Sự thay đổi về màu da và tóc của con người là khía cạnh đáng chú ý nhất của sự biến đổi ở con người và một số nghiên cứu về tiến hóa, di truyền học và sinh học phát triển đã góp phần giải thích cơ chế cơ bản của sắc tố da ở người, nguyên nhân gây ra sự khác biệt về màu da giữa các dân số trên thế giới. Mặc dù sắc tố da chủ yếu liên quan đến chức năng của tế bào hắc tố, nhưng các tế bào sừng xung quanh và các protein của ma trận ngoại bào và nguyên bào sợi trong khoang hạ bì bên dưới đóng góp tích cực vào cân bằng da. Nhiều yếu tố tiết ra tự tiết/cận tiết và cơ chế kết dính tế bào liên quan đến cả thành phần biểu bì và hạ bì quyết định sắc tố da cấu thành và, bất cứ khi nào mất kiểm soát, sẽ xảy ra các rối loạn sắc tố. Đặc biệt, sự gia tăng biểu hiện của các chất trung gian như vậy và các thụ thể cụ thể của chúng thường dẫn đến các tình trạng tăng sắc tố, chẳng hạn như trong nám da và bệnh bạch biến, trong khi khiếm khuyết trong biểu hiện/giải phóng của chúng liên quan đến các rối loạn giảm sắc tố, như thấy ở bệnh bạch biến. Tất cả những tương tác này đều nhấn mạnh vai trò liên quan của sắc tố đối với quá trình tiến hóa và sinh học của con người.

Sự khác biệt và tiến hóa sắc tố da của con người

Hệ thống sắc tố đã đóng vai trò là mô hình cho nhiều nghiên cứu khác nhau cung cấp một số mối liên hệ giữa kiểu gen và kiểu hình cho các đặc điểm sắc tố quan trọng trong quá trình tiến hóa. Màu da chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của tế bào hắc tố, các tế bào chuyên tổng hợp và phân phối sắc tố melanin. Trong lớp biểu bì, mỗi tế bào hắc tố được kết nối thông qua các sợi nhánh của nó với khoảng 30∼40 tế bào sừng, tạo thành cái gọi là đơn vị melanin biểu bì , và với các nguyên bào sợi trong lớp hạ bì bên dưới. Trong tế bào hắc tố, quá trình tổng hợp melanin xảy ra trong các bào quan liên kết màng chuyên biệt được gọi là melanosome, đặc trưng bởi bốn giai đoạn trưởng thành, cùng với chúng dần dần trở nên có sắc tố. Các enzyme tạo melanin chuyên biệt trong melanosome, tyrosinase và các enzyme liên quan đến tyrosinase, chỉ đạo quá trình sản xuất hai loại melanin: eumelanin đen-nâu, sắc tố chính được tìm thấy trong da và tóc sẫm màu, và pheomelanin vàng/đỏ, chủ yếu được quan sát thấy ở tóc đỏ và kiểu da I/II . Số lượng tế bào hắc tố tương đối giống nhau giữa các dân tộc khác nhau và sự khác biệt về màu da chủ yếu phụ thuộc vào loại (số lượng tương đối của phép và eumelanin) và lượng melanin được sản xuất trong melanosome. Kích thước, số lượng, sự phân bố và sự thoái hóa của các cấu trúc này trong các tế bào sừng xung quanh cũng là những yếu tố quyết định màu da của dân tộc hoặc sự khác biệt. Ở da sáng, các melanosome nhỏ hơn và chủ yếu ở giai đoạn đầu của quá trình trưởng thành (giai đoạn I và II).

