黑色素生合成的調控（REGULATION OF MELANIN BIOSYNTHESIS）
本節首先回顧黑色素生合成路徑，接著檢視可
影響黑色素產生量的外在與內在因素。產生黑色素（無論是棕—黑色的 eumelanin 或黃—紅色的 pheomelanin）的「起始原料」是胺基酸 tyrosine。此路徑中的關鍵調控酵素是 tyrosinase，它控制此路徑中最初的生化反應（圖 65.11）。因此，對 OCA 分子基礎的初期研究聚焦於編碼 tyrosinase 的基因，便不足為奇。
在 OCA1A 中，tyrosinase 基因兩個複本的突變導致酵素活性完全喪失，此型 OCA 的毛髮、皮膚或眼睛中皆不含黑色素（見表 65.1）。然而在 OCA1B 中，酵素活性只是降低，因此會產生 pheomelanin，尤其隨著病人年齡增長而見於毛髮。Pheomelanin 的形成所需的 tyrosinase 活性低於 eumelanin 的形成，因此 pheomelanin 的形成可視為一條預設路徑（見圖 65.11）。
Tyrosinase 的活性由 DOPA 增強，並由 tyrosinase-related protein 1（TYRP1）穩定（見下文）。Tyrosinase 活性的競爭性抑制劑包括 hydroquinone（用於治療黑斑等色素增加疾患）與 L-phenylalanine。在苯酮尿症（phenylketonuria, PKU）病人中，因缺乏將 L-phenylalanine 轉換為 L-tyrosine 的 L-phenylalanine hydroxylase 酵素，導致 L-phenylalanine 濃度升高，進而造成瀰漫性色素稀釋。PKU 特徵性的金髮在病人採行低苯丙胺酸飲食時可能變深。值得注意的是，tyrosinase 是需要銅的酵素，具有兩個銅結合位。罕見的銅缺乏病例可導致瀰漫性皮膚色素稀釋；而在 Menkes 病病人中，將銅遞送至反式高基氏網絡與黑色素體的穿膜 Cu+ 運輸 ATPase 功能異常，其捲曲的毛髮呈色素減少。
在試管中，L-DOPA 可自發性氧化形成黑色素，一種不溶性生物聚合物。因此，原先認為 tyrosinase 是黑色素生合成中唯一涉及的酵素。然而到了 1970 年代後期，此路徑中還有其他控制點的事實逐漸明朗（見圖 65.11）。例如，dopachrome tautomerase（亦稱 tyrosinase-related protein 2, TYRP2），如同 TYRP1 一樣其胺基酸序列與 tyrosinase 有相似之處，可將 DOPAchrome 轉換為 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid（DHICA）。在小鼠與人類中，TYRP1 穩定 tyrosinase，而 TYRP1 兩個複本的突變導致 OCA3（見表 65.1）。
另一種穿膜蛋白——P 蛋白——功能降低則導致 OCA2。根據其胺基酸序列，曾預測 P 蛋白參與小分子跨黑色素體膜的運輸。原先，黑色素生合成路徑中最初的前驅物 tyrosine 被認為是跨膜運輸最可能的候選者。然而，現今認為 P 蛋白的角色在於提高黑色素體的內部 pH 值，因為酸化可降低 tyrosinase 的活性。P 蛋白亦可能調控黑色素細胞胞內腔室中的麩胱甘肽（glutathione）濃度。
黑色素代表一群複雜的聚合物，其功能從偽裝到淬熄
經暴露於紫外線輻射（UVR）所產生之氧化自由基皆有。黑色素產生的量與類型，是生合成路徑中各種酵素活性，以及 P 蛋白與穩定 tyrosinase 活性之蛋白（例如 TYRP1）活性之間的複雜交互作用。已知有數項因素會影響這些黑色素生成關鍵蛋白的活性，包括 α-MSH、鹼性纖維母細胞生長因子（basic fibroblast growth factor, bFGF）、endothelin-1、KIT ligand 與 UVR（見下文）。
