Ch.20 Pigmentation and Melanocyte Biology 色素生成與黑色素細胞生物學

1. Overview（概論）

• Melanocytes 是表皮與毛囊中特化的細胞，主要功能是合成 melanin 並轉送給鄰近 keratinocytes；melanin 在特化胞器 melanosome 內合成。p.328
• 不同種族背景的人 melanocyte 數目相近；膚色差異來自皮膚中 melanin 的量與質，很大程度取決於 keratinocytes 內 melanosomes 的數目、大小、分布與功能。p.328
• 來源：neural crest lineage；調控發育、遷移與存活的 transcription factors（MITF、SOX10、PAX3）與 signaling pathways（KIT、EDNRB）也在 melanoma 扮演關鍵角色。p.328
• Melanin 兩型：brown/black 的 eumelanin 與 orange/yellow 的 pheomelanin。p.328
• 常見 MC1R variants 造成「red hair phenotype」：red hair、fair skin、inability to tan、melanoma risk 增加；MC1R 經 MITF 調控色素生成與曬黑。p.328

2. Histology & Stains（組織學與染色）

• 位置：epidermis 基底層、hair bulb、毛囊 outer root sheath；dendritic morphology 在光學顯微鏡下看不出來，需靠 immunohistochemistry 才能看到。p.328
• H&E：oval nuclei 略小於周圍 keratinocytes；processing artifact 常留下 clear halo of cytoplasm。p.328
• 在表皮中 melanocytes 約為 keratinocytes 數目的 1/10th。p.328
• 淺膚色者基底層很少見到 melanin granules（very few visible）；深膚色者表皮各層（含 stratum corneum）都看得到。p.328
• Silver stains（Fontana-Mason、Warthin-Starry）：melanin 被銀浸染而呈黑色沉澱；曾有報告指出 silver stains 會與 eumelanotic、但不與 pheomelanotic 皮膚組織的 melanocytes 反應。Dopa reaction 反映 melanosome 內的 tyrosinase activity。p.328

p.328、p.330。

McKee 補充

• Melanocytes 分布於皮膚、inner ear、choroid 與 iris。與基底細胞比例約 1 : 4（cheek）到 1 : 10（limbs）；H&E 呈 vacuolated cells（cytoplasmic vacuolation 為 fixation artifact），S100 可顯示 dendritic processes。McKee p.11–12
• Melanin 可用 Masson-Fontana 等 silver techniques 辨認；在 keratinocyte 內通常（typically）呈 umbrella-like「cap」覆蓋細胞核外側。McKee p.13
• McKee 寫 eumelanin 特別見於 dark-colored races，pheomelanin 則在 Caucasian skin 佔優勢。McKee p.12
• Macromelanosomes（giant melanosomes）直徑數 microns，H&E 即可看見；可能見於正常皮膚、lentigines、dysplastic nevi、Spitz nevi、neurofibromatosis 的 café-au-lait macules 與 albinism。McKee p.13

3. Ultrastructure & Melanosome Stages（超微結構）

• 與 keratinocytes 不同，melanocytes 沒有 desmosomes，也沒有 tonofilaments105-32；與 basement membrane 相接處有類似基底 keratinocytes hemidesmosomes 的構造。p.330
• 關鍵超微結構是 melanosome（round to oval、膜包覆的胞器）；eumelanosomes 依形態分為 stage I–IV，對應成熟程度105-32。p.330

p.330、p.337。Stage I 與 II 尚未 melanized。

• Pheomelanosomes 較小、各階段都維持 rounded（spherical）形態107-28，filament network 較紊亂、較不緻密；matrix 為 granular、microvesicular 而非 fibrillar，melanization 呈 microgranular、spotty。p.330p.337
• PMEL（gp100、silver）是 pigment cell–specific protein，為 fibrillar network 的主要成分；其 amyloid-related aggregation 參與 melanin 的組織與沉積這一生理過程。p.337

McKee 補充

• 電顯下 melanocytes 有 pale cytoplasm，以特有的 melanosomes 辨認；McKee 寫 melanosomes 由 smooth endoplasmic reticulum 衍生，被認為是特化的 lysosome。McKee p.12
• Mature eumelanin melanosomes 呈 ellipsoidal，pheomelanin melanosomes 呈 spherical107-28。McKee p.13
• Melanosome assembly 的關鍵蛋白之一是 NCKX5（由 SLC24A5 編碼）。McKee p.13

