Введение

При обсуждении эстетических процедур и состояния кожи часто упоминаются коллагеновые, эластические волокна и гиалуроновая кислота (ГК) [1]. Все эти 3 компонента в большей степени влияют на механические свойства кожи (упругость, растяжимость, эластичность, наполненность), которые изменяются с возрастом [2]. Довольно большое количество компаний — производителей препаратов для эстетической медицины говорят о стимуляции синтеза ГК, коллагеновых и эластических волокон, но в реальности все 3 компонента имеют разные пути синтеза [3]. Поэтому для лучшего понимания метаболизма, а значит, и возможностей для эстетической коррекции каждый компонент стоит разобрать отдельно. В настоящей статье мы будем говорить о синтезе эластических волокон, в том числе с точки зрения генетики.

Эластические волокна

Эластические волокна отвечают за упругость и эластичность различных органов, включая кожу, они могут составлять до 2–4% сухой массы дермы у взрослого человека. Эластические волокна состоят из эластина и связанных с ним микрофибриллярных белков, синтез же эластина осуществляется фибробластами в коже и гладкомышечными клетками в сосудах [4]. Нарушение функционирования эластических волокон проявляется как кожное заболевание (cutis laxa) с выраженным избытком кожи, выраженной дряблостью, рыхлостью кожи, снижение эластичности часто связано с внекожными нарушениями в легких и сосудах [5].

Эластин — это гидрофобный белок соединительной ткани, кодируемый геном ELN, локализованным в длинном плече хромосомы 7, состоящим из 34 экзонов, длиной около 45 килобаз [6]. Первичный полипептид эластина — тропоэластин — является биологически активной молекулой. Тропоэластин опосредует клеточные процессы (организацию цитоскелета, хемотаксис, пролиферацию, дифференцировку) и регулирует местную тканевую среду (регуляция матриксных протеиназ) [7]. Молекула тропоэластина имеет большое количество активных сайтов, при этом большое количество сигнальных путей реализуется через гликозаминогликаны, эластин-связывающий протеин (elastin binding protein — EBP) и интегрины [8]. Взаимодействие эластина с EBP в основном осуществляется через гидрофобный мотив VGVAPG, а с интегринами — через RKRK-сайт распознавания интегрина α_vβ₃ на C-конце молекулы интегрина. Дополнительно распознавание может осуществляться на восходящем участке тропоэластина α_vβ₅ [9]. Сеть эластических волокон содержит эластин, микрофибриллы и связанные белки, организация которых имеет тканевую специфичность [10]. При этом ядром эластинового волокна является эластин, а каркас состоит из микрофибрилл и в основном содержит фибриллин 1 и 2, а некоторые из сборочных белков (в частности фибуллин 4 и 5) являются регуляторами размера и конформации агрегатов эластина [11]. При образовании эластического волокна агрегаты эластина перемещаются к микрофибриллам, прикрепляются к поверхности клеток при помощи интегринов, где формируется дальнейшее зрелое эластическое волокно.

При электронной микроскопии в дерме можно отметить существование двух компонентов: эластина и эластин-ассоциированных микрофибрилл, при этом в ретикулярной дерме волнистые волокна ориентированы параллельно поверхности кожи, а в верхней ретикулярной дерме эластические волокна имеют канделяброобразные разветвления в направлении дермо-эпидермального соединения [12]. От них перпендикулярно поверхности кожи отходят до дермо-эпидермального соединения тонкие эластические структуры — окситалановые волокна, которые прикрепляются к дермальной стороне базальной мембраны. По мнению ряда исследователей, прикрепление эластических волокон не влияет на целостность дермо-эпидермального соединения, а обеспечивает корреляцию роста кожи с остальным телом [10].

Микрофибриллярные белки в составе эластического волокна способствуют физиологическим свойствам эластических волокон. Всего идентифицировано >30 белков (табл. 1), ассоциированных с эластическими волокнами [13]. Среди них наиболее значимые фибриллины (FBN) 1 и 2; фибулины (FBLN) 1, 2, 3, 4 и 5; микрофибрилл-ассоциированные белки [14]. Для формирования эластических волокон требуется микрофибриллярный каркас, окутывающий эластин, который представлен в основном фибриллином 1 [15]. Благодаря конкурентному взаимодействию между микрофибриллярными белками происходит прогрессирующая сборка эластического волокна.

