Mechanisms of skin pigmentation

Wprowadzenie

W ostatnich kilkudziesięciu latach gwałtownie wzrosła liczba zachorowań na różnego typu nowotwory skóry, np. zachorowania na czerniaka zwiększyły się wśród mieszkańców USA w latach 1939–2007 ponad 20-krotnie, z 1 : 1500 w 1939 r. do 1 : 63 w 2007 r. [1]. Czerniak stał się najpospolitszym nowotworem wśród 25–29-latków w USA [2]. Dramatycznie zwiększyła się też zachorowalność na inne typy nowotworów skóry, w 2008 r. w USA zdiagnozowano ponad 1 mln nowych zachorowań. Przeważają zachorowania na raka kolczystokomórkowego (ang. squamous cell carcinoma – SCC) oraz podstawnokomórkowego (ang. basal cell carcinoma – BCC). Na rozwój nowotworów skóry wpływa wiele czynników, m.in. fenotyp skóry (barwa skóry), odpowiedź immunologiczna, infekcje wirusowe, uwarunkowania genetyczne, jednak decydującym czynnikiem jest ekspozycja na promieniowanie ultrafioletowe (ang. ultraviolet radiation – UVR). Epidemiolodzy wskazują, że gwałtowny wzrost zachorowań na różnego rodzaju nowotwory skóry wiąże się ze zmianami w sposobie spędzania wolnego czasu. Modne stało się przebywanie na świeżym powietrzu i opalone, brą­zowe ciało. W 2004 r. 28 mln obywateli USA, wśród których 70% stanowiły nastolatki i kobiety w wieku 16–49 lat, opalało się przy sztucznych źródłach UVR [3]. Powyższe dane dotyczą białej populacji tego kraju, która znacznie częściej choruje na nowotwory skóry niż ludzie rasy czarnej.

W pracy przedstawiono biologiczne podstawy powstawania opalenizny pod wpływem UVR oraz omówiono różnice morfologiczne melanocytów, które decydują o wrodzonym kolorze skóry i podatności na nowotwory skóry.

Melanocyty, melanosomy i melanina

Docierające do skóry promieniowanie słoneczne i pochodzące ze źródeł sztucznych jest częściowo od-bijane od jej powierzchni, jednak w dużej mierze pochłaniane przez chromofory komórkowe, przede wszystkim przez melaninę – barwnik produkowany w melanosomach, organellach melanocytów (komórek barwnikowych skóry).

Melanocyty są rozmieszczone w warstwie podstawnej naskórka na całej skórze z wyjątkiem we­wnętrznych powierzchni dłoni i stóp. Ilość melanocytów na jednostkę powierzchni jest podobna i nie zależy od koloru skóry. Melanocyty mają liczne wypustki dendrytyczne. Za ich pomocą melanosomy są transportowane do keratynocytów. Przekazanie melanosomów z melanocytów do keratynocytów zachodzi głównie poprzez fagocytozę zakończenia wypustki melanocytu przez keratynocyt. Wewnątrz keratynocytu melanosomy mogą pozostawać wolne, mogą też grupować się w otoczone błoną agregaty, zwane kompleksami melanosomowymi [4].

Do czynników pobudzających wzrost melanocytów należą: czynnik pobudzający melanocyty (ang. melanocyte growth factor – MGF), fibroblasty (ang. fibroblast growth factor – FGF) i hepatocyty (ang. hepatocyte growth factor – HGF), natomiast inhibitorami proliferacji są interleukiny 1, 6 (IL-1, IL-6), czynnik martwicy nowotworów  (ang. tumor necrosis factor  – TNF-), interfe-ron  (INF-) i transformujący czynnik wzrostu (transforming growth factor  – TGF-) [5]. Melanocyty odgrywają ważną rolę w układzie odpornościowym skóry [6]. Pobudzone melanocyty prezentują antygeny limfocytom T w kontekście z antygenami głównego układu zgodności tkankowej MHC klasy I i II. Produkują i wydzielają także różnorodne cząsteczki sygnalizacyjne, takie jak: mediatory zapalenia (IL-1, IL-2, IL-6, IL-10 i TNF-), cytokiny, czynniki chemotaktyczne (aktywujący i chemotaktyczny czynnik monocytów, ang. monocyte chemotactic and activating factor – MCAF) oraz czynniki wzrostu, np. TGF-1. Syntetyzują też substancje, które uczestniczą w ostrej fazie zapalenia, np. aminy katecholowe, tlenek azotu (NO) oraz -MSH – hormon stymulujący syntezę melaniny w melanocytach poprzez stymulację tyrozynazy, istotnego enzymu melanogenezy [7, 8].

