《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Unraveling hair graying: insights into melanocyte biology and the aging process
摘要专业翻译
黑色素生成（melanogenesis）与色素沉着（pigmentation）是正常皮肤和毛发的重要生物学过程，受多种复杂因素调控。与表皮色素沉着不同，毛囊黑色素生成依赖于毛囊隆突部黑色素细胞干细胞（melanocyte stem cell, MeSC）储库的周期性补充，因此其功能衰退通常不可逆，但在罕见临床条件下可发生可逆性改变。本综述系统梳理了调控毛囊色素沉着的核心生物学过程，包括胚胎期特化、微环境归巢、周期性谱系迁移及微环境信号网络。研究人员进一步整合了新兴的单细胞与空间组学研究成果，提出了一种全新的毛发变白（canities）三阶段时序模型，将小鼠来源的机制与人类临床证据相衔接。导致毛发变白的因素多种多样，包括衰老、早发性毛发变白、干细胞微环境以及黑色素细胞和毛囊的生物学差异等，其中衰老是最常见的因素。简言之，毛发色素沉着与脱色素的确切机制仍不明确。本综述回顾了毛发色素沉着与脱色素的生理学和病理学特征，并总结了可能参与人类毛发变白过程的机制。
论文主体内容专业总结
1 引言
毛发是哺乳动物显著的外在特征，可呈现多种颜色。在人类中，毛发变白是衰老的标志之一，但其确切机制尚不清楚。一般而言，衰老相关的毛发变白是不可逆的生理性改变，但临床证据显示在特定药物或疾病状态下可出现散发的毛发复色病例，这提示目前对毛发色素沉着与脱色素生理机制的认识仍不充分。毛发具有保护、感觉、体温调节和社会交流等功能。与依赖黑色素、血红蛋白和类胡萝卜素的皮肤色素沉着不同，毛发色素沉着完全取决于不同类型黑色素及其密度。人类毛发颜色的多样性主要由褐黑色真黑色素（eumelanin）与红黄色褐黑色素（pheomelanin）的特定比例和绝对密度决定，二者均通过黑色素生成通路的经典酶促级联反应调控。
2 黑色素细胞的生物学发育
2.1 神经嵴起源与谱系特化
黑色素细胞起源于神经嵴细胞（neural crest cells, NCCs），这是一类位于神经板与非神经外胚层之间的瞬时多能胚胎细胞群。NCCs经历连续的上皮-间充质转化、迁移、分化和增殖过程。在黑色素细胞谱系中，黑色素母细胞-胶质祖细胞、黑色素母细胞及功能性黑色素细胞依次出现，受WNT、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP）、内皮素3（endothelin 3, EDN3）和干细胞因子（stem cell factor, SCF）等胚胎期信号分子的调控。
2.2 黑色素母细胞迁移与隆突部微环境归巢
黑色素母细胞沿背外侧通路迁移至表皮目的地。此外，沿腹侧通路迁移的施万细胞前体也可分化为黑色素细胞。在胚胎发育过程中，来自两种迁移起源的黑色素母细胞汇聚于毛囊隆突部等特定微环境，在此建立黑色素细胞干细胞的初始储库。这一发育性归巢标志着谱系细胞从活跃迁移的胚胎状态转变为限制性静息干细胞群体，为终身组织稳态做准备。
2.3 毛囊隆突微环境中的黑色素细胞干细胞
黑色素细胞干细胞（MeSCs）在胚胎发生期间由神经嵴来源的黑色素母细胞迁入发育中的毛囊隆突部而建立。在成体毛周期中，这些胚胎期通路被重新激活以协调MeSC的活化和分化。局部TGF-β信号维持MeSC静息状态，而活性Wnt信号协调毛周期再生过程中的MeSC分化，确保适当的Wnt剂量以维持干细胞储库免于过早耗竭。MeSCs是非黑色素生成性的，附着于毛囊隆突部的毛囊干细胞。隆突部MeSC储库对黑色素细胞活性至关重要，其年龄相关丢失导致不可逆的毛发变白。此外，急性心理情绪应激可通过交感神经过度激活触发隆突微环境中去甲肾上腺素的局部释放，迫使静息MeSC进入快速、不协调的增殖和过早分化，最终耗竭干细胞池并导致不可逆毛发变白。程序性死亡配体1（programmed death-ligand 1, PD-L1）在调控MeSC静息状态和再生能力中发挥重要作用，PD-L1阳性MeSC亚群在衰老过程中保持深度静息状态并抵抗耗竭。
