头发里的秘密

　　你是否知道，我们的头发还蕴藏着丰富的科学信息？头发的颜色、质地甚至健康状况，都与其中的蛋白质密切相关。近年来，科学家们通过研究头发中的蛋白质组，发现它不仅能够反映个体的健康状况和生活习惯，还能提供有关心理压力和环境暴露等信息。

　　头发蛋白质组学作为一种新兴的研究领域，利用先进的分析技术，对头发中的蛋白质进行全面的鉴定和定量分析，揭示其在不同生理和病理状态下的变化规律。让我们走进"头发蛋白质组学"的世界，探索这一领域的最新研究成果及其广泛应用。

头发的生物学结构

　　头发是人体一种复杂的表皮附属物，包含丰富的蛋白质、少量的水、脂类、色素和微量金属元素。大约60%~95%的头发成分是蛋白质，主要由角蛋白（keratin,KRT）和角蛋白相关蛋白（keratin-associated proteins,KAP）组成。这些蛋白质交联形成头发的基础结构，赋予其化学和机械稳定性，使头发在常温环境下非常稳定。

　　在光学显微镜下，头发可以分为三层结构：表皮层（cuticle）、皮质层（cortex）和髓质层（medulla）[1]。

    表皮层：位于头发最外层，是头发的保护层，主要由坚硬的角蛋白构成。它能够抵御环境干扰，保护头发内部结构，使头发保持光泽。然而，由于抗摩擦能力较弱，表皮层容易受损，导致头发粗糙和脆弱。

　　皮质层：位于表皮层之下，是头发的主要组成部分，占据整个头发轴的45%。由细长而交错的纺锤形细胞组成，皮质层赋予头发出色的弹性和韧性，在保持头发水分、决定头发厚度、弧度和颜色方面起着重要作用。

　　髓质层：位于头发的中心，含有较高的脂肪含量、瓜氨酸和黑色素颗粒。与头发其他部分相比，髓质层的胱氨酸含量较低，且二硫键被多肽键所取代，增加了结构内部的凝聚力。

　　显微镜下观察的头发结构展示了头发的复杂层次和各部分的独特功能，而这些宏观层面的特征，实际上是由微观的蛋白质组成和相互作用所决定的。正是这些蛋白质赋予了头发其机械强度、弹性和保护功能。为了深入理解头发的生物学性质和其在不同人群中的特异性，我们需要进一步探讨头发中各种蛋白质的组成与动态变化，这正是头发蛋白质组学研究的核心内容。通过蛋白质组学的方法，我们能够揭示头发中的蛋白质如何协同工作，维持其结构与功能，并如何反映个体的生理和心理状态。

头发蛋白质组学

　　蛋白质组学是一门研究细胞、组织或生物体在特定时间内所表达的蛋白质组成及变化规律的科学。它通过在大规模水平上研究整体蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平、翻译后的修饰、蛋白质与蛋白质相互作用等，从而获得蛋白质水平上的关于疾病发生发展、细胞代谢等过程的整体而全面的认识。

　　蛋白质由氨基酸组成，可以发生多种修饰，并且翻译后的可变剪切、固定修饰等使得蛋白质种类可达百万之多。基于质谱（mass spectrometry，MS）的蛋白质组学方法因其高吞吐量和灵敏度，能够同时测量数千种蛋白质的丰度，成为研究蛋白质组的主要技术。一个典型的质谱蛋白质组学方法是自下而上的"鸟枪法"，该方法首先将样品中的蛋白质消化成复杂的肽段混合物，然后对这些肽段进行质谱分析，通过数据库比对，进一步确定样品中的蛋白质。这种方法具有高灵敏性且没有特定的特异性要求，因此被广泛应用于蛋白质组学的检测。

生理状态表征方面的应用

　　在头发蛋白质组学研究中，科学家们利用这些先进的蛋白质组学技术，揭示了头发中蛋白质的复杂组成及其在不同人群中的差异。例如，基于角蛋白作为污染物存在的现状，开发了一个污染物亲和纯化质谱库（CRAPome）[2]。尽管角蛋白有时会掩盖低丰度临床相关标记物的信号，但头发中的角蛋白和其他蛋白质仍提供了宝贵的生物信息。还有，利用角蛋白同构体的变化表征上皮疾病，使其成为潜在的生物标志物。这为利用头发蛋白质组学方法寻找新的疾病标志物开辟了新途径[3]。

　　目前，已有部分研究探索了基于蛋白质组学方法对头发蛋白质组进行分析，以识别个体特征和健康状态。使用鸟枪法蛋白质组学技术，对非裔美国人、高加索人、肯尼亚人和韩国人的头发蛋白质组进行研究，发现不同种族群体具有独特的头发蛋白质表达水平，主要体现在角蛋白和角蛋白相关蛋白两类蛋白质中[4]。同样，对66名欧美受试者的头发蛋白质组进行表征，鉴定出401种蛋白质，发现角蛋白和角蛋白相关蛋白是丰度最高的两类蛋白质[5]。此外，还鉴定到了钙调蛋白样蛋白3、S100钙结合蛋白A3等结构调节蛋白质。基于凝胶的高灵敏度蛋白质组学方法的提出，可用于分析头发样本，将每个样本分为10个组分，每个组分均鉴定到132~214个蛋白质，其中15个为角蛋白[6]。