Melanocyty są podatne na działanie wielu cząsteczek sygnalizacyjnych, w tym cytokin prozapalnych. Mają na powierzchni receptory dla IL-1, IL-6, TNF-, dla histaminy i prostaglandyn [6]. Cytokiny w melanocytach są także odpowiedzialne za pobudzenie ich do wzmożonej syntezy i wydzielania NO, po­­przez pobudzanie jego indukowanej syntetazy (iNOS). Melanocyty nie tylko produkują NO, lecz także są wrażliwe na jego duże stężenia. Uwalniany w nadmiarze NO może wywoływać apoptozę melanocytów i powodować zanikanie barwnika w skórze [9].

Proces syntezy melaniny – melanogeneza (ryc. 1.), może być regulowany przez cytokiny prozapalne i inne mediatory odpowiedzi immunologicznej. Takie cytokiny zapalenia, jak IL-1, IL-6 i TNF-, hamują biosyntezę melaniny, natomiast glikokortykosteroidy ją pobudzają. Głównym czynnikiem jest jednak naświetlanie UVB (280–320 nm). To widmo promieniowania pobudza powstawanie w melanocytach diacyloglicerolu, NO, wolnych rodników oraz hormonu -MSH. Wyzwalają one kaskadę reakcji nasilających aktywność tyrozynazy, a wzmożonej melanogenezie towarzyszy wzrost transferu melanosomów do keratynocytów [6].

Melanina nie jest pigmentem jednorodnym. Składa się z kilku różnych barwników, które mają różne właściwości fizyczne i barwę. Pierwszy etap syntezy tych barwników jest wspólny. Melanogeneza zaczyna się od oksydacji aminokwasu – tyrozyny, przez enzym tyrozynazę. W wyniku tego utlenienia powstaje dopachinon, który jest substratem dla produkcji za­równo żółtoczerwonej feomelaniny, jak i dwóch form eumelaniny – ciemnobrązowej i czarnej. Produkcja feomelaniny – w przeciwieństwie do eumelaniny – zależy od dostępności cysteiny, która jest aktywnie transportowana do melanosomów i podlega przyłączeniu do pierścienia dopachinonu, tworząc cyst-DOPA. Ta ostatnia podlega cyklizacji, w wyniku czego powstaje alanylohydroksybenzotiazyna. Monomer ten polimeryzuje i powstaje rozpuszczalna w roztworach zasadowych feomelanina [10]. Dopachinon może również ulegać cyklizacji i oksydacji do niestabilnego dopachromu, który może ulegać albo spontanicznej dekarboksylacji do 5,6-dihydroksyindolu (DHI), albo tautomeryzacji z utworzeniem kwasu 5,6-dihydroksyindolo-2-karboksylowego (DHICA) [11]. Ten etap jest kontrolowany przez specyficzny enzym melanosomów – tautomerazę dopachromową [12, 13].