2.4 黑色素细胞沿毛囊的激活、分化与迁移
在每个毛囊生长期（anagen）开始时，MeSCs或其扩增后代从隆突储库沿外根鞘（outer root sheath, ORS）向下迁移至毛球。在此过程中，细胞逐步分化，从非色素性祖细胞转变为完全成熟的功能性黑色素细胞。生长期毛球内存在异质性黑色素细胞亚群，其酪氨酸酶活性、黑素体成熟阶段、c-Kit受体表达水平及黑素体转移能力均存在空间差异。毛球内的活跃黑色素生成由富含L-苯丙氨酸的微环境驱动，并与毛周期（生长期、退行期catagen、休止期telogen）紧密同步。在退行期和休止期，黑色素生成突然终止，成熟毛球黑色素细胞发生程序性死亡或被清除，而上部储库受到保护以确保后续周期的自我维持。时序上，SOX10触发黑色素母细胞-胶质双潜能祖细胞的形成，随后MITF激活驱动TYRP2和KIT等下游标志物的表达。
3 黑色素生成与色素沉着
3.1 黑色素生成与色素化学
黑色素是在黑色素细胞内合成的生物聚合物色素。哺乳动物中两种黑色素赋予皮肤、毛发和眼睛色素沉着：褐黑色真黑色素和红黄色褐黑色素。人类毛发颜色多样性由真黑色素与褐黑色素的绝对密度和比例决定。真黑色素进一步分为DHI来源的黑色色素和DHICA来源的棕色色素分支，其中DHICA-黑色素具有更优的羟基自由基清除活性。黑色素生成发生在称为黑素体（melanosome）的特化溶酶体相关细胞器中。小眼畸形相关转录因子（microphthalmia-associated transcription factor, MITF）是该酶促级联反应的主转录调控因子，上调酪氨酸酶（tyrosinase, TYR）、酪氨酸酶相关蛋白1（tyrosinase-related protein 1, TYRP1）和多巴色素互变异构酶（dopachrome tautomerase, DCT/TYRP2）。TYRP1和DCT与TYR物理相互作用形成膜结合多酶复合物，稳定TYR并优化色素输出。TYR通过将酪氨酸氧化为多巴醌控制限速步骤。
3.2 黑素体生物发生、成熟与细胞骨架运输
黑素体生物发生经历四个形态学阶段，从早期无色素基质囊泡（I期和II期）过渡到逐渐黑色素化结构（III期），最终形成完全电子致密、完全黑色素化的细胞器（IV期）。黑素体利用连续细胞骨架网络进行胞内运动：沿微管的长距离运输由驱动蛋白和动力蛋白介导，随后在细胞外周转换为由肌球蛋白Va、Rab27a和黑素亲和素（melanophilin/Slac2a）组成的肌动蛋白运动复合物进行局部保留。
3.3 黑素体转移与毛囊色素沉着
成熟黑素体从黑色素细胞树突转移至相邻上皮细胞，部分通过丝状伪足介导。毛囊色素沉着严格依赖于黑素体向构成毛干皮质的角质形成细胞的转移。蛋白酶激活受体2（protease-activated receptor 2, PAR-2）和特定细胞表面糖蛋白促进这一胞吐过程。黑素体生物发生、运输或转移的紊乱临床上表现为色素减退性疾病，如白癜风和白化病，或促成毛发变白过程中的局部毛囊脱色素。
3.4 调控毛囊色素沉着的因素
黑色素生成的激活与抑制受内在微环境和外在环境因素动态调控。紫外线（ultraviolet, UV）辐射是表皮黑色素生成的主要外在驱动因素，但这一经典的UV驱动适应性晒黑反应在毛囊生物学中基本不发挥作用。毛囊黑色素生成严格受局部旁分泌和内分泌信号网络调控，包括WNT、BMP、内皮素和POMC通路，这些通路在毛发生长周期生长期的时空框架内运作。
4 调控黑色素生成的信号通路与分子
4.1 POMC/MC1R轴与cAMP信号
