综述｜靶向干细胞生态位：ⅩⅦ型胶原在皮肤老化和伤口修复中的作用

跨膜蛋白ⅩⅦ型胶原（COL17/BP180/BPAG2）是半桥粒（HD）的结构成分。它最初被命名为BP180，是因为它在20世纪80年代首次在大疱性类天疱疮（BP）中发现。在20世纪90年代初鉴定了该蛋白的序列，检测到由重复的三重态甘氨酸-X-Y组成的几个胶原结构域，因此将BP180重新标记为ⅩⅦ型胶原。从那时起，一系列研究揭示了这种蛋白质的结构。它有一个球状的细胞内结构域（ICD）和一个大的细胞外结构域（ECD），其中含有穿插在非胶原结构域中的胶原结构域。胶原三螺旋的组装形成三聚体的更高结构，三聚体经历组成性或诱导性脱落。

COL17主要由基底角质形成细胞表达，其ICD通过plectin和BP230与角蛋白中间丝结合，而ECD与整合素α6、层粘连蛋白332和IV型胶原结合。这些多蛋白复合物在真皮-表皮基底膜区形成HDs，介导角质形成细胞与下层膜的粘附。另一种COL17，定义为存在于基底角质形成细胞顶侧部分的非HD COL17，可能在角质形成细胞生理学中发挥其他作用。

据报道，COL17与多种皮肤疾病有关。在自身免疫性皮肤病中，如BP、粘膜类天疱疮、妊娠期类天疱疮和线性IgA大疱性皮肤病，COL17作为自身抗原。COL17在遗传性起泡性皮肤病中缺乏，如中间交界性大疱性表皮松解症（JEB）。此外，它还在皮肤癌中发挥作用，如鳞状细胞癌、基底细胞癌和恶性黑素细胞瘤。

由于JEB患者的皮肤也具有皮肤萎缩和脆弱、脱发、色素沉着和伤口愈合延迟的特点。COL17在皮肤老化和伤口修复中的作用已在未缓解的皮肤中逐渐显现。有趣的是，COL17通常通过调节干细胞发挥作用。在这里，我们概述了COL17在皮肤老化和皮肤伤口修复中的作用，特别强调了它在干细胞生态位中的作用。我们首先介绍COL17以及干细胞在皮肤老化和伤口修复中的作用。然后，我们讨论了COL17在皮肤老化中对表皮干细胞（ESCs）、毛囊干细胞（HFSCs）和黑素细胞干细胞（MSCs）的干细胞生态位的影响，以及COL17在ESC群体动力学和皮肤伤口修复运动中的参与。此外，我们还讨论了COL17在抗衰老和伤口修复方面的临床意义。最后，我们为COL17的研究提出了未来的展望。

1.皮肤衰老中的干细胞

随着年龄的增长，皮肤表现出深刻的结构和功能变化，包括表皮和真皮变薄、真皮弹性和皱纹的丧失以及头发变白和脱落。皮肤衰老是由内在衰老（也称为时间衰老）或环境因素（如空气污染和紫外线）引起的外在衰老引起的。损伤理论是一种被广泛接受的加速皮肤衰老的机制，涉及复制错误、活性氧、端粒侵蚀和染色体断裂造成的DNA损伤的积累。基因组不稳定导致的组织衰退已被解释为细胞衰老或凋亡。然而，组成细胞的动力学及其细胞命运，以及确定衰老或受损细胞在衰老过程中是否在组织和器官中积累或消除，一直是一个棘手的问题。

成体干细胞对取代组织中的细胞至关重要，但其能力随着年龄的增长而下降。因此，皮肤中的干细胞，包括ESCs、HFSC和MSCs，是皮肤衰老中细胞动力学的前瞻性关键。这些成体干细胞位于为干细胞的维持和功能提供空间上不同的微环境的生态位中。干细胞生态位的概念框架、其组成及其运作物流在整个生命周期中不断更新；因此，干细胞生态位被认为有助于“青春之泉”。在下一节中，将讨论COL17在多种皮肤干细胞中的调节作用（图1）。