Kwas 5,6-dihydroksyindolo-2-karboksylowy może jednak powstawać spontanicznie, bez udziału enzymu, w obecności pewnych jonów metali (Cu+2, Ni+2, Co+2) przy pH poniżej 6 [14]. Z chwilą powstania zarówno DHI, jak i DHICA podlegają polimeryzacji. W ten

sposób tworzą się dwie formy eumelaniny. Polimer eumelaniny powstały z polimeryzacji DHI ma barwę ciemnobrunatną lub czarną, jest słabo rozpuszczalny, podczas gdy polimer utworzony z DHICA ma barwę jasnobrązową i łatwo rozpuszcza się w roztworach zasadowych [15]. W naturze DHI i DHICA tworzą wspólne polimery, obie formy tworzą eumelaninowy heteropolimer. Jeśli w takim heteropolimerze przeważa DHI, to powstający polimer ma taką samą charakterystykę chemiczną i optyczną (barwę) jak czysty mo­nomer DHI.

Aktywne formy tlenu (ang. reactive oxygen species – ROS) powodują uszkodzenie DNA w keratynocytach. W odpowiedzi na uszkodzenia DNA w tych komórkach następuje aktywacja p53 – czynnika transkrypcyjnego dla genu proopiomelanokortyny (POMC). Białko, które jest produktem genu POMC, jest następnie posttranslacyjnie cięte na trzy peptydy: hormon adenokortykotropowy (ACTH), endorfinę i hormon stymulujący melanocyty (MSH). Pochodzący z keratynocytów MSH aktywuje receptor błonowy melanocytu (MC1R), co uruchamia kaskadę procesów biochemicznych prowadzącą poprzez aktywację cAMP do wzrostu ekspresji czynnika transkrypcyjnego MITF (ang. microphthalmia-associated transcription factor) w melanocytach (cAMP wiąże się z promotorem genu, uruchamiając jego transkrypcję). Z kolei MITF aktywuje zespół genów, które katalizują przekształcenie tyrozyny w melaninę [16]. Melanina jest następnie pakowana w melanosomy i transportowana do keratynocytów, a następnie umieszczana nad jądrem, co chroni je przed dalszą ekspozycją na UVR [17]. Powodem, dla którego skóra ludzi rasy celtyckiej nie brązowieje, jest brak właściwego receptora MC1R. Sygnał od MHS nie jest więc przenoszony przez błonę melanocytu i nie dochodzi do aktywacji syntezy melani-ny [18]. Pod wpływem UVR dochodziłoby do foto­degradacji melaniny, a proces ten generowałby ROS

[18, 19].

Istnieją dwa typy melanosomów – sferoidalne i elipsoidalne. W melanosomach sferoidalnych występuje barwnik feomelanina i stąd ich nazwa feomelanosomy, natomiast te ostatnie nazywane są także eumelanosomami, ponieważ zawierają barwnik eumelaninę. Feomelanosomy i eumelanosomy mogą występować w obrębie jednego melanocytu [20]. Melanosomy mogą mieć różny stosunek osi długiej do osi krótkiej. I tak, w melanosomach sferoidalnych wynosi on 1,25–1,35, a w melanosomach elipsoidalnych nawet 1–20 [21].

Różnice morfologiczne umożliwiły zastosowanie techniki analizy morfologii melanosomów do badania składu melaniny w skórze ludzkiej. Podstawowa metoda badania składu melaniny polega na oznaczaniu za pomocą chromatografii cieczowej produktów jej degradacji. Metoda ta nie wykrywa jednak DHI eumelaniny. Jej stężenie oblicza się z różnicy pomiędzy całkowitą ilością barwnika a jego dwoma formami rozpuszczalnymi w zasadach [18]. Barwa skóry i włosów człowieka zależą od proporcji w mieszaninie tych trzech komponentów [22, 23].

Różnice etniczne

Obserwacje oraz wyniki badań epidemiologicznych wskazują, że chociaż melanocyty osób rasy czarnej starzeją się szybciej niż melanocyty osób rasy białej, to wizualnie skóra ludzi rasy czarnej starzeje się wolniej niż skóra ludzi rasy białej. Ponadto u ludzi rasy czarnej rzadziej występują zachorowania na czerniaka.