在毛囊中，阿黑皮素原（pro-opiomelanocortin, POMC）级联作为独立于外部紫外线的局部神经内分泌系统发挥作用。POMC的毛囊内切割产生α-黑素细胞刺激素（alpha-melanocyte-stimulating hormone, alpha-MSH）和促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）。alpha-MSH与毛球黑色素细胞上的黑皮质素1受体（melanocortin one receptor, MC1R）结合，刺激腺苷酸环化酶，升高胞内环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）并激活蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）。该级联磷酸化cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element-binding protein, CREB），直接促进MITF转录以上调核心黑色素生成酶，从而特异性促进深色真黑色素合成。当MC1R信号受损时，胞内cAMP水平下降，导致酶促反应向褐黑色素产生偏移。
4.2 WNT/β-catenin与BMP信号
经典WNT/β-catenin与骨形态发生蛋白（BMP）通路在调控毛囊黑色素细胞稳态中发挥对立平衡作用。WNT3a信号稳定神经嵴来源祖细胞并维持毛囊MITF表达，与淋巴增强子结合因子1（lymphoid enhancer-binding factor 1, LEF-1）协同直接驱动下游黑色素生成转录。BMP信号呈现分化功能：BMP4通过MAPK/ERK通路诱导MITF的急性磷酸化和降解从而抑制酶促黑色素生成，而BMP6通过经典Smad通路选择性促进成熟黑素体向皮质前角质形成细胞的结构性转移。
4.3 内皮素（EDN）信号通路
内皮素3（EDN3）是毛囊内协调黑色素细胞稳态和色素沉着的主要异构体。局部合成的EDN3与毛囊黑色素细胞上的内皮素受体B（endothelin receptor B, EDNRB）结合，激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC）产生三磷酸肌醇（inositol triphosphate, IP3）和二酰甘油（diacylglycerol, DAG），触发胞内钙离子内流。该钙内流与下游MAPKs（ERK1/2和p38）协同磷酸化CREB并稳定MITF。EDN3/EDNRB轴的遗传突变会阻止毛囊黑色素细胞分化，表现为多种物种的严重毛发脱色素表型。
4.4 酪氨酸激酶网络：SCF/KIT与HGF/c-Met
干细胞因子（SCF）/KIT和肝细胞生长因子（HGF）/c-Met受体酪氨酸激酶信号通路为毛囊黑色素细胞提供必要的旁分泌支持。SCF由毛囊上皮细胞表达，在生长期激活毛球黑色素细胞上的KIT受体，触发自身磷酸化并维持黑色素生成基因表达。KIT信号的暂时阻断可诱导可逆性毛发变白而不破坏干细胞微环境。HGF与c-Met结合后激活下游PI3K/AKT和MAPK/ERK通路，增强CREB介导的MITF转录，共同调控毛囊黑色素细胞存活和基础酪氨酸酶活性。
4.5 神经内分泌应激信号：CRF与肾上腺素能通路
毛囊内下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic-pituitary-adrenal, HPA）同源系统是应激诱导毛发色素改变的主要介导者。促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropin-releasing factor, CRF）及其受体在毛囊单位中高表达，局部生物应激上调CRF以刺激内在POMC表达和下游cAMP驱动的黑色素生成。然而，邻近肾上腺素能信号的过度激活破坏这一精细平衡。急性应激下局部交感神经释放去甲肾上腺素直接进入隆突微环境，迫使静息黑色素细胞干细胞在迁移前进入快速异常增殖和分化，最终耗竭储库并导致不可逆毛发变白。
5 调控毛发变白的机制
生理性毛发变白不应被视为突然、同质的事件，而是跨越三个主要阶段的进行性细胞衰退。早期阶段主要由毛球基质内活跃分化黑色素细胞的局部氧化应激和随后的凋亡驱动，而上部干细胞储库基本保持完整。中期阶段，微环境信号串扰和细胞间粘附的缺陷损害祖细胞沿外根鞘的逐步分化和向下迁移。晚期阶段，经过多次毛周期后，隆突微环境中的MeSC基础储库面临永久耗竭或因慢性基因组和肾上腺素能应激驱动的衰老偶联分化。
5.1 衰老相关毛发变白