图1 COL17是皮肤衰老的关键调节剂。内源性或外源性衰老导致基因组不稳定，然后导致COL17表达降低和COL17蛋白水解增加，其由蛋白酶（例如MMP9、ADAM9、10、17、ELANE）和蛋白酶抑制剂（例如PAI-1、PAI-2、A1AT、TIMP1、TIMP2、TIMP3）调节。这些最终会导致表皮变薄和脆弱，头发变白和脱落。对于ESCs，COL17下调通过与aPKC和PAR3的相互作用导致SDCs和ADC的失衡。对于HFSC，COL17的下调通过Notch和c-MYC信号传导导致HF小型化。对于MSC，ESCs和HFSC中COL17的下调在TGF-β信号传导的参与下创造了一个生态位，导致MSC衰老。

2.ESCs中的COL17

越来越多的证据证实，细胞-细胞和细胞-细胞外基质的粘附对于建立和维持生态位结构至关重要。与下层细胞外基质的粘附已被认为是ESC维持的一个重要因素。半桥粒因衰老而减少，并导致基底细胞的微脱层。在所有HD成分中，COL17是唯一一种在衰老过程中显著减少的成分。随后的研究表明，半桥粒不稳定性是由COL17A1的蛋白水解引起的，COL17A1是由固有衰老和UVB诱导的光老化引起的基因组不稳定性引起的。越来越多的研究已经阐明了蛋白酶和蛋白酶抑制剂在COL17A1蛋白水解中的作用，包括蛋白酶MMP9、ADAM9、10、17和ELAN，以及蛋白酶抑制剂PAI-1、PAI-2、A1AT、TIMP1、TIMP2和TIMP3。

最近报道了COL17在衰老中的确切作用。在皮肤稳态中，COL17A1在不同的基底细胞克隆中差异表达，并且COL17A1高ESCs不断地胜过COL17A1低细胞，以从皮肤中消除应激或不适合的细胞。老化皮肤的谱系追踪显示了由基底层中的非竞争性COL17A1-MCM2-细胞组成的扩展的单型细胞克隆，而不是年轻皮肤中COL17A1表达的明显异质性。细胞竞争可能是由COL17A1差异表达介导的两种类型的细胞分裂驱动的。COL17A1低细胞表现出增加的垂直细胞分裂比率以产生基底细胞和位于顶部的分化基底上细胞，而COL17A1高细胞平行分裂以产生两个相同的基底子细胞。因此，COL17介导的对称细胞分裂（SCDs）通过导致半桥粒数量减少，从而从基底膜上进行微缺失，从而从机制上推出COL17A1低细胞。

除了细胞竞争理论外，COL17还可以通过增加平行分裂的比例直接增加表皮细胞集落的自我更新能力。此外，非HD COL17的减少导致ESCs的不对称细胞分裂（ACDs）增加，导致衰老小鼠爪子的表皮分层异常增加。这些结果表明，HD COL17和非HD COL17对于ESCs中细胞分裂的调节都是至关重要的，SCDs和ACDs的平衡对于调节皮肤稳态尤其重要，并且在皮肤衰老过程中受到干扰。

COL17调节细胞分裂的机制在随后的研究中进行了讨论。衰老诱导的细胞内钙浓度变化导致非典型PKC（aPKC）的抑制，非典型PKC是一种已证实的干细胞分裂定向调节因子，从而减少基底细胞中的顶侧COL17。反过来，COL17与aPKC和蛋白酶激活受体3（PAR3）形成的复合物相互作用，PAR3是干细胞维持的细胞极性调节因子。总之，aPKC和COL17之间的相互调节改变了细胞极性，促进了表皮细胞中的ASD，并增加了老年皮肤中的终末分化细胞。有趣的是，PKC信号传导对COL17的影响是有争议的。与上述修饰机制相反，非HD COL17磷酸化和内吞作用由PKC诱导，HD COL17不稳定由aPKC驱动，这归因于PKC激活的不同上游信号通路。