Proopiomelanocortin（POMC）基因的多種蛋白產物中，包括促腎上腺皮質素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）、β-endorphin 與三種型式的 MSH（α、β 與 γ）（圖 65.12）；在人類，α-MSH 代表 MSH 主要的生物活性型式。POMC 表現的主要位置是腦下垂體；然而其他表現位置包括睪丸、內皮，以及特別重要的表皮角質細胞。雖然 MSH 傳統上與色素系統相關聯，此胜肽具有廣泛的生物特性，包括抑制發炎與調節體重。例如，POMC 的突變可導致嚴重的早發性肥胖、腎上腺功能不全與紅髮。由此可推，編碼 POMC 蛋白產物所結合之 melanocortin 受體的基因發生突變，也可導致類似的臨床發現；例如 MC4R 的突變與病態肥胖有關，而 MC1R 的變異型對偶基因與紅髮有關（見下文）。值得注意的是，皮下注射 afamelanotide（4-norleucyl-7-phenylalanine-α-MSH）與 α-MSH 相比對 MC1R 有增強的結合力，可導致皮膚色素增加。當每月給予 afamelanotide 皮下植入劑時，紅血球生成性原紫質症（erythropoietic protoporphyria, EPP）病人的光毒性反應減少，且能耐受更多直接日照而不疼痛；而白斑症病人在接受 UVB 治療時，則有更快速且更廣泛的再色素化。較近期，每日一次的 dersimelagon（一種新型口服 MC1R 促效劑）改善了 EPP 病人對日照的耐受度38a。
主要的 melanocortin 受體有五種，全都具有七個穿膜區域（表 65.4；圖 65.13）。雖然 MC1R 存在於皮膚內各式各樣的細胞上，從內皮細胞到纖維母細胞皆有，但此受體密度最高處為黑色素細胞。
如同 β 腎上腺素受體的情形，MC1R 是 G 蛋白偶聯受體，亦即它使用能結合三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate, GTP）與二磷酸鳥苷（guanosine diphosphate, GDP）的蛋白質作為中介訊息傳遞者（圖 65.14）。MSH 與 MC1R 結合後，此蛋白配對與一組 G 蛋白複合體互動。GTP-Gsα 次單元隨即活化腺苷酸環化酶（adenylate cyclase），導致黑色素細胞內環腺苷單磷酸（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）產生增加。細胞內 cAMP 濃度增加，經由 MITF 導致 tyrosinase 活性與 eumelanin 產生增加（見圖 65.4）。若 MC1R 功能異常而無法引發細胞內 cAMP 濃度顯著上升，則偏向 pheomelanin 生成（圖 65.15）。值得注意的是，紅髮個體多數為編碼 MC1R 之基因中變異型 R 對偶基因的複合異型合子或同型合子（見圖 65.13）。然而，人類髮色的變異相當複雜，已辨識出超過 120 個基因。
MC1R 也與一種稱為 agouti 蛋白（小鼠）或 agouti signaling protein（ASIP；人類）的蛋白質互動。Agouti 一詞用來描述某些哺乳類（包括狗、狐狸與小鼠）毛髮上所見的條帶狀花紋，這是由 eumelanin 與 pheomelanin 交替產生所致（圖 65.16）。毛囊乳頭細胞產生 agouti 蛋白具週期性，當 agouti 蛋白存在時，它會有效地與 MSH 競爭，於是偏向在 pheomelanosomes 內形成 pheomelanin（見圖 65.15）。與 eumelanosomes 相比，pheomelanosomes 的特徵是形狀較呈球形，並具有含囊泡體的無結構基質。
當黑色素細胞暴露於會提高細胞質內 cAMP 濃度的物質（例如霍亂毒素 cholera toxin、forskolin、dibutyryl cAMP 與 MSH）之後，可見色素產生增強（見圖 65.14）。cAMP 對 protein kinase A（PKA）的活化導致