Stwierdzono, że ma to związek z melaniną [24]. Funkcja ochronna tego barwnika jest dobrze udokumentowana u ludzi ras hinduskiej i negroidalnej [18]. Stężenie melaniny w naskórku zależy od typu etnicznego (rasy) oraz od tego, czy była ona przewle­kle eksponowana na promieniowanie słoneczne. Skóra ludzi rasy kaukaskiej zawiera blisko o połowę mniej melaniny w porównaniu ze skórą ludzi rasy negroidalnej. Nie­zależnie od przynależności etnicznej, w okolicach narażonych na przewlekłe działanie promieniowania słonecznego stężenie melaniny jest blisko dwukrotnie większe od stężenia na obszarach skóry niepodda-nej nasłonecznieniu, odpowiednio 40,1 g/mg białek naskórka i 22,0 g/mg u rasy negroidalnej oraz 19,9 g/mg i 12,3 g/mg u rasy kaukaskiej. Również melanosomy w partiach skóry eksponowanej na promieniowanie słoneczne są istotnie większe w porównaniu z melanosomami z obszarów nieeksponowanych [25]. Zmienia się także skład melaniny. W skórze chronicznie eksponowanej istotnie zwiększa się stężenie DHI, co wskazuje na adaptacyjną, ochronną rolę tego związ­ku wobec UVR [22].

W zależności od pochodzenia etnicznego (przynależności do danej rasy) różne są również stężenie i skład melaniny oraz wielkość melanosomów. Podstawowym czynnikiem, od którego zależy kolor ludzkiej skóry, jest wzór rozmieszczenia melanosomów w obrębie keratynocytów. W keratynocytach ludzi rasy kaukaskiej 88,9% melanosomów występuje w postaci pęczków, natomiat melanosomy w keratynocytach skóry ciemnej (u rasy negroidalnej) są większe i 84,5% z nich występuje pojedynczo. U ludzi rasy żółtej (azjatyckiej) wzór rozmieszczenia melanosomów w keratynocytach w skórze osłoniętej od słońca jest kombinacją wzoru dla rasy kaukaskiej i negroidalnej, tj. występuje tu kombinacja pojedynczych melanosomów i wiązek melanosomów w proporcji 62,6% : 37,4%. Melanosomy rozmieszczone indywidualnie są zwykle większych rozmiarów niż melanosomy w wiązkach. Dokładne pomiary wielkości ziaren u różnych ras wykazały, że największe ziarna są w skórze rasy negroidalnej

(1,44 ±0,67 m² × 10–2), następnie w skórze rasy żółtej (1,36 ±0,15 m² × 10–2), natomiast najmniejsze w skórze rasy celtyckiej (0,94 ±0,48 m² × 10–2) [26, 27].

Na zabarwienie ma także wpływ skład melaniny. W badaniach dotyczących składu pigmentowego włosów barwy ciemnobrązowej (rasy kaukaskiej ciemnej – typ IV według skali Fitzpatricka) i barwy czarnej (rasy orientalnej – typ V według skali Fitzpatricka) wykazano, że głównym barwnikiem w obu przypadkach jest eumelanina. Jej stężenie wynosiło 8,1 ±0,5 g/mg tkanki (rasa kaukaska) i 19,6 ±0,5 g/mg (rasa orientalna). Stężenie feomelaniny kształtowało się na poziomie 2,9 ±0,2 g/mg u rasy kaukaskiej i 3,8

±0,0 g/mg u rasy orientalnej. Eumelanina włosów brązowych zawierała 19,2% DHICA, a eumelanina włosów czarnych – 22,9% tego kwasu. Stosunek feomelaniny/eumelaniny wynosił 0,36 dla włosów brązowych i 0,19 dla włosów czarnych, co wskazuje na tendencję, że im ciemniejszy jest kolor włosów, tym mniej feomelaniny znajduje się w składzie pigmentu włosa [13]. W skórze osób o fenotypie V i VI, odpowiednio przedstawicieli grupy etnicznej orientalnej i negroidalnej, najczęściej zachodzi synteza DHI eumelaniny, zarówno w skórze naświetlanej, jak i nienaświetlanej. U przedstawicieli rasy celtyckiej (typ I według skali Fitzpatricka) – o bardzo jasnej cerze i rudych bądź blond włosach – stwierdza się w melanosomach głównie czerwony barwnik, feomelaninę [22].

