趙阿龍 張翠萍 趙洪良 趙換軍 譚志軍 付小兵

（1.天津醫(yī)科大學, 天津 300070; 2. 解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院全軍創(chuàng)傷修復與組織再生重點實驗室暨皮膚損傷修復與組織再生北京市重點實驗室，北京 100048）

角蛋白15在表皮干細胞中作用的研究進展

趙阿龍1，2張翠萍2趙洪良2趙換軍1，2譚志軍1，2付小兵2

（1.天津醫(yī)科大學, 天津 300070; 2. 解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院全軍創(chuàng)傷修復與組織再生重點實驗室暨皮膚損傷修復與組織再生北京市重點實驗室，北京 100048）

正常表皮細胞包括表皮干細胞、短暫增殖細胞和其他角質細胞，以表皮干細胞為主的基底層不斷增生分化并向上遷移[1]。表皮干細胞是表皮基底部具有不斷增殖和分化能力的干細胞，對于維持表皮的自我更新和完整性具有重要意義[2]。角蛋白是表皮細胞的結構蛋白，是一類具有支撐和保護功能的纖維狀蛋白質，它們通過直徑為10 nm的微絲在細胞內形成廣泛的網(wǎng)狀結構。不同分化程度的表皮細胞表達不同的角蛋白，目前已知的角蛋白有49種，包括34種細胞角蛋白和15種毛發(fā)角蛋白。Ⅰ型角蛋白也叫酸性角蛋白，包括細胞角蛋白（K9、K10、K12～K20和K23）和毛發(fā)角蛋白（Ha1～Ha8）。Ⅱ型角蛋白也叫堿性角蛋白，包括細胞角蛋白（K1～K8）和毛發(fā)角蛋白（Hb1～Hb6）等。角蛋白15是小分子角蛋白家族成員之一，為Ⅰ型酸性角蛋白，分子質量為52 kD，在表皮干細胞的研究中具有重要意義[3]。本文就K15的發(fā)現(xiàn)、基因表達和調控以及作為干細胞標志的可靠性綜述如下。

1 K15在表皮細胞中的表達

K15首次被提到有可能作為表皮干細胞標記是在關于交叉關聯(lián)的單克隆抗體C8/144B的報道中，顯示染色的時候首先被著色的部位是毛囊隆突部位，而與之交叉反應的蛋白是K15[4]。這些隆突部位的細胞表現(xiàn)出一系列干細胞特點：慢周期型，迅速分裂和增殖，高水平表達β 1 整合素，也能夠表達表皮干細胞標記物K19[5]。研究發(fā)現(xiàn)短暫增殖細胞中K19表達更明顯，β1整合素表達不明顯，所以K19更適合用來標記短暫增殖細胞[6]。而K15陽性的細胞β1整合素也成陽性[7]，所以K15能夠顯示細胞的未分化狀態(tài)，可以作為干細胞標記物。

2 K15在表皮細胞中的功能

在正常表皮細胞，K5、K14和 K15只存在于增生的基底層部位，為共表達關系。當這些細胞向表皮移行變成終末分化細胞的時候，上述角蛋白停止表達。K15是基底部特異的蛋白支架成分之一，其主要功能是為基底層提供支撐。研究表明，在人類胚胎發(fā)育過程中，K15是最早表達的與分層有關的角蛋白之一，可以在上皮細胞的各個層面表達，也可以與K5、K14在成年人表皮細胞中繼續(xù)表達[8]。但是K15只在成年人表皮細胞毛囊隆突部位表達，而相對于在胚胎中連續(xù)表達相比，它對基底層結構完整性的作用只發(fā)生在生長發(fā)育過程中而不是成年后[9]。因此K15在成年人皮膚中應該還具有其他功能，該功能屬于選擇性表達，但是具體作用尚不清楚?？紤]到K15在胚胎發(fā)育過程中表達，并作為基底部特異的蛋白支架成分，推測K15不表達的胚胎無法存活。