衰老相关毛发变白在几乎所有人群中普遍发生，与系统性内分泌变化高度相关。生理性毛发变白的起始时间在不同遗传谱系中存在显著差异：欧洲裔个体最早（34±9.6岁），亚洲裔次之，非洲裔最晚（43.9±10.3岁）。毛发变白的空间分布因性别而异：男性通常从枕部和颞部开始向头顶扩展，女性则呈现更弥漫的头皮分布模式。
5.2 早发性毛发变白
早发性毛发变白在不同族群中的时间定义不同：欧洲裔20岁前、亚洲裔25岁前、非洲裔30岁前。其病因是多因素的，涉及遗传易感性、氧化应激和营养缺乏（如维生素B12耗竭）等。机制上，慢性氧化应激破坏Dicer–miR92b–ItgαV通路，导致黑色素细胞迁移缺陷和细胞死亡。严重基因毒性应激迫使MeSC激活p53-p21通路进行细胞衰老偶联分化（seno-differentiation），这一永久耗竭导致毛发变白，本质上是一种进化保护机制，通过消除潜在恶性克隆来预防黑色素瘤。
5.3 干细胞微环境
毛囊衰老与干细胞再生能力下降和祖细胞池缩小密切相关。人类头皮毛囊色素生成机制仅有效运作约10个毛周期。隆突部MeSC局部储库随年龄进行性减少，受BCL2等抗凋亡因子调控。该微环境还受相邻毛囊干细胞通过协调细胞间信号调控，确保与毛周期同步激活。
5.4 氧化应激
年龄相关失衡改变组织氧化应激状态，进而影响MeSC和黑色素细胞稳态。活性氧（reactive oxygen species, ROS）通过TYR或DOPA氧化形成黑色素的过程中大量产生。黑色素既是自由基清除剂又是黑色素生成中的潜在氧化剂，而褐黑色素增强ROS形成。过氧化氢积累和抗氧化酶耗竭可在衰老黑色素细胞和毛囊黑色素细胞中检测到。衰老过程中毛囊黑色素细胞过氧化氢酶的表达和活性水平较表皮下降更多。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）激活与过氧化氢酶减少之间的失衡导致过氧化氢积累，增强衰老表型。在病理条件下，年龄相关解偶联导致保护性抗氧化酶急剧下降和过氧化氢积累，使ROS从生理信号中间体转变为核和线粒体DNA损伤、脂质过氧化和细胞衰老的病理驱动因素。
5.5 去甲肾上腺素（NA）与β2肾上腺素能通路
去甲肾上腺素通过结合MeSC上的β2肾上腺素能受体（β2-adrenergic receptor, β2AR）加速毛发变白，由交感神经过度激活驱动。该相互作用使MeSC从静息转向增殖，导致其快速分化和耗竭。值得注意的是，应激诱导的毛发变白并非严格单向的衰老轨迹，而是动态可逆过程，单根毛干可发生自发性复色，这一逆转现象与生活压力的缓解密切相关。
5.6 细胞器、黑素体和高尔基体的转化
衰老毛干皮质角质形成细胞中黑素体明显减少。黑色素细胞变性导致灰白毛球中黑素体转移和黑色素产生缺陷。非黑色素生成性黑色素细胞无法表达促真黑色素生成肽α-MSH的功能性受体结合位点。黑色素生成活性降低时，剩余黑色素细胞中的细胞器（包括黑素体和高尔基体）数量减少、体积变小。为应对增加的氧化应激，灰白毛球中黑色素细胞常高度空泡化，黑色素细胞变性后发生黑素体的自噬溶酶体降解。
5.7 电离辐射
电离辐射是毛发变白的强效外在触发因素。辐射暴露后，MeSC维持相对稳定的自我更新活性，而相邻毛囊干细胞对辐射诱导损伤高度敏感。辐射诱导的毛发变白主要由周围毛囊上皮细胞的急性功能障碍驱动，而非黑色素细胞谱系的内在缺陷。
5.8 黑色素生成酶活性
在时序性毛发变白过程中，毛囊色素生成单位的酶促机制遭受严重功能损伤。灰白毛囊中的毛球黑色素细胞表现出TYR、TYRP1和DCT/TYRP2等关键黑色素生成酶的显著进行性下调。这一酶活性丧失与上游MITF转录减少和氧化应激密切相关，共同损害DOPA氧化酶能力和黑素体成熟，最终产生无色素毛干。
5.9 色素性与非色素性毛囊的继发结构和动力学差异
衰老性非色素性毛囊表现出显著加速的线性生长速率和更大的毛干直径。这种动力学差异提示毛球结构内的代谢权衡：活跃生化黑色素生成和结构性黑素体转移通常消耗的大量细胞能量、酪氨酸底物和营养物质，在色素生成单位失活后可能完全重新定向至皮质角质形成细胞增殖和毛纤维延伸。非色素性毛囊表现出KRT6、KRT14/16和KRT25等特定硬角蛋白的更广泛表达，成纤维细胞生长因子5（fibroblast growth factor 5, FGF5）表达显著抑制而FGF7水平升高。