兩書不同：Fitzpatrick 寫 melanosomes 雖表現部分 lysosomal proteins、源自 endosomal pathway（p.338）；McKee 寫源自 smooth ER（McKee p.12）。

4. Distribution of Melanocytes（分布）

Interfollicular melanocytes & epidermal melanin unit

• 密度在 facial 與 genital skin 最高，trunk 與 extremities 較低。p.330
• 慢性日曬皮膚的 melanocytes 數目最多可達鄰近遮蔽處的 2-fold，大小與活性也增加；因此曬黑後的色素差異主要來自每個 melanocyte 的色素合成改變，而非數目大幅改變。p.330
• 不同 skin phototypes 間 melanocyte 數目差異很小；決定膚色的關鍵是深膚色者 melanocytes 合成並轉送 brown-black eumelanin 的能力較強。p.330
• Epidermal melanin unit（由 Fitzpatrick 命名）：一個 melanocyte 加上它接觸的所有 keratinocytes；每個 melanocyte 約接觸並供應 40 個 keratinocytes，與部位無關。p.330–331
• Vitiligo 的再色素化發生在毛囊周圍，提示表皮 melanocytes 可由毛囊的 melanocyte stem cells（McSCs）再生；多數表皮 melanocytes 源自毛囊 McSCs，但部分可能有其他來源。神經受傷時 Schwann cells 可能去分化產生 ectopic melanocytes。p.331

Follicular melanocytes

• McSCs 位於 bulge/secondary hair germ，在 telogen 保持 quiescent；anagen 時經 Wnt signaling 活化、增生並分化，遷移到 bulb，整個 anagen 持續製造並轉送 melanin。p.331
• Hair bulb 的分化 melanocytes 在 late catagen 凋亡，McSC 族群則每個週期都保留。p.331
• Hair graying：McSCs 隨年齡逐漸流失，提示 age-dependent hair graying 是 niche 內 McSC 維持不完全的結果；似乎與 McSCs 在 bulge 內「不適當」分化與色素化有關，且發生在 apoptosis 之前；ionizing radiation 等 DNA damage 可加速此過程。p.331

Acral & extracutaneous melanocytes

• Acral：eccrine gland 下方 permanent portion 是 acral 表皮 McSCs 的 niche；有假說認為 acral melanoma 源自此族群，acral melanoma 優先在 eccrine-rich ridges 著色。p.332
• Extracutaneous：mucosa、cochlea、uvea、leptomeninges、heart。p.332
• Retinal pigment epithelium 會合成 melanin、形成 melanosomes，但它源自 neuroectoderm，與 neural crest/melanocyte lineage 在發育上無關。p.332
• 較深的眼睛色素與 age-related macular degeneration 發生率較低相關；Vogt–Koyanagi–Harada syndrome 中針對 melanocytes 的自體免疫可造成嚴重 CNS inflammation。p.332
• Cochlea 的 melanocytes 是 stria vascularis 正常發育與功能所必需；stria vascularis 缺陷可解釋 Waardenburg 與 Tietz syndromes 的 sensorineural deafness。p.332

5. Development & Migration（發育與遷移）

• Melanocytes 只源自 neural crest。Neural crest cells 可分化為 melanocytes、craniofacial cartilage 與 bone、secretory endocrine cells、心臟與大血管平滑肌、周邊感覺與自律神經元、enteric neurons、peripheral glia。p.332
• 兩條路徑：(1) dorsolateral pathway（somites 與 ectoderm 之間，melanoblasts 傳統路徑）；(2) ventromedial pathway：近年發現相當比例皮膚 melanocytes 來自沿發育中神經移動的 Schwann cell precursors（second wave）。p.332
• 小鼠時序：MITF 於 E10.5–11 首次表現 → migration staging area（E11.5）→ dorsolateral 遷移（E12.5）→ E12.5–13.5 進入表皮 → 約 E15.5 進入毛囊；tyrosinase 於 E14.5 表現、E16.5 出現色素。p.332–333
• 小鼠的 interfollicular epidermal melanocytes 在出生後早期消失，人類則持續存在。p.333