　　另有研究表明，人头发中的Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白（如KRT33b、KRT81、KRT83和KRT86等）可用于区分性别和种族。由于头发具有特殊的稳定蛋白质结构，能够在自然条件下保存上百甚至上千年，这使得头发在研究个体特征和应用于法医学中具有巨大潜力和价值。通过蛋白质组学方法，科学家们可以更全面地了解头发蛋白质的组成及其变化，为医学研究和临床应用提供新的思路和工具。（详情请点击阅读原文）

心理状态表征方面的应用

　　心理压力是一种由压力源和压力反应构成的认知和行为体验过程，对人体健康产生深远影响。心理压力导致体内激素水平紊乱，增加了心血管疾病、炎症、肥胖等疾病的风险，同时也对人的精神层面产生负面影响。持续的心理压力可能引发精神疾病，如抑郁症，给患者的生活带来困扰，同时对医生的诊断也提出了挑战。

　　传统的心理压力诊断主要依赖于主观判断和心理评估量表，这种方法的准确性和客观性存在一定局限。因此，急需发展更客观、稳定且准确的心理压力诊断标志物。近年来，头发蛋白质组学作为一种新兴的研究领域，为解决这一难题提供了新思路。

　　研究表明，心理压力会导致毛发状态发生变化，如脱发、毛发质量变差和白发增多。这些变化反映了身体受压状态的潜在信息。利用头发作为样本进行蛋白质组学分析，可以发现在心理压力下发生的蛋白质组变化，为心理压力的客观诊断提供了可能性。

　　从头发蛋白质组研究到心理压力的表征，科学家们正在开辟一条全新的研究路径。通过非标定量蛋白质组学技术，对白色毛发和正常毛发进行比较研究，显示上调的蛋白质主要涉及能量代谢、线粒体功能和抗氧化防御，这揭示了心理压力可能是导致毛发灰白的一个重要因素[7]。另一方面，通过以丝状念珠菌为模型，探究毛发蛋白质结构与毛发强度和抗损伤能力之间的关系[8]。在寻找表征毛发化学或氧化损伤的新肽标记物时，科学家发现，漂洗引起的氧化损伤在毛发蛋白质结构中表现出特定的位点，这暗示了蛋白质组学在先天性和后天性毛发疾病研究中的潜力，可能为我们提供了对毛发损伤机制的新认识以及发质保护的新策略。这些研究为理解和应对心理压力对身体的影响提供了有力的科学依据，也为未来头发蛋白质组学在心理健康领域的应用提供了新的思路。

　　相比于传统的激素标志物，头发作为一个稳定的生物学样本，其蛋白质组成和组分变化有望提供更可靠的心理压力诊断标志物。虽然目前头发蛋白质组学在心理压力诊断中的应用还处于初级阶段，但其潜力令人期待。未来的研究将继续探索头发蛋白质组学在心理健康领域的应用，为心理压力的准确诊断和治疗提供更多可能性。

展望

　　综合近年来的研究成果，头发蛋白质组学作为一种新兴的研究领域，展现出了巨大的潜力和应用前景。与传统的生物样本相比，头发具有稳定的物理和化学性质，能够长时间记录机体的生理状态，因此成为了不可或缺的研究样本。虽然头发中角蛋白及相关蛋白质的交联增加了提取和酶切的难度，但通过优化提取流程和酶切方法，已经取得了显著进展，为头发蛋白质组学研究提供了可靠的样品制备技术。

　　人类头发的差异性反映了不同人群的心理、营养、免疫等健康状况，因此，毛发蛋白质组学的研究对特定心理压力人群的健康维护具有重要意义。此外，头发作为一种具有地域特征的生物标本，其蛋白质组成也为不同地区的健康问题提供了重要线索。通过对头发蛋白质组的深入研究，我们有望为心理健康领域提供新的诊断方法和治疗策略，为特定人群的健康管理提供更精准的指导，为人类的健康事业贡献力量。

　　头发蛋白质组学不仅在心理压力研究中具有重要意义，还在医学、美容和法医毒理学等领域展现出了广阔的应用前景。未来，随着技术的不断进步和研究的深入，头发蛋白质组学将为我们揭示更多生命的奥秘，推动健康科学的发展。

　　参考文献

　　[1] 吴晓淋, 徐平, 张亚莉, 等. 人体特征的头发代谢组学及蛋白质组学研究进展. 生物工程学报, 2022, 38(10): 3638-3647

　　[2] Mellacheruvu D, Wright Z, Couzens A L, et al. The CRAPome: a contaminant repository for affinity purification-mass spectrometry data. Nat Methods, 2013, 10(8): 730-736

　　[3] Karantza V. Keratins in health and cancer: more than mere epithelial cell markers. Oncogene, 2011, 30(2): 127-138

　　[4] Laatsch C N, Durbin-Johnson B P, Rocke D M, et al. Human hair shaft proteomic profiling: individual differences, site specificity and cuticle analysis. PeerJ, 2014, 2: e506

　　[5] Parker G J, Leppert T, Anex D S, et al. Demonstration of protein-based human identification using the hair shaft proteome. PLoS One, 2016, 11(9): e0160653

　　[6] Zhang Z, Burke M C, Wallace W E, et al. Sensitive method for the confident identification of genetically variant peptides in human hair keratin. J Forensic Sci, 2020, 65(2): 406-420

　　[7] Rosenberg A M, Rausser S, Ren J, et al. Quantitative mapping of human hair greying and reversal in relation to life stress. Elife, 2021, 10: e67437

　　[8] Sinclair R, Flagler M J, Jones L, et al. The proteomic profile of hair damage. Br J Dermatol, 2012, 166(Suppl 2): 27-32

　　作者简介

　　张振鹏

　　研究方向：蛋白质组学技术。

（作者：张振鹏）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）