Chúng được chuyển đến các tế bào sừng dưới dạng các cụm và bị phân hủy ở mức độ của lớp gai. Ở da sẫm màu, các cấu trúc này lớn hơn, ở giai đoạn IV và được chuyển riêng lẻ đến các tế bào xung quanh. Sự phân hủy của chúng dường như cũng chậm hơn so với ở da sáng, vì một số melanin vẫn được quan sát thấy trong lớp sừng. Hơn nữa, tỷ lệ giữa pheo và melanin dường như cao hơn ở da sẫm màu so với da sáng. Bên cạnh các cơ sở sinh học cơ bản, sự khác biệt về màu da và tóc của con người là khía cạnh đáng chú ý nhất của sự biến đổi ở con người và việc giải thích cơ chế nào hỗ trợ sự khác biệt về màu da giữa các quần thể trên thế giới là một trong những câu hỏi trung tâm của sinh học con người. Aristotle đã đưa ra giả thuyết về mối liên hệ giữa sắc tố da sẫm màu với ánh nắng mặt trời và nhiệt độ cao thành một "thuyết khí hậu" liên quan đến các đặc điểm của con người với môi trường.

Sau đó, các nhà tự nhiên học như John Mitchell và Samuel Stanhope Smith đã liên hệ sự khác biệt về sắc tố da của con người trên thế giới (từ sáng về phía các cực đến tối gần đường xích đạo) với nhiệt độ ánh nắng mặt trời theo vĩ độ. Ngày nay, chúng ta có thể nói chính xác hơn rằng các biến thể về màu da là thích nghi và liên quan đến mức độ bức xạ cực tím, tương quan với vĩ độ và đại diện cho một giải pháp cho các yêu cầu sinh lý của việc bảo vệ da khỏi ánh sáng và tổng hợp vitamin D10. Có khả năng là lớp da của các thành viên ban đầu của họ người có màu trắng hoặc có sắc tố nhẹ và được bao phủ bởi lông sẫm màu. Sự tiến hóa của lớp da trần, có sắc tố sẫm màu diễn ra để bảo vệ các tuyến mồ hôi khỏi tổn thương do tia cực tím gây ra, do đó đảm bảo chất lượng điều hòa nhiệt độ cơ thể. Sự di cư của người ra khỏi vùng nhiệt đới đã gây áp lực lên mức độ sắc tố da do mức độ tia cực tím thấp hơn và theo mùa hơn.

Đồng thời, nhiều mức độ mất sắc tố đã tiến hóa để cho phép tổng hợp vitamin D do tia UV-B gây ra. Do đó, phạm vi sắc tố được quan sát thấy ở người hiện đại đã tiến hóa để ủng hộ khả năng bảo vệ khỏi ánh sáng gần đường xích đạo và để thúc đẩy quá trình tổng hợp vitamin D do tia tia cực tím-R gây ra ở da gần các cực hơn. Một số nghiên cứu về di truyền học quần thể đã cho phép giải thích quá trình tiến hóa của hệ thống sắc tố ở người.

Sắc tố và phòng vệ da

Sự phát triển và tiến hóa của một hệ thống sắc tố phức tạp như vậy đòi hỏi một sự điều hòa tinh tế và tích hợp của các con đường truyền tín hiệu và tương tác tế bào. Một số yếu tố tiết ra tự tiết/cận tiết và cơ chế kết dính tế bào liên quan đến cả thành phần biểu bì và hạ bì, điều hòa cân bằng nội môi của tế bào hắc tố, xác định sắc tố da cấu thành và, bất cứ khi nào mất điều hòa, sự xuất hiện của các rối loạn sắc tố. Một số chất truyền tin này được sản xuất bởi cả tế bào biểu bì và hạ bì, trong khi những chất khác được tổng hợp riêng biệt bởi chỉ một loại tế bào. Tiếp xúc với tia cực tím là yếu tố môi trường chính ảnh hưởng đến sắc tố da. Sau khi chiếu tia cực tím, sự phân bố lại sắc tố trong tế bào sừng và da được kích thích, quá trình sinh melanogen tăng lên và quá trình tổng hợp và tiết ra nhiều yếu tố thúc đẩy sắc tố được điều chỉnh tăng lên. Tất cả các yếu tố này hoạt động bằng cách liên kết với các thụ thể đặc hiệu của chúng, sau đó kích hoạt các con đường truyền tín hiệu nội bào liên kết với chức năng của tế bào melanocyte.