各種蛋白質的磷酸化，進而可使其活化。被 PKA 磷酸化的蛋白之一是 cAMP response-element binding protein（CREB），它作為轉錄因子，調控包括 MITF 在內之其他基因的表現（見圖 65.4）。McCune–Albright 症候群（多骨性纖維性發育不良 polyostotic fibrous dysplasia）的病人，是編碼 G 蛋白 Gsα 之基因活化突變的鑲嵌體（見圖 65.14）。結果，cAMP 級聯反應被永久「開啟」，隨著 CREB 所控制基因的持續轉錄，骨骼與內分泌器官出現增生，儘管呈鑲嵌型態。推測在此疾病典型的節段性咖啡牛奶斑（café-au-lait macules）的黑色素細胞內，細胞內 cAMP 的增加導致 tyrosinase 活性與 eumelanin 產生增加。
黑色素細胞暴露於佛波酯（phorbol esters），例如 tetradecanoyl phorbol acetate（TPA），可經由 protein kinase C（PKC）的活化導致黑色素形成增加（圖 65.17）。生長因子（包括 bFGF 與 KIT ligand）也可增加黑色素細胞內的色素含量，而 KIT 受體抑制劑（例如 imatinib）則可導致色素減少。Endothelin-1 是一種最初由內皮細胞分離出的小胜肽，由角質細胞產生，可導致 tyrosinase 活性增加，繼而黑色素產生增加。
除了紫外線輻射之外（見下文），發炎也可導致色素增加或減少。由角質細胞與纖維母細胞共同產生的介質 prostaglandin E/F 與介白素（interleukin, IL）-33，可導致黑色素細胞活化。色素產生的抑制因子包括 interferon-γ、腫瘤壞死因子（TNF）、IL-4 與 IL-6。
已有多個基因被認為在人類正常色素變異中扮演角色，包括：(1) MC1R 與 ASIP；(2) 數個在 OCA 中扮演角色的基因，例如 TYR、OCA2、TYRP1、SLC45A2、SLC24A5（見表 65.1）；(3) 編碼 KIT ligand 的 KITLG；(4) 編碼離子通道運輸蛋白的 TPCN2；以及 (5) 編碼 interferon regulatory factor 4 的 IRF4。SLC24A5（其蛋白產物是黑色素體膜上一個推測的陽離子交換體）之變異型（而非非洲祖先型）對偶基因的存在，與較淺的膚色相關。此外，OCA2 的變異被認為至少部分決定了人類眼睛顏色的正常表現型變異。ASIP 中帶有數個多型性的單倍型（推測為 ASIP 功能獲得）與紅髮或金髮、雀斑及易曬傷傾向有關，而導致 ASIP mRNA 不穩定的變異則與較深的膚色光型有關。KITLG 調控區域中一個降低其對 WNT 活化之轉錄因子 LEF1 反應性的多型性與金髮有關，而在小鼠中，lef1 減少導致淺色毛髮。值得注意的是，
MC1R 的某些功能喪失突變會賦予發生皮膚黑色素瘤的風險，且與色素表現型無關。
在人類，毛髮變灰或變白是正常的老化現象。有證據顯示活性氧物種（reactive oxygen species）堆積於受影響的毛囊內，導致毛囊黑色素細胞的氧化損傷。一般認為毛球黑色素細胞先發生凋亡，接著隆突部區域的前驅細胞耗竭。然而，較近期針對變灰毛髮的研究則指出黑色素細胞幹細胞由隆突部區域的遷移減少49a。消失的毛球黑色素細胞無法表現 TYRP2 與 SOX10。毛球內 KROX20+ 細胞產生 SCF 的角色已於前文討論。最後，交感神經的過度活化已被證實會驅動黑色素細胞幹細胞的耗竭。
紫外線輻射（Ultraviolet Radiation, UVR）
單次暴露於 UVR 後，可觀察到黑色素細胞體積增大，並伴隨 tyrosinase 活性增加。