6. Factors Regulating Melanocyte Development（調控因子）

p.333–336。

7. Genetic Pigmentary Disorders（遺傳色素疾病，Table 20-1）

Table 20-1，p.329（已對照原頁圖片）。

• Tyrosinase、TYRP1、DCT 的缺陷在人類造成 oculocutaneous albinism；OCA2（P-protein）與 SLC45A2（MATP）編碼功能未明的 transporters，似乎對 tyrosinase trafficking 與 melanosome 成熟重要。p.337
• HPS 由 BLOC-1、BLOC-2、BLOC-3、AP-3 complexes 的 10 個基因任一突變造成：melanosome 功能異常致 hypopigmentation，加上其他 lysosome-related organelles 異常造成 platelet dysfunction、immunodeficiency、lung fibrosis。p.339
• Griscelli syndrome（partial albinism 與 immunodeficiency）：Rab27a–Mlph–MyoVa receptor complex 任一成分受損，melanosomes 無法有效轉送給 keratinocytes。p.340

McKee 補充：病理

• Oculocutaneous albinism：多為 autosomal recessive；melanin 缺乏或減少，但 melanocyte 總數不減少；表皮與毛囊 melanin 減少或缺如，melanocytes 正常，電顯下 melanocytes 與 melanosomes 都沒有缺陷。McKee p.994–996
• McKee：最常見的是 OCA type IA 與 II；type II（tyrosinase positive）是最常見型，由 OCA2（舊稱 P-gene）突變造成；type IA 最嚴重，tyrosinase activity 完全缺乏。McKee p.994–995
• Hermansky-Pudlak：病理與其他 OCA 相似（表皮與毛囊 melanin 減少）；McKee 列 8 個 variants（HPS1–8），另有 AP3D1 相關型；主要見於 Puerto Rico 與 Ashkenazi Jewish。McKee p.996
• Chédiak-Higashi：表皮與毛囊 melanin 明顯減少，可能（may）見到 giant melanosomes；melanocytes、myeloid cells、lymphocytes 等含 peroxidase-positive giant granules。McKee p.996–997
• Griscelli：基底 melanocytes 有 melanin，但 keratinocytes 內缺乏；hair shaft 見不規則 melanin clumps，特別在 medulla。Polarized light 下：Chédiak-Higashi 的顆粒均勻分布、bright and polychromatic；Griscelli 的顆粒較大、不規則、聚在 medulla 附近、呈 white。McKee p.997
• Piebaldism：autosomal dominant；病灶通常完全沒有 melanocytes（電顯證實）；90% 有 white forelock。McKee 指出 piebaldism 不被視為 albinism 的變型，「partial albinism」一詞已不再接受。McKee p.998–999
• Waardenburg：PAX-3 突變見於 types I 與 III；MITF 與 SOX10 約佔 type II 的 30%；type IV 與 endothelin 3 基因突變相關。McKee p.999

兩書不同：Fitzpatrick Table 20-1 把 OCA2 列為「Brown」albinism、OCA4 為 variable degrees；McKee 則稱 OCA type IV 為「brown」（McKee p.996）。HPS 型數：Fitzpatrick 列 HPS1–9，McKee 列 8 型另加 AP3D1 型。

8. Structure & Function of Melanin（黑色素結構與功能）

p.336。有人提出 melanin degradation products 可能逃出 melanosome 進入細胞核造成 DNA damage。

• 皮膚色素可保護免於 UV 引起的 sunburn 與 DNA damage。p.336
• 皮膚色素也保護人類免於 UV 引起的皮膚癌：albinism 與淺膚色者 nonmelanoma skin cancer 風險增加，較深膚色族群皮膚癌風險較低107-28。p.336
• Melanin（特別是 eumelanin）可阻擋 UV，但色素皮膚或分散的 melanosomes 只提供相對低的 SPF；因此 melanin 可能有其他保護功能——eumelanin 可清除 UV 誘發的 ROS。p.336
• Pheomelanin：UV 遮蔽能力較差，且證據顯示可能是 pro-oxidant；UVA 與 purified pheomelanin 反應產生 free radicals。p.336
• Dark CPD：UVA 產生的 ROS 與 pheomelanin（eumelanin 程度較低）作用，產生的 melanin degradation products 在 UV 照射結束後很久仍誘發 cyclobutane pyrimidine dimers。p.336
• BRAF(V600E) 小鼠模型中，Mc1r dysfunction 在沒有 UV 下也與 melanoma risk 顯著增加相關（was associated with），並與 ROS 增加相關；加入 tyrosinase loss-of-function（albino-redheads）後此效應消失，提示可追溯至 pheomelanin 合成路徑。p.336–337
• 人類資料：校正 UV exposure 後，red-haired/fair-skinned 者 melanoma risk 仍較高。p.337