Trong số các chuỗi truyền tín hiệu của yếu tố tăng trưởng/thụ thể như vậy, một trong những con đường chính được cấu thành bởi các peptide có nguồn gốc từ pro-opiomelanocortin hormone kích thích melanocyte và hormon vỏ thượng thận)từ tế bào sừng và thụ thể Mc1R của chúng. Sau khi tiếp xúc với tia cực tím, quá trình phiên mã của pro-opiomelanocortin được kích thích bằng cách tạo ra protein ức chế khối u trong tế bào sừng, do đó thúc đẩy quá trình tổng hợp melanin trong tế bào hắc tố thông qua các tương tác cận tiết 18. Như đã đề cập trước đó, đột biến Mc1R, thường được quan sát thấy ở da sáng hơn là da sẫm màu, có thể làm mất điều hòa phản ứng của tế bào đối với α-melanocyte, dẫn đến giảm sản xuất melanin ở cả sắc tố cấu thành và tia cực tím trung gian.

Cùng với α-melanocyte, sự phát triển, biệt hóa, sự sống sót và hoạt động của tế bào hắc tố được điều hòa bởi các yếu tố tăng trưởng và cytokine có nguồn gốc từ tế bào sừng khác bao gồm endothelin, yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi cơ bản, yếu tố tế bào gốc, yếu tố kích thích khuẩn lạc bạch cầu hạt-đại thực bào, yếu tố tăng trưởng tế bào gan . Cũng như α-melanocyte, hầu hết các chất truyền tin này đều được điều chỉnh tăng lên để đáp ứng với tia UV liên kết với thụ thể endothelin B đặc hiệu của nó trên tế bào hắc tố nhưng nó cũng làm tăng biểu hiện của Mc1R19. Tác dụng của nó dẫn đến sự gia tăng cả sự tăng sinh tế bào hắc tố và quá trình sinh hắc tố và, đối với pro-opiomelanocortin, quá trình tổng hợp ET-1 được gây ra bởi p53. Khi có các kích thích cụ thể, ví dụ như trong quá trình viêm , một số chất trung gian khác, bao gồm prostaglandin E2 và F2 Alpha, thromboxane B2, leukotriene C4 và LTD4 được giải phóng bởi vì môi trường xung quanh và kích hoạt tế bào hắc tố làm tăng tính sợi nhánh và sản xuất melanin của chúng. Thêm vào sự phức tạp cho sự tương tác giữa tế bào sừng và tế bào hắc tố, một đóng góp của axit 5,6 dihydroxyindole-2-carboxylic trung gian eumelanin, vượt ra ngoài việc cung cấp sắc tố, đã được chứng minh: sự khuếch tán của chất truyền tin hóa học này từ tế bào hắc tố sản xuất vào tế bào sừng có thể bảo vệ chống lại các kích thích từ môi trường như tia UV, thông qua việc tăng cường hệ thống phòng thủ chống oxy hóa và biệt hóa trong tế bào sừng, do đó góp phần bảo vệ toàn bộ lớp biểu bì. 

Song song với các ảnh hưởng cận tiết thông qua tế bào sừng, chức năng của tế bào hắc tố và sắc tố da được điều chỉnh bởi vai trò tích cực của cả protein ma trận ngoại bào và nguyên bào sợi của khoáng hạ bì. Các nghiên cứu trong ống nghiệm đã chứng minh ảnh hưởng mitogenic và melanogenic của các protein ma trận ngoại bào như fibronectin, collagen I và IV đối với tế bào hắc tố bình thường ở người và tác dụng của chúng trong ức chế quá trình tạo không bào và chết tế bào khi tế bào hắc tố phát triển trong môi trường thiếu mitogen.  Ngoài ra, laminin và collagen IV tham gia vào quá trình bám dính của tế bào hắc tố vào màng đáy thông qua tương tác integrin.  Nguyên bào sợi da giải phóng nhiều yếu tố hòa tan có khả năng điều chỉnh hoạt động của tế bào hắc tố: một số yếu tố này cũng được sản xuất bởi tế bào sừng, chẳng hạn như yếu tố tế bào gốc và yếu tố tăng trưởng tế bào gan , một số yếu tố khác được tổng hợp đặc hiệu bởi nguyên bào sợi.