反覆暴露於 UVR 導致轉移至角質細胞的第 IV 期黑色素體數目增加，以及活躍黑色素細胞數目增加。當比較長期日曬部位（例如上臂外側）與非日曬部位（例如上臂內側）時，日曬部位的黑色素細胞密度最多可高達兩倍。黑色素細胞如同其他神經衍生組織，有絲分裂率低，而此數目增加究竟代表有絲分裂率上升，或是「不活躍」黑色素細胞或黑色素細胞前驅細胞的活化，目前尚不清楚。老化纖維母細胞所衍生的 GDF15 可能經由 β-catenin 訊息傳遞，在光老化皮膚的色素增加中扮演角色。
暴露於 UVA 照射後，可觀察到立即性色素變黑（immediate pigmentary darkening），此現象於數分鐘內發生並於 20–30 分鐘內消退。它在深色素皮膚中臨床上最為明顯，一般認為代表既有黑色素或黑色素前驅物的氧化。鑑於其短暫性，它不提供光防護。延遲性曬黑（Delayed tanning）在暴露於 UVB 與 UVA 輻射後 24–72 小時內可見，代表經由 tyrosinase 活性增加所產生的新色素。除了黑色素細胞
大小與數目、tyrosinase 活性以及黑色素體轉移至角質細胞增加之外，對 PUVA 的反應還包括黑色素體大小與聚集型態的改變，亦即由較小且成群變為較大且單獨散布（見表 65.3）。
UVR 可能經由增加下列一項或多項而作用：
●tyrosinase 基因的轉錄（經由 MITF）
●黑色素細胞上 MC1R 的數目或活性
●皮膚角質細胞與真皮內數種細胞類型（例如內皮細胞、皮脂細胞、淋巴球）對 POMC 及其衍生胜肽的表現
●由細胞膜釋放 diacylglycerol，其活化 protein kinase C
●nitrous oxide/cGMP 路徑的活化
●角質細胞產生細胞激素與生長因子（例如 endothelin-1）
●對 UVR 誘發之 DNA 損傷誘導出 SOS 反應
●p53 對 POMC 啟動子的反式活化
●kinesin 對 dynein 的比例，影響黑色素體運輸（見圖 65.10）。
多數紅髮個體在暴露於 UVR 後無法曬黑，至少可部分以其黑色素細胞 MC1R 的功能異常來解釋。此現象，連同 pheomelanins 經 UV 照射後產生氧自由基，可能促成紅髮者皮膚黑色素瘤與角質細胞癌發生率的增加。此外，黑色素衍生物的化學激發（chemiexcitation）會在 UV 暴露後很久仍誘發 DNA 光產物。根據
圖 65-4：促成黑色素細胞分化的訊息傳遞路徑與轉錄因子。
圖 65.4 促成黑色素細胞分化的訊息傳遞路徑與轉錄因子。MITF 的表現在由多能神經嵴細胞轉變為黑色素母細胞的過程中早期即被活化，且為黑色素母細胞存活所必需；MITF 的突變導致 Waardenburg 症候群，一種典型的神經嵴病變。MITF 也調控多個色素基因的表現，包括編碼 tyrosinase、TYRP1、TYRP2、PMEL/PMEL17/gp100 與 MART-1/Melan-A 者。其他的轉錄標的為 CDK2、CDKN2A 與 BCL-2（其蛋白產物是凋亡的抑制因子）。SIK（salt-inducible kinase）的小分子抑制劑可上調 MITF，將這些抑制劑塗抹於正常人類皮膚可使色素沉著增加。黑色素細胞幹細胞中的 WNT 訊息傳遞對毛髮色素化至關重要。G 蛋白偶聯受體的活化如何導致細胞內 cAMP 增加的細節見圖 65.14。值得注意的是，EDNRB 與 G 蛋白 GNAQ 及 GNA11 互動，編碼後兩者之基因的活化突變可導致藍母斑與色素血管性斑痣性錯構瘤病。EDNRB 亦可活化 MAPK 路徑。其他受體包括 ET1（活化 protein kinase C）、肝細胞生長因子受體與 GM-CSF 受體；後兩者活化 MAPK 路徑。cAMP，環腺苷單磷酸；CREB，cAMP response-element binding protein；ET3，endothelin-3；EDNRB，endothelin receptor type B；LEF1，lymphoid enhancer binding factor 1；MAPK，mitogen-activated protein kinase；MC1R，melanocortin 1 receptor；MITF，microphthalmia-associated transcription factor；MSH，melanocyte stimulating hormone；P，磷酸化；PKA，protein kinase A；SOX10，SRY-box containing gene 10。