总的来说，年龄诱导的COL17蛋白水解通过PKC信号导致ESCs中SCDs和ACDs的失衡，导致细胞竞争、自我更新能力和干细胞维持的丧失，最终导致与年龄相关的表皮萎缩、脆弱和无法愈合的伤口，这将在下一节中讨论。

3.HFSC中的COL17

脱发是皮肤衰老的常见表现之一。毛囊（HF）是皮肤的一个微小上皮器官，在重复的毛发周期中维持毛发的周期性再生。HFSC负责毛囊的循环再生，并在受伤后作为毛囊间表皮（IFE）和皮脂腺的子代的短暂供应。HFSC从周围环境接收信号，并主动发出信号来调节其自身生态位的组织和功能。

HF老化的特点是毛囊小型化，没有毛乳头、皮脂腺和漏斗。HF小型化之前是干细胞失调，包括HFSC标记物和HFSC维持标记物的损失。与ESCs类似，HFSC在衰老过程中致力于表皮末端分化和角质化，这些细胞分布在位于隆起区域上方的交界区，然后它们转移到基底上表皮，最终转移到皮肤表面，从干细胞库和皮肤中清除。

已经观察到COL17在HFSC中的表达。COL17在老年人中特别减少静止的HFSC，以及非HD COL17A1在HFSC中的表达和分布在衰老过程中发生了巨大变化，否定了HD COL17诱导的皮肤脱落在脱发中的作用。从机制上看，COL17通过抑制干细胞特征和表皮结合的丧失来抑制“HFSC衰老状态”，从而使HFSC能够保持HFSC的静止和不成熟。表皮分化调节因子Notch和c-MYC是非HD COL17的潜在靶点，但这需要进一步验证。此外，COL17A1的维护不仅对HFSC的维护是必不可少的，而且对保护HFSC免受“HFSC老化”和由此产生的“HF老化”也是有效的，其特征是HF小型化、脱发和皮肤变薄。

4.黑素细胞干细胞中的COL17

黑素细胞是存在于毛囊间表皮或毛囊隆起亚块区域的ESCs和HFSCs周围的产生色素的黑素细胞。它们与内在和外在衰老过程中皮肤和毛囊的色素沉着不足密切相关。COL17缺乏会导致尾部皮肤出现相对温和的色素沉着，以及头发变白。然而，COL17在MSCs中不表达，表明COL17对MSCs的间接作用。正如所设想的那样，与分化的ESCs和HFSC共存的分化黑素细胞存在于衰老前的皮肤和毛囊中的早期，这是由于ESCs和HFSCs通过TGF-β信号产生的生态位。这进一步证实了COL17在为周围干细胞创造生态位中的作用。

1.伤口修复中的干细胞

伤口愈合经历不同的重叠阶段：止血、炎症、增殖和重塑。上皮再形成是增殖期的一个重要生理过程；它描述了用新的上皮重新铺设伤口，对恢复屏障功能至关重要。在皮肤稳态过程中，皮肤上皮在整个生命周期中不断更新，这是由干细胞确保的，干细胞平衡增殖和分化，以取代死亡和终末分化的细胞。在伤口修复过程中，干细胞从不同的皮肤区域被激活和募集，损伤产生的空位激活广泛的干细胞以呈现不同于其稳态作用的特征。

干细胞主要参与上皮再形成过程中的三个生物学过程，包括干细胞迁移和增殖、干细胞群体动力学和干细胞可塑性。首先，表皮损伤后通常会增加角质形成细胞的迁移和增殖。有趣的是，角质形成细胞不增殖，而是在前缘以细胞片的形式迁移，前缘被远离边缘的增殖区包围。此外，增加对称更新或减少细胞分化可以补偿再上皮化过程中丢失的细胞，而谱系层次以及自我更新和定向祖细胞分化之间的平衡在稳态过程中保持不变。最终，在不同的皮肤谱系中观察到伤口愈合的可塑性。HFSC逐渐失去其初始身份，并在受伤时被重新编程为IFE，分化的基底上表皮细胞能够在受伤时恢复到干细胞状态。