Ponadto wyniki badań wykazały, że hormon -MSH i toksyny cholery aktywują melanogenezę oraz indukują procesy prowadzące do zatrzymania podziałów komórkowych (starzenia się) w ludzkich melanocytach [28]. W melanocytach ludzi rasy czarnej pod wpływem toksyn cholery in vitro gromadzone są duże ilości barwnika. Jednocześnie dochodzi u nich do zahamowania cyklin – enzymów markerowych dla intensywnie dzielących się komórek. W melanocytach skóry ludzi rasy białej, w tych samych warunkach zewnętrznych, akumulacja melaniny jest znacznie słabsza i co najważniejsze – po zadziałaniu in vitro toksynami cholery melanocyty przechodzą jeszcze kilka cykli podziałowych. Tak więc starzenie się melanocytów ludzi rasy białej jest opóźnione w stosunku do melanocytów ludzi rasy czarnej [28].

Podsumowanie

Skóra wystawiona na przewlekłe działanie promieniowania słonecznego jest ciemniejsza w porównaniu ze skórą chronioną przed naświetleniem. Dotyczy to zwłaszcza ludzi z typem skóry od III do VI według klasyfikacji Fitzpatricka, odpowiednio przedstawicieli rasy kaukaskiej o ciemniejszej białej skórze, kaukaskiej o jasnobrązowej skórze, orientalnej (hinduskiej) o brązowej skórze i rasy negroidalnej o skórze czarnej lub ciemnobrązowej. Przedstawiciele rasy celtyckiej o bardzo jasnej skórze, niebieskich oczach i rudych włosach (kaukaska I) oraz rasy kaukaskiej jasnej zawsze lub bardzo łatwo ulegają poparzeniom słonecznym i opalają się bardzo trudno [24]. Brązowienie skóry jest reakcją obronną organizmu przed szkodliwym, destrukcyjnym działaniem UVR.

Postęp w badaniach nad biologią melanocytów i dokładne poznanie mechanizmów pigmentacji stanowi podstawę do opracowania nowych substancji regulujących procesy zabarwienia skóry.

Piśmiennictwo

 1. Riegel D.S.: Cutaneous ultraviolet exposure and its relationship to the development of skin cancer. J Am Acad Dermatol 2008, 58, 129-132.

 2. Bleyer A., O’Leary M., Barr R., Ries L.: Cancer epidemiology in older adolescents and young adults 15 to 29. National Cancer Institute, NIH Pub. No. 06-5767. Bethesda, 2006.

 3. Levine J.A., Sorace M., Spencer J., Siegel D.M.: The indoor UV tanning industry: a review of skin risk, health bene-

fits claims, and regulation. J Am Acad Dermatol 2005, 53,

1038-1044.

 4. Ernfors P.: Cellular origin and developmental during the formation of skin melanocytes. Exp Cell Res 2010, 316, 1397-1407.

 5. Krasagakis K., Garbe C., Zouboulis C.C., Orfanos C.E.: Growth control of melanoma cells and melanocytes by cytokines. Recent Results Cancer Res 1995, 139, 169-182.

 6. Tam I., Stepień K.: Melanocyty – immunokompetentne ko­mórki barwnikowe. Postep Derm Alergol 2007, 24, 188-193.

 7. Fisher J.M., Fisher D.E.: From suntan to skin cancers: molecular pathways and prevention strategies. Targ Oncol 2008, 3, 41-44.

 8. Shin Y., Seo Y., Yoon H., Song K., Park J.W.: Effect of keratinocytes on regulation of melanogenesis in culture of melanocytes. Biotechnol Bioproc E 2012, 17, 203-210.

