуносупрессивного воздействия, при котором репигментация четко инициируется радиально от волосяных фолликулов.
Более постепенное поседение наблюдается у гипоморфных мутантных мышей Mitfvit (ref. 78). В этом случае bulge меланоциты теряются более постепенно, хотя всё ещё в заметно ускоренном темпе по сравнению в диким типом. Потере популяции стволовых клеток предшествует появление неожиданных пигмент-продуцирующих клеток в bulge области (нише стволовых клеток). Т.к. дифференциация/пигментация обычно несовместимы со стволовостью (stemness) то было предположено, что такая 'неподходящая' bulge пигментация может означать аберрантный выход из пула стволовых клеток меланоцитов. Окончательная деплеция стволовых клеток таким способом д. давать серые/белые волосы в последующем цикле фолликула.
Связанное с возрастом поседение в фолликулах мышей и людей также сопровождается изнашиванием bulge меланоцитов и предшествует 'inappropriate pigmentation' в такой популяции (нише) меланоцитов78. Необходимо посмотреть, существуют ли др. причины поседения у людей, такие как в случае неожиданного потемнения (иногда описывается у пациентов, принимающих imatinib81), который безусловно не связан с истощением стволовых клеток меланоцитов. Такие примеры могут быть более пригодными для 'восстановительных' стратегий при седине.
Future prospects Melanocyte biology remains at the crossroads of the laboratory and the clinic. Numerous pigmentation mutants are phenotypically profound but remain mechanistically uncharacterized. Although pigment mutants are informative with regard to basic genetic and developmental mechanisms, they also provide important clues to processes of photoprotection, cancer predisposition and even human evolution. The elucidation of genetic regulators of pigmentation will probably increase even more markedly with the advent of targeted knockouts that spare embryonic lethality for vital genes. |