圖 65-10：黑色素體在黑色素細胞樹突內的移動。
圖 65.10 黑色素體在黑色素細胞樹突內的移動。隨著更多黑色素沉積於黑色素體內，它們沿著微管遷移至樹突中，以準備轉移進入鄰近的角質細胞。Kinesin 與 dynein 分別作為微管相關順行與逆行黑色素體運輸的分子馬達，而 UVR 藉由增加 kinesin 活性與降低 dynein 活性導致順行運輸增強。Myosin Va 藉由 melanophilin 與黑色素體上的 RAB27A GTPase 連結，當成熟黑色素體抵達細胞周邊時捕捉它們，並將其附著於肌動蛋白細胞骨架。
圖 65-11：黑色素生合成路徑。
圖 65.11 黑色素生合成路徑。此路徑包含 OCA1（tyrosinase）與 OCA3（TYRP1）功能異常的位置。皮膚與毛髮中兩種主要型式的黑色素為棕—黑色的 eumelanin 與黃—紅色的 pheomelanin。這些酵素是位於黑色素體內的穿膜蛋白。DHI，5,6-dihydroxyindole；DHICA，5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid；DOPA，dihydroxyphenylalanine；MW，分子量；TYRP，tyrosinase-related protein。改編自 Hearing VJ. Determination of melanin synthetic pathways. J Invest Dermatol 2011;131:E8–E11。
圖 65-12：POMC 多肽的轉譯後加工。
圖 65.12 POMC 多肽的轉譯後加工。腦下垂體過度分泌 ACTH 及／或 α-MSH 可導致 Addison 病病人的全身性色素增加。ac，乙醯化；ACTH，adrenocorticotropic hormone；des，去乙醯基；END，endorphin；JP，joining peptide；LPH，lipotropic hormone；MSH，melanocyte stimulating hormone；PC，prohormone-converting enzyme；POMC，proopiomelanocortin。
圖 65-13：黑色素細胞細胞膜內的 melanocortin 1 受體（MC1R）。
圖 65.13 黑色素細胞細胞膜內的 melanocortin 1 受體（MC1R）。MC1R 具有七個穿膜區域，是 G 蛋白偶聯受體（見圖 65.14）。MC1R 有許多基因變異型。無效或低效（hypomorphic）的 R 對偶基因 D84E、R151C、R160W 與 D294H 的紅髮勝算比分別為 62、118、50 與 94；低外顯率的 r 對偶基因 V60L、V92M 與 R163Q 的紅髮勝算比分別為 6、5 與 2。一般而言，R/R 個體有紅髮與淺色素皮膚。
圖 65-14：G 蛋白偶聯受體（例如 melanocortin 1 受體 MC1R）的活化。
圖 65.14 G 蛋白偶聯受體（例如 melanocortin 1 受體 MC1R）的活化。就 MC1R 而言，細胞內 cAMP 濃度的增加導致 tyrosinase 活性與 eumelanin 產生增加。GDP，二磷酸鳥苷；GTP，三磷酸鳥苷；P，磷酸基；S，刺激性。改編自 Alberts B. Molecular Biology of the Cell. Garland Publishing; 1989。
圖 65-15：黑色素細胞刺激素（MSH）與 agouti 蛋白和 melanocortin 1 受體（MC1R）的交互作用。