除了皮肤的预老化外，COL17 KO可诱导伤口闭合性降低，而COL17脱落的抑制可以增加伤口闭合性。在下一节中，将讨论COL17通过调节干细胞迁移和增殖以及干细胞群体动力学在伤口修复中的关键作用（图2）。

2.干细胞群体动力学中的COL17

在单细胞分析研究中，具有顶级标记物的COL17A1高亚簇，如COL17A1和TP63，一种富含静止隆起HF干细胞的基因，存在于受伤和未受伤的皮肤中。COL17A1高状态对炎症和上皮间质转化（EMT）基因的评分最低，但对来自组织静止干细胞的“静止和干性”特征基因的评分最高，这些干细胞更静止，持续时间更长，并可能产生更快速循环的祖细胞，寿命更短。这部分细胞直接或间接分化为棘细胞或特定的增殖基底细胞池，从而在体内平衡过程中维持皮肤更新。在伤口修复中，这种细胞在伤口周围分化为基底上细胞，或转化为具有更高运动性的细胞，随后迁移到伤口中。

图2:COL17作为伤口修复的关键调节因子。几种信号传导（例如，BP-IgG、EGFR和Wnt信号传导）导致COL17表达增加、COL17蛋白水解和COL17脱落减少。然后，COL17的上调调节干细胞群体的动态和迁移。对于干细胞群体动力学，COL17的上调代表了更高水平的细胞静止和干性，以及炎症和EMT水平降低。对于干细胞迁移，COL17的上调和脱落通过与其他细胞内或ECM成分的相互作用来调节迁移速度和方向。

在人类角质形成细胞培养中形成两种集落，扩展集落和堆叠集落；前者主要表现为增殖/增殖分裂，而后者表现为更多的分化/分化分裂。COL17A1在扩增集落的细胞中高度表达，并且对COL17A1的抑制降低了角质形成细胞的克隆生长并增加了培养物中堆叠集落类型的比率。总之，这些发现表明，COL17高表达的细胞表现出过度更新和分化，这有助于补偿上皮再形成过程中丢失的细胞。

3.干细胞迁移中的COL17

表皮基底细胞的迁移需要细胞-细胞和细胞-基质接触的重塑，以使细胞能够从未损伤的表皮中的完整基底膜上分离。当细胞在伤口上移动时，它们降解临时基质，同时沉积新的基质蛋白，包括层粘连蛋白-332。在角质形成细胞中，基质蛋白及其受体聚集成两种不同的蛋白质复合物：局灶性粘连和半桥粒。局灶性粘连被认为是在细胞扩散和运动中发挥作用的动态附着点，然而HD传统上被视为促进静息表皮中基底上皮细胞稳定粘附的附着复合体。HDs目前被认为是被分解的，以允许角质形成细胞移动到伤口床上和/或在临时伤口基质上，并在确定皮肤细胞运动行为的各个方面中发挥重要的调节和信号作用。

在伤口边缘的检测中，第3天的伤口边缘在整个伤口上皮中显示出COL17水平的强烈升高，包括伤口边缘后面的远端区域以及生长中的上皮舌。相反，在第6天，COL17主要定位于生长中的上皮舌。在探索COL17在迁移中的作用时，令人困惑的是，它通过不同的机制调节细胞运动的不同特征。因此，我们在这些研究中对COL17的不同功能进行了分类，以澄清这些发现是否有争议或是否代表了COL17的多功能作用。