5.10 毛发变白模型
整合上述发现，研究人员提出毛发变白的三阶段时序模型：（1）早期阶段：毛球内ROS局部积累和过氧化氢酶耗竭超过成熟分化黑色素细胞的抗氧化能力，触发活性色素生成单位的局部凋亡而不立即破坏上部祖细胞池；（2）中期阶段：微环境信号（如WNT/β-catenin和SCF/KIT下调）和细胞粘附通路（如Dicer-miR92b-ItgαV轴）缺陷阻碍祖细胞沿外根鞘的逐步分化和向下迁移；（3）晚期阶段：经过多次毛周期后，MeSC基础储库在慢性基因毒性和交感应激下发生永久耗竭或p53-p21驱动的衰老偶联分化，导致不可逆毛发变白。
5.11 小鼠与人类黑色素细胞的差异
小鼠和人类共享毛发变白的核心细胞机制，但存在显著转化差异。小鼠同步化快速毛周期可实现急性实验操作，而人类头皮毛囊呈异步循环，生长期持续数年，在终生累积的微环境应激中运作。人类毛发变白的经典组织病理学发现包括进行性过氧化氢酶耗竭、广泛线粒体空泡化和隆突储库的年龄相关减少。单细胞RNA测序和空间转录组学研究表明，人类毛发变白可能不仅由干细胞池的过早完全丢失主导，还由谱系进展停滞特征主导，表现为基质瞬时扩增细胞（transit-amplifying cells, TACs）的显著耗竭和局部p53通路激活。
6 引起毛发复色的医学状况
毛发变白通常不可逆，但少数临床报告记录了特定医学状况或治疗下的复色病例。这些是代表极少数患者群体的罕见病例。
6.1 程序性细胞死亡（PD）-1与PD配体1（PD-L1）免疫治疗
一项临床报告显示52例肺癌患者中有14例出现毛发复色，这些患者接受了抗PD-1或抗PD-L1治疗。机制尚不清楚，可能与抗PD-1/PD-L1治疗期间的免疫调节有关。PD-L1阳性静息MeSC在未色素化和灰白毛发中持续存在的假设得到支持，可能成为特定条件下毛发变白逆转的治疗靶点。
6.2 ROS清除剂
一项研究聚焦于氧化还原平衡靶点以逆转毛发变白，使用由糖基化花旗松素（dihydroquercetin, DHQ）和表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate, EGCG）组成的活性成分。这些分子具有ROS清除特性，可降低ROS水平并维持氧化还原平衡，同时具有调控MeSC凋亡的能力。临床应用中每日两次涂抹仅4个月后即出现毛发色素沉着。
6.3 肿瘤坏死因子（TNF）抑制剂
有报道患者在接受阿达木单抗治疗后出现毛发复色。TNF已知抑制黑色素生成，推测TNF在毛囊微环境中限制黑素体转移。患者头皮额部、颞部、侧顶和枕部区域的毛发从灰白色变为棕黑色。
6.4 黑色素瘤
几例临床报告记录了头皮原位黑色素瘤引起的毛发复色。这些观察显示肿瘤性黑色素细胞能够替代或激活毛囊黑色素细胞的丧失功能。尚不清楚黑色素瘤细胞是否直接为毛囊角质形成细胞提供黑色素，还是通过旁分泌信号（如SCF/KIT）重新激活毛囊黑色素细胞。
6.5 迟发性皮肤卟啉症
迟发性皮肤卟啉症患者在诊断后出现毛发变深。机制尚不明确，可能为炎症组织的炎症后效应。
6.6 基于机制的药理学策略
体外和动物研究表明，选择性5-羟色胺再摄取抑制剂氟西汀可增强毛囊局部α-MSH表达以刺激黑色素生成，而p53抑制剂pifithrin-alpha可保护MeSC免受基因毒性应激诱导的耗竭。单细胞RNA测序研究通过比较同一受试者的黑色和灰色毛囊，发现灰色毛囊保留干细胞但显示DNA损伤和免疫浸润，应用p53抑制剂pifithrin-alpha可成功抑制基质细胞耗竭并改善毛发变白。
7 结论
毛发变白是人类衰老的标志，但衰老过程中毛发色素减退的确切机制仍不清楚。黑色素细胞活性受内在和外在因素共同调控。奠定微环境基础可能是复色的第一步，因为毛囊微环境对黑色素细胞发育具有重要影响。避免心理应激和潜在物理损伤有利于维持色素生成单位功能。目前管理灰白毛发最常见的方法是使用临时染发剂。光动力疗法和微针等物理疗法可作为复色的替代方法。总体而言，理解调控毛囊黑色素生成的复杂分子信号网络为未来转化策略提供了合理框架。