Таблица 1. Компоненты эластического волокна

Распределение микрофибриллярных белков в разных тканях может быть разным. Так, в коже наибольшая экспрессия у фибулина 3 и менее выраженная — у фибулина 5 и фибулина 4. Фибулин 5 взаимодействует с рецепторами интегрина, тропоэластина, фибриллина 1, лизилоксидазоподобного фермента 1 и скрытого TGF-β-связывающего белка 2 (LTBP2) и облегчает осаждение тропоэластина на микрофибриллярном каркасе. Фибулин 4 может связывать тропоэластин, лизилоксидазу и фибриллин 1 [16]. Скрытый TGF-β-связывающий белок 4 (LTBP4) служит регулятором передачи сигналов TGF-β, а также необходим для сборки эластических волокон за счет способности взаимодействовать с фибриллином-1 [17]. Микрофибриллярный ассоциированный белок 4 (MFAP4) связывает тропоэластин, десмозин, фибриллин 1 и фибриллин 2, он локализуется на границе микрофибрилла—эластин [18]. При формировании эластического волокна важное значение имеют фермент лизилоксидаза и лизилоксидазоподобный фермент 1 [19]. Дефект (снижение активности) лизилоксидазы может приводить к нарушению поперечного связывания и коллагеновых, и эластических волокон [20]. Неспецифическими компонентами эластического волокна являются гепарансульфаты [21]. Они широко распространены в виде мембранных и внеклеточных гликозаминогликанов, модулируют эластичность тканей, взаимодействуя с тропоэластином и пептидами эластина [22].

Наиболее изученные гены, участвующие в формировании эластического волокна, а также заболевания, возникающие при мутации соответствующих генов, представлены в табл. 2 [23]. Когда мы говорим о генах, кодирующих тот или иной белок, и их значении в коже, важно понимать активность транскрипции (передачи информации с ДНК на мРНК для последующей сборки полипептидной цепи) этих генов в разных тканях, это отражает, насколько активно происходит синтез определенных белков в нормальных (физиологических) условиях. Активность синтеза белков в разных тканях оценивают по экспрессии мРНК, для этого используют различные количественные методы, наиболее часто оценивается величина RPKM (reads per kilobase per million mapped reads — количество прочтений на килобазу на 1 млн картированных прочтений). В табл. 2 приведены RPKM не только для кожи, но и для сравнения в 3 органах с наиболее активным синтезом [24]. Таким образом, из табл. 2 видно, что синтез эластических волокон в физиологических условиях в коже протекает довольно неактивно, он может повышаться по активации регенерации после нарушения целостности кожи.

Таблица 2. Гены, ответственные за строение и формирование эластических волокон, их активность и заболевания, вызываемые мутациями в них

Мутации в гене ELN приводят к дефициту белка в микрофибриллах с повышенной самоассоциацией волокон, нарушению функционирования тканей. Кроме общепринятых симптомов, в этом гене описаны также симптомы, схожие с синдромом Элерса—Данло, а также нарушения структуры волос и алопеция [10]. При различных мутациях, приводящих к развитию cutis laxa, кроме клинических проявлений, отмечены характерные гистологические характеристики при световой и электронной микроскопии: уменьшение количества эластических волокон и аморфного вещества (уменьшение и дезорганизация осаждения эластина на микрофибриллярные пучки); аморфный компонент эластических волокон разветвлен, фрагментирован и не связан должным образом с микрофибриллами [25].

Синтез эластина

Образование эластина происходит с позднего эмбрионального до подросткового периодов [26]. У взрослых эластические волокна de novo практически не образуются. Дермальные фибробласты способны синтезировать эластин, но его синтез подавляется посттранскрипционными механизмами [27]. Так, в коже взрослых людей отмечен очень низкий уровень мРНК эластина, что может указывать на нехватку его при процессе заживления ран [28]. Создание технологий активной мРНК эластина в настоящее время является наиболее перспективным для улучшения регенерации ран, улучшения ремоделирования инволюционных изменений эластических волокон и замещения дефектных эластических волокон при мутациях [29].

Ген ELN, кодирующий эластин, локализован на хромосоме 7q11.23 и включает 34 экзона [30]. После образования пре-мРНК она подвергается обширному альтернативному сплайсингу, поэтому считается, что небольшие вставки (инсерции) и потери (делеции) в рамке считывания чаще всего не приводят к значительной патологии [31]. Альтернативный сплайсинг может нарушаться вследствие воздействия ультрафиолетового (УФ) солнечного излучения. В некоторых исследованиях получены данные о том, что изначально довольно низкая экспрессия мРНК эластина еще больше уменьшается с возрастом, но не уменьшается под действием УФ-излучения в отличие от мРНК коллагена I и III типов [32, 33]. Кроме того, в коже с возрастом накапливается фрагментированный эластин с формированием эластоза кожи [34]. Синтез эластических волокон может повышаться в течение жизни при таких заболеваниях, как кожный эластоз, легочная гипертензия, эмфизема легких, хроническая обструктивная болезнь легких и др. [35]. Однако эластин при этих заболеваниях образуется неорганизованный и нефункциональный.