细胞运动的特征可以大致分为迁移的速度和方向，COL17对细胞速度既有积极影响，也有消极影响。在这些研究中经常观察到肌动蛋白动力学的变化。值得注意的是，通过不同的方法敲除COL17具有不同的效果。来自COL17 KO转基因小鼠的原代角质形成细胞显示出迁移速度增加，而被shCOL17敲除的细胞系显示出迁移减少。由于其他HD蛋白对这种不同的COL17KO方法的不同补偿反应。响应皮肤和角质形成细胞中的COL17 KO，β4整合素的蛋白水平被显著诱导或β4整合素运动的结构障碍被消除，但需要进一步的研究来阐明这种动态调节。相反，shCOL17敲除只改变细胞粘附以外的细胞运动，表明缺乏补偿反应。

对于迁移速度与COL17没有相关性的研究，会考虑迁移方向。为了以定向的方式有效迁移，细胞必须建立并保持具有明确前缘和后缘的不对称形态。COL17 KO导致的迁移方向失调显著减缓了伤口闭合的过程，并伴随着不稳定的片状体的形成，片状体是在细胞周围产生定向突起所需的力的关键细胞器。

除了不同的调节对象外，还讨论了COL17本身还是COL17脱落在伤口修复中发挥作用。可以在伤口中观察到一种情况，即COL17胞外结构域的脱落使细胞从其现有的一些结合伴侣中松弛或释放，并允许其根据需要发挥其他功能。胞外结构域选择性染色随着主要上皮舌的增加而增加，并且非镶嵌的COL17皮肤显示出加速的运动，特别是速度增强；然而，迁移的方向性比正常皮肤低近两倍，这伴随着板状伪足缺乏稳定的极化。在这里，COL17胞外域脱落作为mTOR控制的角质形成细胞迁移速度和增殖的细胞内在阻遏物。

到目前为止，尚不清楚可溶性外结构域的缺乏、同时产生的COL17膜束缚内结构域或两者的结合是否导致了未覆盖COL17皮肤的上皮再上皮化加速。有证据表明，释放的外结构域对角质形成细胞的运动具有直接抑制作用，因为：（1）高度稳定释放的COL17外结构域的沉积主要存在于掺入层粘连蛋白332的迁移细胞的踪迹中，导致底物的稳定和细胞固定，但引导细胞运动；（2）在划痕试验中添加纯化的可溶性胞外域减少了角质形成细胞的迁移。

在另一项研究中，在非角质形成细胞COL17的前和后细胞边缘的突起中，COL17胞内部分信号完全丧失，而COL17胞外部分中没有明显变化，这表明迁移的角质形成细胞中胞内部分缺乏残端会导致前后极化不稳定和层粘连蛋白332沉积改变并且COL17胞内结构域的添加挽救了板状伪足动力学和运动行为。COL17胞内结构域通过与细胞骨架的复杂相互作用来调节迁移。肌动蛋白组织的改变是由COL17的缺乏引发的，COL17介导BPAG1e和α6β4整合素的结合，调节RAC1的激活，RAC1是肌动蛋白丝的重要调节因子。COL17还通过与α6β4整合素结合，稳定底物附着表面的肌动蛋白4相互作用。最近的一项研究报道，COL17通过网格蛋白plectin介导肌动蛋白和角蛋白动力学。然而，紊乱的细胞骨架反过来诱导α6β4整合素的分布。

就COL17的上游调节机制而言，BP中的BP-IgG诱导COL17的内化以抑制其功能并降低细胞运动，衰老诱导的EGFR下降抑制COL17的蛋白水解以调节细胞运动。已经证实，Wnt信号传导影响COL17，这与伤口修复有关。

如上所述，在组织结构发生不可逆转的变化之前，通过使用残留的完整干细胞来主动恢复干细胞库，这对于皮肤中成功的抗衰老和组织再生可能是至关重要的。COL17作为反映个体细胞自我更新潜力和质量的干细胞的良好标志物，在抗衰老和伤口治疗中是一个有趣的治疗靶点。