9. Melanin Synthesis（黑色素合成）

• Eumelanin 與 pheomelanin 合成的第一步：tyrosinase 將 tyrosine 氧化成 dopaquinone110-04；tyrosinase 是調控兩型 melanin 合成的 key enzyme。p.336–337
• Tyrosinase 需結合 copper；由 ATP7A transporter 將 copper 送入 melanosome。人類皮膚的 tyrosinase activity 由 Fitzpatrick 等人於 1950 年首次證實。p.337
• TYRP1 與 TYRP2/dopachrome tautomerase（DCT）與 tyrosinase 同源，並與 tyrosinase 形成 complex，協助其 trafficking 與穩定。p.337

p.337；Fig. 20-5，p.338。

• 有 cysteine 時以 cysteinyldopa 合成為主；培養細胞中 high tyrosine 及／或 low cysteine 偏向 eumelanogenesis。p.337

10. Melanosome Biogenesis & Trafficking（黑色素體生成與運輸）

• Melanosomes 是 lysosome-related organelles，只存在於 melanocytes 與 retinal pigment epithelium，是 melanin 合成與儲存的主要場所。p.337
• 新合成的 PMEL 先到 plasma membrane，再經 endosomal pathway 進入早期 melanosome；stage I melanosomes 雖像 multivesicular bodies，似乎不依賴 ESCRT machinery 形成。p.338
• Melanogenic enzymes（tyrosinase、TYRP1、DCT）在 PMEL fibrillar network 沉積後才送到 stage II melanosomes；recycling endosome compartment 在運送中扮演關鍵角色。p.338–339
• BLOC complexes 失能 → TYRP1 等 melanogenic enzymes 堆積在 endosomal compartment；BLOC-1 協調 microtubule 與 actin machineries 形成 recycling endosomal tubules；BLOC-2 將運輸中間體導向 melanosomes；AP-3 也參與 cargo sorting。p.339
• VAMP7 是 BLOC-1 依賴之 TYRP1 運送所需的 SNARE；BLOC-3 負責之後 VAMP7 的回收。p.339

11. Transfer to Keratinocytes & Racial Variation（轉送與種族差異）

• Stage IV melanosomes 先經 kinesin（microtubule-dependent anterograde）送到 dendrite tips；dynein 介導 retrograde transport，兩者平衡可能調節 UV 後的分布。p.340
• 在 actin-rich dendrite tips 由 Rab27a–melanophilin（Mlph）–MyosinVa complex 捕捉；此 complex 任一成分受損 → 轉送效率差，見於 Griscelli syndrome。p.340
• 轉送模型：cytophagocytosis、membrane channel（fusion）、shedding-phagocytosis、exocytosis；近期研究較支持 shedding-phagocytosis（melanocyte 釋出含一群 melanosomes 的膜包囊泡，再被 keratinocyte 吞噬）。p.340
• Keratinocyte growth factor（KGF）與 protease-activated receptor-2（PAR2）活化可增加 melanosome 轉送／攝入；PAR2 表現與活性在深膚色者的 keratinocytes 最高。p.340
• 進入 keratinocyte 後，melanosomes 經 dynein 送到核周（nuclear capping），保護基底 keratinocytes 免於 UV 引起的 DNA damage。p.341

p.341。各膚色 melanocyte 數目不變，但 melanosome 的數目、大小、分布有明顯種族差異；所有膚色的 melanosomes 主要都位於細胞核上方。培養中由 donor keratinocyte 的膚色決定吞入 melanosomes 的分布。

• Melanosomes 被認為在 keratinocyte 終末分化過程中被分解，即使最深膚色者的 corneocytes 也很少看到 melanosome 結構；深膚色者的 keratinocytes 分解 melanosomes 較慢，可能與 autophagy 受損有關。p.341–342

McKee：compound melanosome 通常含 3–6 個 single melanosomes；深色皮膚與深色頭髮中 melanosomes 保持 solitary，且比淺膚色族群的更長107-28（McKee p.13）。Fitzpatrick 則寫淺膚色者 4–8 個成群（p.341）。

