角蛋白15在表皮干细胞中作用的研究进展

赵阿龙 张翠萍 赵洪良 赵换军 谭志军 付小兵

（1.天津医科大学, 天津 300070; 2. 解放军总医院第一附属医院全军创伤修复与组织再生重点实验室暨皮肤损伤修复与组织再生北京市重点实验室，北京 100048）

角蛋白15在表皮干细胞中作用的研究进展

赵阿龙1，2张翠萍2赵洪良2赵换军1，2谭志军1，2付小兵2

（1.天津医科大学, 天津 300070; 2. 解放军总医院第一附属医院全军创伤修复与组织再生重点实验室暨皮肤损伤修复与组织再生北京市重点实验室，北京 100048）

正常表皮细胞包括表皮干细胞、短暂增殖细胞和其他角质细胞，以表皮干细胞为主的基底层不断增生分化并向上迁移[1]。表皮干细胞是表皮基底部具有不断增殖和分化能力的干细胞，对于维持表皮的自我更新和完整性具有重要意义[2]。角蛋白是表皮细胞的结构蛋白，是一类具有支撑和保护功能的纤维状蛋白质，它们通过直径为10 nm的微丝在细胞内形成广泛的网状结构。不同分化程度的表皮细胞表达不同的角蛋白，目前已知的角蛋白有49种，包括34种细胞角蛋白和15种毛发角蛋白。Ⅰ型角蛋白也叫酸性角蛋白，包括细胞角蛋白（K9、K10、K12～K20和K23）和毛发角蛋白（Ha1～Ha8）。Ⅱ型角蛋白也叫碱性角蛋白，包括细胞角蛋白（K1～K8）和毛发角蛋白（Hb1～Hb6）等。角蛋白15是小分子角蛋白家族成员之一，为Ⅰ型酸性角蛋白，分子质量为52 kD，在表皮干细胞的研究中具有重要意义[3]。本文就K15的发现、基因表达和调控以及作为干细胞标志的可靠性综述如下。

1 K15在表皮细胞中的表达

K15首次被提到有可能作为表皮干细胞标记是在关于交叉关联的单克隆抗体C8/144B的报道中，显示染色的时候首先被着色的部位是毛囊隆突部位，而与之交叉反应的蛋白是K15[4]。这些隆突部位的细胞表现出一系列干细胞特点：慢周期型，迅速分裂和增殖，高水平表达β 1 整合素，也能够表达表皮干细胞标记物K19[5]。研究发现短暂增殖细胞中K19表达更明显，β1整合素表达不明显，所以K19更适合用来标记短暂增殖细胞[6]。而K15阳性的细胞β1整合素也成阳性[7]，所以K15能够显示细胞的未分化状态，可以作为干细胞标记物。

2 K15在表皮细胞中的功能

在正常表皮细胞，K5、K14和 K15只存在于增生的基底层部位，为共表达关系。当这些细胞向表皮移行变成终末分化细胞的时候，上述角蛋白停止表达。K15是基底部特异的蛋白支架成分之一，其主要功能是为基底层提供支撑。研究表明，在人类胚胎发育过程中，K15是最早表达的与分层有关的角蛋白之一，可以在上皮细胞的各个层面表达，也可以与K5、K14在成年人表皮细胞中继续表达[8]。但是K15只在成年人表皮细胞毛囊隆突部位表达，而相对于在胚胎中连续表达相比，它对基底层结构完整性的作用只发生在生长发育过程中而不是成年后[9]。因此K15在成年人皮肤中应该还具有其他功能，该功能属于选择性表达，但是具体作用尚不清楚。考虑到K15在胚胎发育过程中表达，并作为基底部特异的蛋白支架成分，推测K15不表达的胚胎无法存活。