大皰性表皮松解癥 (epidermolysis bullosa) 是以皮膚和黏膜對機械損傷易感并形成大皰為特征的多基因遺傳性皮膚病，為典型的侵及皮膚基底膜區(qū)的疾病。K5和K14的作用是為復層上皮細胞基底層結構作支撐，其基因發(fā)生突變是發(fā)生大皰性表皮松解癥的主要病因。K5作為基底層唯一的Ⅱ型角蛋白無法被其他角蛋白所替代。在基底層，缺乏K5將通過泛素化使所有Ⅰ型角蛋白全部丟失，導致角質細胞基底層缺乏角蛋白纖維，整個基底層結構動搖[10]。目前，尚未見大皰性表皮松解癥患者完全缺乏K5的報道，推測K5缺乏的胚胎無法成活；但是K14缺乏可以被K15所補償。在大皰性表皮松解癥患者中，當K14基因完全不表達的時候，K15表達量會提高，以彌補K14功能的缺失。有研究人員觀察到K14基因敲除的小鼠不受食管癌的影響，但是皮膚會起泡，其原因歸結于K15在食管的高水平表達[11]。因此，人們假設，在K14缺失的時候，K15會以高水平的表達來彌補K14缺失帶來的功能上的缺陷。在4例缺乏K14的大皰性表皮松解癥患者的觀察中發(fā)現(xiàn)，K15表達水平上調，K5和K15可以形成一對聚合體，但是這對聚合體只能形成6 nm的纖維束來替代成熟的10 nm的纖維束[12]。此結果被類似研究驗證。但是也有一些研究提出K15沒有這樣的補償功能。一位同樣以表皮中完全缺乏K14為特征的大皰性皮膚松解癥患者，其K15并沒有補償性增加，也沒有與K5形成聚合體[13]。所以，目前K15能否補償K14缺失帶來的功能丟失還有待進一步驗證。

3 K15是干細胞專一性轉錄因子FOXM1的靶點

人類FOXM1蛋白隸屬于winged-helix轉錄因子家族，該家族在人類基因組中至少有50個特異的FOX基因被發(fā)現(xiàn)[14]。轉基因和基因敲除小鼠的研究確認了FOXM1在細胞周期調控、細胞生死、胚胎發(fā)育、人體組織細胞的平衡、器官的再生和老化中的關鍵作用[15]。研究顯示，F(xiàn)OXM1對于裸鼠通過多潛能基因Oct4、Nanog和Sox2維持干細胞自我更新的能力起著重要作用[16]。K15是干細胞相關因子FOXM1的上游靶點，在體外培養(yǎng)中，F(xiàn)OXM 1基因通過激活K15而促進正常表皮細胞的擴增和增殖。FOXM 1基因可以結合在K15引物的位置。有學者用染色質免疫共沉淀的方法把FOXM 1表達的蛋白結合在角質細胞K15基因引物的位置[17]。這個發(fā)現(xiàn)印證了FOXM 1和K15在表皮細胞網(wǎng)織層和毛囊隆突部位共表達[18]。

4 K15作為干細胞標記物的可靠性

盡管有確鑿的證據(jù)證明K15可以作為干細胞標記物[4]，但其可靠性還是受到質疑。例如，K15被發(fā)現(xiàn)在羊的毛囊外根鞘中表達，而沒有出現(xiàn)在有干細胞存在的毛囊隆突部位[19]。K15還表達于人頭發(fā)毛囊的外根鞘，以及表皮基底層和小汗腺等部位[20]。此外在口腔內部和陰道上皮基層組織也不間斷地表達K15[21]。這些表達K15的細胞可能不都是干細胞。Porter等[22]提出將K15作為側向分化的表皮角質細胞的標記。還有研究顯示基底層高表達的K15可能并非只標記表皮干細胞，也許是這個地方發(fā)生了特異的分化活動[23]。

5 總 結

K15是基底部特異的蛋白支架成分之一，在表皮干細胞分化各個階段發(fā)揮了重要作用，被用來作為區(qū)分表皮干細胞分化與否的標記[24]。綜上所述，很多文獻指出K15可以作為表皮干細胞的標記，但是目前也有部分研究對K15的這一作用提出了質疑，因此還需要做更深入的探索，為其作為表皮干細胞標記物提供更多的支持。

［1］李富, 付小兵, 劉文忠. 人表皮干細胞分離培養(yǎng)和純化鑒定的進展[J]. 感染.炎癥.修復, 2008,9(4):240-242.

［2］Lopez-Paniagua M, Nieto-Miguel T, de la Mata A, Galindo S, Herreras JM, Corrales RM, Calonge M. Consecutive expansion of limbal epithelial stem cells from a single limbal biopsy[J]. Current Eye Research, 2013,38(5):537-549.

［3］孫曉艷, 付小兵. 表皮干細胞的研究進展[J]. 感染、炎癥、修復, 2008,9(1):52-54.

［4］Lyle S, Christofidou-Solomidou M, Liu Y, Elder DE, Albelda S, Cotsarelis G. The C8/144B monoclonal antibody recognizes cytokeratin 15 and defines the location of human hair follicle stem cells[J]. J Cell Sci, 1998,111 ( Pt 21):3179-3188.