 9. Bowen A.R., Hanks A.N., Allen S.M., Alexander A., Die­drich M.J., Groosman D.: Apoptotic regulators and res­ponses in human melanocytic and keratinocytic cells. J In­vest Dermatol 2003, 120, 48-55.

10. Prota G.: Regulatory mechanisms of melanogenesis: beyond the tyrosinase concept. J Invest Dermatol 1993, 100: 1568-1618.

11. Pawelek M.: After dopachrome? Pigment Cell Res 1991, 4, 53-62.

12. Aroca P., Garcia-Borrbn J.C., Solano F., Lozano J.A.: Regulation of mammalian melanogenesis I: partial purification and characterization of a dopachrome converting factor: dopachrome tautomerase. Biochim Biophys Acta 1990, 1035, 266-275.

13. Uyen L.D.P., Wquyen D.H., Kim E.: Mechanism of skin pigmentation. Biotechnol Bioproc E 2008, 13, 383-395.

14. Pavel S.: Dopachrome tautomerase is not essential for

DHICA formation. Pigment Cell Res 1994, 7, 123-127.

15. Orlow S.J., Osber M.P., Pawelek J.M.: Synthesis and characterization of melanins from dihydroxyindole-2-carboxylic acid and dihydroxyindole. Pigment Cell Ress 1992, 5, 113-121.

16. Levy C., Khaled M., Fisher DE.: MITF: master regulator of melanocyte development and melanoma oncogene. Trends Mol Med 2006, 12, 406-416.

17. Tran T., Schuman J., Fisher D.E.: UV and pigmentation: molecular mechanisms and social controversies. Pigment Cell Melanoma Res 2008, 21, 509-516.

18. Ito S., Fujita K.: Microanalysis of eumelanin and pheomelanin in hair and melanomas by chemical degradation and liquid chromatography. Ann Biochem 1985, 144, 527-536.

19. Wenczi E., Van der Schans G.P., Roza L., Kolb R.M., Timmerman A.J., Smit N. i inni: (Pheo)melanin photosensitizes UVA-induced DNA damage in cultured human melanocytes. J Invest Dermatol 1998, 111, 678-682.

20. Inazu M., Mishima Y.: Detection of eumelanogenic and pheomelanogenic melanosomes in the same normal human melanocyte. J Invest Dermatol 1993, 100, 172S-175S.

21. Wilczek A., Kondon H., Mishima Y.: Composition of mammalian eumelanins: analyses of DHICA-derived units in pigment from hair and melanoma cells. Pigment Cell Res 1996, 9, 63-67.

22. Alaluf S., Heath A., Carter N., Atkins D., Mahalingam H., Barrett K. i inni: Variation in melanin content and composition in type V and VI photoexposed and photoprotected human skin: the dominant role of DHI. Pigment Cell Res 2001, 14, 337-347.

23. Daal A.: The genetics basis of human pigmentation. Forencis Sci Int 2008, 1, 541-543.

24. Fitzpatrick T.B.: The validity and practicality of sun-

reactive skin types I through VI. Arch Dermatol 1988, 124, 869-781.

25. Jabłoński N., Chaplin G.: Barwy ochronne. Świat Nauki (wydanie specjalne) 2003, 3, 4-81.

26. Brenner M., Hearing V.J.: The protective role of melanin against UV damage in human skin. Photochem Photobiol 2008, 84, 539-549.

27. Thong H.Y., Jee S.H., Sun. C.C, Boissy R.E.: The patterns of melanosome distribution in keratinocytes of human skin as one determining factor of skin colour. Br J Dermatol 2003, 149, 498-505.

28. Alaluf S., Atkins D., Barret N., Blount M., Carter N., Heath A.: Ethnic variation in melanin content and composition in photoexposed and photoprotected human skin. Pigment Cell Res 2002, 15, 112-118.



Otrzymano: 7 V 2013 r.

Zaakceptowano: 6 VI 2013 r.