Hầu hết các chất truyền tin này đều ủng hộ quá trình tổng hợp melanin và sự tăng sinh của tế bào hắc tố. Trong số đó, neuregulin-1 được điều chỉnh tăng lên trong các nguyên bào sợi thu được từ da loại VI so với loại I và III và nó đại diện cho một yếu tố sinh hắc tố trong quá trình điều chỉnh mức độ sắc tố cấu thành của làn da sẫm màu. Người ta đã chứng minh rằng các nguyên bào sợi từ da lòng bàn tay-bàn chân sản xuất ra mức chất đối kháng con đường Wnt dickkopf 1 cao hơn so với các nguyên bào sợi của thân. Không giống như các yếu tố tăng trưởng được mô tả ở trên, Wnt dickkopf 1 có tác dụng ức chế sự tăng sinh của tế bào hắc tố và sản xuất sắc tố.

Hơn nữa, yếu tố hòa tan này cũng tác động lên tế bào sừng, làm giảm mức độ biểu hiện của thụ thể-2 được kích hoạt bởi protease, có liên quan đến quá trình chuyển melanosome, do đó cũng làm giảm quá trình sau này. Những tác động kết hợp của Wnt dickkopf 1 lên cả tế bào hắc tố và tế bào sừng xác định tình trạng giảm sắc tố sinh lý được quan sát ở lớp biểu bì của lòng bàn tay và lòng bàn chân. Thành viên họ yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi, yếu tố tăng trưởng tế bào sừng/yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi 7 (KGF/FGF7) gây ra quá trình chuyển melanosome, thúc đẩy quá trình thực bào thông qua hoạt hóa và truyền tín hiệu của thụ thể đặc hiệu của nó, thụ thể yếu tố tăng trưởng tế bào sừng, trực tiếp trong tế bào sừng. Hơn nữa, yếu tố tăng trưởng này kích thích sản xuất và tiết chất trung gian tiền melanogenic SCF trong tế bào sừng nguyên phát, tạo ra một mạng lưới cận tiết gián tiếp kết nối tế bào sừng và nguyên bào sợi trong việc kiểm soát các chức năng của tế bào hắc tố. Vai trò quan trọng  trong việc thúc đẩy sắc tố da được chứng minh thêm bằng các nghiên cứu bổ sung cho thấy khả năng đơn lẻ và kết hợp với IL 1 alpha để tăng sản xuất và lắng đọng melanin trong các chất tương đương biểu bì có sắc tố và trong các mẫu cấy ghép da người 34. Bên cạnh các tương tác tự tiết và cận tiết này, chức năng của tế bào hắc tố cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nội tiết được sản xuất ở xa, được đánh giá bằng sự thay đổi sắc tố được quan sát thấy trong quá trình thay đổi nội tiết ví dụ: (i) tăng sắc tố được phát hiện trong thời kỳ mang thai do nồng độ estrogen tăng; (ii) tăng sắc tố ở vùng sinh dục do tác động của hormone sinh sản.

Một chức năng cơ bản của da là ngăn ngừa mất nước từ cơ thể. Điều này có thể đại diện cho nhu cầu sinh lý đầu tiên về bảo vệ, nhưng cũng đúng là da cung cấp một hàng rào bảo vệ chống lại các mầm bệnh vi khuẩn xâm nhập, đồng thời đóng vai trò là môi trường sống cho vô số vi khuẩn cộng sinh. Lớp sừng cung cấp tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại các cuộc tấn công của mầm bệnh và môi trường và trên thực tế, các chức năng hàng rào của lớp sừng có mối quan hệ liên quan, đồng điều chỉnh và phụ thuộc lẫn nhau. Cấu trúc gắn kết của lớp sừng, kết hợp với hàm lượng nước thấp và độ pH có tính axit, cho phép hệ vi khuẩn bình thường phát triển, đồng thời cung cấp một lớp mạnh mẽ của hệ thống.

BS. Thu Hà (Thọ Xuân Đường)