12. MSH–MC1R–MITF Pathway（MC1R 路徑）

• Eumelanin/pheomelanin「switch」與 UV-induced tanning 都由 MSH–MC1R–MITF pathway 調控。p.342
• MC1R：主要由 melanocytes 表現的 GPCR（7 個 transmembrane domains）；MC1R signaling 在決定 melanocyte 主要產生 eumelanin 或 pheomelanin 上扮演關鍵角色。MC1R 在人類高度 polymorphic，常見 loss-of-function variants → red hair、fair skin、inability to tan。p.342
• Canonical agonist：α-MSH，由 POMC 切割而來（同時產生 β-endorphin、ACTH）；α-MSH 與 ACTH 前 13 個 amino acids 重疊，由 PC2 切割產生。p.342
• POMC 基因突變病人：除 MC4R 相關的 endocrine dysfunction 外，也有 red hair phenotype（MC1R 訊號下降）。p.342
• Agouti（人類 ASIP）是 MC1R antagonist（「reverse agonist」）；ASIP variants 與 sun sensitivity、freckling、red hair、skin cancer 相關。p.342
• 訊號：MC1R → Gαs → adenylyl cyclase → cAMP → PKA → CREB → m-MITF promoter → MITF 目標基因（tyrosinase、DCT 等）。Phosphodiesterase D4（PDED4）由 MITF 轉錄活化，作為分解 cAMP 的負回饋調節者。p.342–343

13. UV-induced Tanning（紫外線誘發曬黑）

Human pigmentation 分為 constitutive 與 inducible；UV 誘發的色素（sun tanning）有兩個與波長相關的成分。p.343

p.343。ch17 另寫 immediate pigment darkening 在照射後 20 minutes 內可見、mostly induced by UVA，對之後的日曬保護 much less, if any；delayed tanning mostly induced by UVB（p.273（ch17））。

• 機轉：UV 照射 keratinocytes → p53 依賴地增加 POMC 表現 → α-MSH → melanocyte 的 MC1R → MITF 與 melanogenesis。p.343
• MC1R 突變（red hair、無法曬黑）小鼠塗 topical forskolin（活化下游 cAMP/PKA/MITF）可增加表皮色素並保護免於 UV 致癌，提示 MC1R 下游路徑仍完整。p.343
• TGFβ1（keratinocyte 產生）負調控 MITF；UV 使 TGFβ1 產生減少 → MITF 路徑增強、melanogenesis 增加。p.343
• Fig. 20-11：POMC 切割同時產生 β-endorphin；chronic UVR 使循環中 β-endorphin 上升，造成 analgesia 與 physical dependence。p.344

14. MC1R & Melanoma; Other Pigmentation Genes（MC1R 與黑色素瘤；其他基因）

• Hypomorphic MC1R variants 是 melanoma 的強危險因子，風險增加 2- to 4-fold。p.343
• 即使控制膚色程度，MC1R variants 仍增加 melanoma risk；與 red hair phenotype 關聯較弱的 missense variants 也增加風險，表示有 UV shielding 以外的機轉。p.344
• 其他機轉：pheomelanin 本身可能（may）經 UV 依賴及／或非依賴途徑產生 ROS 而增加 melanoma risk；MC1R signaling 促進 nucleotide excision repair，NER 缺陷可能是 MC1R variant 族群 melanoma risk 增加的原因（MC1R polymorphism 病人的 melanomas 突變數較多）；wildtype MC1R 保護 PTEN 免於 UVB 誘發的分解。p.344
• 族群遺傳：MC1R、ASIP、KITLG、TYR、TYRP1、SLC45A2、OCA2 等；SLC24A5 的某 variant 在歐洲族群幾乎普遍存在，並與其他族群較淺膚色相關；TPCN2 與髮色相關；IRF4 與 MITF 共同刺激 tyrosinase 轉錄；BNC2 也與膚色差異相關。p.344
• 結論：melanocytes 提供的 UV 保護主要歸功於 eumelanin；pheomelanin 及其合成路徑不但缺乏強 UV 保護，甚至增加 oxidative stress 與致癌性。皮膚癌是少數已確認關鍵致癌物的人類惡性腫瘤之一。p.344–345