圖 65.15 黑色素細胞刺激素（MSH）與 agouti 蛋白和 melanocortin 1 受體（MC1R）的交互作用。A MC1R 有基礎活性，並經由與 MSH 結合而增強。Agouti 蛋白是 MC1R 的拮抗性配體，其結合可導致 pheomelanin 生成。MC1R 的功能異常也可導致 pheomelanin 生成，如同紅髮人類的情形。B 實際上的交互作用更為複雜，因為 agouti 要完全發揮效力需要 attractin 與 mahogunin；前者協助 agouti 與 MC1R 結合，而後者則作用於細胞質側。另有一種中性促效劑 β-defensin，會干擾促效劑與拮抗劑兩者的結合。改編自 Schiaffino MV. Signaling pathways in melanosome biogenesis and pathology. Int J Biochem Cell Biol 2010;42:1094–104。
圖 65-16：Agouti 毛髮的形成——其背後的生理機制。
圖 65.16 Agouti 毛髮的形成——其背後的生理機制。A 狐狸的毛髮，在個別毛髮內交替產生 eumelanin 與 pheomelanin，此型態稱為 agouti。B 依據不同配體與 melanocortin 1 受體（MC1R）互動來解釋 agouti 型態。Agouti 基因座的功能獲得突變與 MC1R 的功能喪失皆可導致黃毛小鼠。在中樞神經系統中，agouti 蛋白過多會導致肥胖，而帶有 agouti 基因座功能獲得突變的黃毛小鼠也有肥胖。
圖 65-17：UVR 誘發色素沉著的機轉。
圖 65.17 UVR 誘發色素沉著的機轉。這些機轉包括下列一項或多項的增加：(1) 皮膚內細胞（特別是角質細胞）對 proopiomelanocortin（POMC）及其衍生胜肽的表現；(2) 黑色素細胞上 melanocortin 1 受體（MC1R）的數目；(3) 由細胞膜釋放 diacylglycerol（DAG），其活化 protein kinase C；(4) 對 UVR 誘發之 DNA 損傷誘導出 SOS 反應；(5) 一氧化氮（NO）的產生，其活化 cGMP 路徑；以及 (6) 角質細胞產生細胞激素與生長因子。結果，編碼 microphthalmia-associated transcription factor（MITF）與黑色素生成蛋白（包括 tyrosinase、tyrosinase-related protein 1〔TYRP1〕、TYRP2 與 PMEL/PMEL17/gp100）之基因的轉錄增強。此外，經由 Rac1（參與樹突形成）活性增加、kinesin 對 dynein 的比例，以及 protease-activated receptor-2（PAR-2；參與黑色素體轉移）的表現，黑色素細胞的樹突形成與黑色素體轉移至角質細胞受到刺激。角質細胞中 POMC 表現增加並隨後加工為 β-endorphin（除了 α-MSH 之外），可能在對紫外線的成癮中扮演角色。ATP，腺苷 5′-三磷酸；P2X7，purinergic receptors type 2 X7；TPA，tetradecanoyl phorbol acetate。
表 65-1：已知遺傳缺陷、以瀰漫性色素稀釋為特徵的疾患。
表 65.1 已知遺傳缺陷、以瀰漫性色素稀釋為特徵的疾患。
表 65-3：淺色素皮膚與深色素皮膚中的黑色素體。
表 65.3 淺色素皮膚與深色素皮膚中的黑色素體。
表 65-4：Melanocortin 受體（MCR）的主要型式。
表 65.4 Melanocortin 受體（MCR）的主要型式。ACTH，adrenocorticotropic hormone；MSH，melanocyte stimulating hormone。
一項針對歐洲血統個體的大型全基因組關聯研究，曬黑能力與 20 個基因座有關，其中包括十個先前未曾與色素相關表現型有關聯者。
我們的電子書中另有關於「與人類色素生理變異相關之基因」的附加圖與表（存取碼見封面內頁）。