Синтез эластина начинается с формирования тропоэластина — линейного растворимого полипептида массой около 70 кДа, в первичной последовательности которого определяется чередование гидрофобных и сшивочных доменов, богатых аланином и лизином [36]. Гидрофобный домен богат валином, пролином и глицином, а домен сшивки состоит из десмозина и изодесмозина (десмозины — сшитые аминокислоты, характерные для эластина) [37]. На основе гидрофобных доменов разрабатываются эластиноподобные пептиды. Чаще всего используется домен Val-Pro-Gly-X-Gly, где X может быть любая аминокислота, кроме пролина [38]. Такие пептиды используются для местной и системной доставки препаратов, в том числе при лечении новообразований, заболеваний органов глаз, для восстановления хрящевой, костной, нервной и сердечно-сосудистой ткани [39, 40]. После синтеза первичной полипептидной цепи эластина происходит так называемая коацервация (обратимая самосборка тропоэластина в виде шара), что является следствием наличия большого количества гидрофобных областей в цепи эластина. Без коацервации невозможна последующая сборка (фолдинг) эластина. Коацервация происходит при определенной (физиологической) температуре и в присутствии хлорида натрия [41]. В результате коацервации тропоэластиновые полипептиды соприкасаются в местах сшивочных доменов, затем их ассоциация стабилизируется образованием ковалентных межмолекулярных сшивок — десмозинов [42]. Десмозины высокоспецифичны для эластина, их образование начинается с окисления дезаминированных лизильных остатков медь-зависимыми лизилоксидазами. В частности, к ним относится лизилоксидаза (lysyl oxidase — LOX) и лизилксидазоподобный фермент 1 (LOX-like-1), которые секретируются гладкомышечными клетками сосудов и фибробластами кожи [43]. При этом наличие дезаминированного лизина (аллизина) является ингибитором для лизилоксидазы, и следующие остатки лизина не дезаминируются. Таким образом, в результате окисления образуются альдегиды и немодифицированная эпсилон-аминогруппа лизина. Они неферментативно сливаются, образуя уже стабильную десмозиновую сшивку. В результате образования множественных десмозинов и изодесмозинов происходит стабилизация полимеризованного нерастворимого эластина и реализуется основное свойство эластичности — способность к возврату формы после растяжения [44]. Критическая роль в регуляции сборки эластического волокна, включая коацервацию и созревание тропоэластина, принадлежит белкам, ассоциированным с эластиновыми волокнами. В частности, фибулины 4 и 5 способствуют коацервации и осаждению лизилоксидазы для формирования пространственной структуры эластина [45].

Заключение

Приведенный обзор литературы демонстрирует особенности обмена эластических волокон и роль генов-кандидатов, участвующих на разных стадиях обмена эластина. Важно понимать, что синтез эластического волокна — это сложный многоступенчатый процесс, обусловленный взаимодействием многочисленных внешнесредовых факторов и генетической предрасположенностью. Важно учитывать, что большинство эластических волокон закладывается в раннем возрасте и практически не подвергается обмену в течение взрослой жизни. Поэтому дерматологам и косметологам необходимо объяснять это пациенту, назначать мероприятия по профилактике преждевременной фрагментации сети эластических волокон, а также по возможности способствовать сборке новых эластических волокон с целью поддержания упругости и эластичности кожи. Такие мероприятия включают защиту от УФ-лучей; ограничение возможных процессов гликации вследствие поступления большого количества углеводов; назначение витаминотерапии (в частности, витамина D при дефицитных состояниях).

Важность продления полноценности функционирования эластических волокон в коже повышается вследствие увеличения продолжительности жизни, так как период полураспада эластического волокна около 70 лет, а активность мРНК эластина крайне низкая. Кроме того, вопрос о полноценности формирования эластических волокон может возникать при восстановлении кожи после травм, в том числе после деструктивных манипуляций в косметологии и дерматологии или после проведения нитевого лифтинга. При недостаточной активности и полноценности генов, ответственных за образование эластического волокна, процессы регенерации могут нарушаться с возникновением нежелательных явлений.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Исследование проведено без спонсорской поддержки.

The study was performed without external funding.