一项体外研究表明，在超过24个月的时间里，强制维持COL17可以挽救衰老小鼠的表皮变薄和脱发，这表明刺激COL17的表达是一种潜在的皮肤衰老治疗方法。因此，合成了一种新的肽衍生物来刺激BM蛋白的合成，包括COL17和层粘连蛋白。其抗衰老作用已得到临床验证（P1910-664），显示出面部皱纹的显著改善。在另一项研究中，通过射频和超声波技术的联合使用，人类皮肤替代品中的COL17和其他基质大幅增加，这表明了另一种潜力皮肤老化的治疗。

对于COL17缺乏症患者，已引入基因治疗来解决皮肤老化问题。幸运的是，在这些患者的皮肤中发现了一组COL17正常表达的自发基因校正细胞。将这些虔诚的细胞重新编程为iPSC，并诱导其分化为角质形成细胞谱系。获得恢复性iPSC角质形成细胞，并用于重建具有显著功能和结构恢复和再生的皮肤。

关于伤口修复，小鼠基底角质形成细胞强制表达COL17可促进伤口愈合。令人鼓舞的是，已经鉴定出两种化学物质，Y27632和夹竹桃麻素（apocynin），可以诱导角质形成细胞中COL17的表达，从而提高ESCs的自我更新能力。此外，将这些药物应用于全层皮肤伤口显著促进了伤口修复，但这需要在人类皮肤伤口中进行进一步的临床验证。

综合来看，这项工作对COL17调节皮肤衰老和伤口修复的细胞和分子机制提供了以前未被重视的见解，重点是干细胞生态位的观点。

然而，关于调节COL17水平的详细上游机制，仍有许多悬而未决的问题。我们对调节COL17在衰老过程中逐渐或快速下降的信号通路以及COL17在伤口边缘的高表达和分布知之甚少。下游机制也有待发现。还需要阐明上述多种机制是如何相互作用的，例如，HD COL17和非HD COL17的功能是否重叠或独立，以及COL17在细胞迁移调节中的矛盾作用尚未得到验证。除了对现有研究的深化，研究方向还可以进一步拓宽。例如，考虑到COL17对定向细胞迁移的调节及其向伤口边缘的分布，进一步检测COL17在集体细胞迁移中的潜在作用将是令人感兴趣的。此外，由于在创伤皮肤的谱系追踪中，COL17表达的动态变化和分化状态的细胞返回到COL17A1高状态，探索COL17在干细胞可塑性中的功能将是未来的一个重要挑战。

缩写：

COL17：ⅩⅦ型胶原；HD：半桥粒；BP：大疱性类天疱疮；ICD：细胞内结构域；ECD：细胞外结构域；HFSC：毛囊干细胞；MSC：黑素细胞干细胞；MMP：金属肽酶基质；ADAM：一种金属蛋白酶；ELANE：中性粒细胞弹性蛋白酶；PAI：纤溶酶原激活物抑制剂；TIMP：金属蛋白酶组织抑制剂；MCM2：微染色体维持蛋白；SCD：对称细胞分裂；ACD：不对称细胞分裂；KO：敲除；aPKC：非典型运动蛋白C；PAR3：蛋白酶激活受体3；PDGFRa：血小板衍生生长因子调节因子a；CCN1：富半胱氨酸肝素结合蛋白61抗体；IFE：滤泡间表皮；TGF-β：转化生长因子β；RAC1:RAS相关的C3肉毒杆菌毒素底物1。

参考文献 

Liu Y, Ho C, Wen D, Sun J, Huang L, Gao Y, Li Q, Zhang Y. Targeting the stem cell niche: role of collagen XVII in skin aging and wound repair. Theranostics. 2022 Sep 6;12(15):6446-6454. doi: 10.7150/thno.78016. PMID: 36185608; PMCID: PMC9516244.

扫描二维码订阅

微针疗法公众号

便捷观看本期

和往期精彩内容

参与伊肤泉提供的产品活动

干货多多，福利多多