大疱性表皮松解症 (epidermolysis bullosa) 是以皮肤和黏膜对机械损伤易感并形成大疱为特征的多基因遗传性皮肤病，为典型的侵及皮肤基底膜区的疾病。K5和K14的作用是为复层上皮细胞基底层结构作支撑，其基因发生突变是发生大疱性表皮松解症的主要病因。K5作为基底层唯一的Ⅱ型角蛋白无法被其他角蛋白所替代。在基底层，缺乏K5将通过泛素化使所有Ⅰ型角蛋白全部丢失，导致角质细胞基底层缺乏角蛋白纤维，整个基底层结构动摇[10]。目前，尚未见大疱性表皮松解症患者完全缺乏K5的报道，推测K5缺乏的胚胎无法成活；但是K14缺乏可以被K15所补偿。在大疱性表皮松解症患者中，当K14基因完全不表达的时候，K15表达量会提高，以弥补K14功能的缺失。有研究人员观察到K14基因敲除的小鼠不受食管癌的影响，但是皮肤会起泡，其原因归结于K15在食管的高水平表达[11]。因此，人们假设，在K14缺失的时候，K15会以高水平的表达来弥补K14缺失带来的功能上的缺陷。在4例缺乏K14的大疱性表皮松解症患者的观察中发现，K15表达水平上调，K5和K15可以形成一对聚合体，但是这对聚合体只能形成6 nm的纤维束来替代成熟的10 nm的纤维束[12]。此结果被类似研究验证。但是也有一些研究提出K15没有这样的补偿功能。一位同样以表皮中完全缺乏K14为特征的大疱性皮肤松解症患者，其K15并没有补偿性增加，也没有与K5形成聚合体[13]。所以，目前K15能否补偿K14缺失带来的功能丢失还有待进一步验证。

3 K15是干细胞专一性转录因子FOXM1的靶点

人类FOXM1蛋白隶属于winged-helix转录因子家族，该家族在人类基因组中至少有50个特异的FOX基因被发现[14]。转基因和基因敲除小鼠的研究确认了FOXM1在细胞周期调控、细胞生死、胚胎发育、人体组织细胞的平衡、器官的再生和老化中的关键作用[15]。研究显示，FOXM1对于裸鼠通过多潜能基因Oct4、Nanog和Sox2维持干细胞自我更新的能力起着重要作用[16]。K15是干细胞相关因子FOXM1的上游靶点，在体外培养中，FOXM 1基因通过激活K15而促进正常表皮细胞的扩增和增殖。FOXM 1基因可以结合在K15引物的位置。有学者用染色质免疫共沉淀的方法把FOXM 1表达的蛋白结合在角质细胞K15基因引物的位置[17]。这个发现印证了FOXM 1和K15在表皮细胞网织层和毛囊隆突部位共表达[18]。

4 K15作为干细胞标记物的可靠性

尽管有确凿的证据证明K15可以作为干细胞标记物[4]，但其可靠性还是受到质疑。例如，K15被发现在羊的毛囊外根鞘中表达，而没有出现在有干细胞存在的毛囊隆突部位[19]。K15还表达于人头发毛囊的外根鞘，以及表皮基底层和小汗腺等部位[20]。此外在口腔内部和阴道上皮基层组织也不间断地表达K15[21]。这些表达K15的细胞可能不都是干细胞。Porter等[22]提出将K15作为侧向分化的表皮角质细胞的标记。还有研究显示基底层高表达的K15可能并非只标记表皮干细胞，也许是这个地方发生了特异的分化活动[23]。

5 总 结

K15是基底部特异的蛋白支架成分之一，在表皮干细胞分化各个阶段发挥了重要作用，被用来作为区分表皮干细胞分化与否的标记[24]。综上所述，很多文献指出K15可以作为表皮干细胞的标记，但是目前也有部分研究对K15的这一作用提出了质疑，因此还需要做更深入的探索，为其作为表皮干细胞标记物提供更多的支持。

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2015-05-05)

国家973计划资助项目（2012CB518105）；国家自然科学基金面上项目（81121004, 81230041, 81171798）

张翠萍（E-mail: zcp666666@sohu.com）付小兵（E-mail: fuxiaobing@vip.sina.com）