［5］孫曉艷, 付小兵, 劉惠玲. 去分化來源表皮干細胞與在體表皮干細胞之間的差異分析[J]. 感染、炎癥、修復, 2010,11(1):17-20.

［6］Khanom R, Sakamoto K, Pal SK, Shimada Y, Morita K, Omura K, Miki Y, Yamaguchi A. Expression of basal cell keratin 15 and keratin 19 in oral squamous neoplasms represents diverse pathophysiologies[J]. Histol Histopathol, 2012,27(7):949-959.

［7］Ernst N, Yay A, Biro T, Tiede S, Humphries M, Paus R, Kloepper JE. Beta1 integrin signaling maintains human epithelial progenitor cell survival in situ and controls proliferation, apoptosis and migration of their progeny[J]. PLoS One, 2013,8(12):e84356.

［8］Toivola DM, Boor P, Alam C, Strnad P. Keratins in health and disease[J]. Curr Opin Cell Biol, 2015,32:73-81.

［9］Bose A, Teh MT, Hutchison IL, Wan H, Leigh IM, Waseem A. Two mechanisms regulate keratin K15 expression in keratinocytes: role of PKC/AP-1 and FOXM1 mediated signalling[J]. PLoS One, 2012,7(6):e38599.

［10］Tan KK, Salgado G, Connolly JE, Chan JK, Lane EB. Characterization of fetal keratinocytes, showing enhanced stem cell-like properties: a potential source of cells for skin reconstruction[J]. Stem Cell Reports, 2014,3(2):324-338.

［11］White RA, Neiman JM, Reddi A, Han G, Birlea S, Mitra D, Dionne L, Fernandez P, Murao K, Bian L, Keysar SB, Goldstein NB, Song N, Bornstein S, Han Z, Lu X, Wisell J, Li F, Song J, Lu SL, Jimeno A, Roop DR, Wang XJ. Epithelial stem cell mutations that promote squamous cell carcinoma metastasis[J]. J Chin Invest, 2013,123(10):4390-4404.

［12］Jonkman MF, Heeres K, Pas HH, van Luyn MJ, Elema JD, Corden LD, Smith FJ, McLean WH, Ramaekers FC, Burton M, Scheffer H. Effects of keratin 14 ablation on the clinical and cellular phenotype in a kindred with recessive epidermolysis bullosa simplex[J]. J Invest Dermatol, 1996,107(5):764-769.

［13］Rugg EL, McLean WH, Lane EB, Pitera R, McMillan JR, Dopping-Hepenstal PJ, Navsaria HA, Leigh IM, Eady RA. A functional "knockout" of human keratin 14[J]. Genes Dev, 1994,8(21):2563-2573.

［14］Jackson BC, Carpenter C, Nebert DW, Vasiliou V. Update of human and mouse forkhead box (FOX) gene families[J]. Hum Genomics, 2010,4(5):345-352.

［15］Myatt SS, Lam EW. The emerging roles of forkhead box (Fox) proteins in cancer[J]. Nature Reviews Cancer, 2007,7(11):847-859.

［16］Wang Z, Park HJ, Carr JR, Chen YJ, Zheng Y, Li J, Tyner AL, Costa RH, Bagchi S, Raychaudhuri P. FoxM1 in tumorigenicity of the neuroblastoma cells and renewal of the neural progenitors[J]. Cancer Res, 2011,71(12):4292-4302.

［17］Bose A, Teh MT, Hutchison IL, Wan H, Leigh IM, Waseem A. Two mechanisms regulate keratin K15 expression in keratinocytes: role of PKC/AP-1 and FOXM1 mediated signalling[J]. PLoS One, 2012,7(6):e38599.

［18］Chen T, He S, Zhang Z, Gao W, Yu L, Tan Y. Foxa1 contributes to the repression of Nanog expression by recruiting Grg3 during the differentiation of pluripotent P19 embryonal carcinoma cells[J]. Experi Cell Res, 2014,326(2):326-335.

［19］Troy TC, Arabzadeh A, Turksen K. Re-assessing K15 as anepidermal stem cell marker[J]. Stem Cell Rev, 2011,7(4):927-934.

［20］Abbas O, Mahalingam M. Epidermal stem cells: practical perspectives and potential uses[J]. Br J Dermatol, 2009,161(2):228-236.

［21］Sushma M, Raju YP, Sundaresan CR, Vandana KR, Kumar NV, Chowdary VH. Transmucosal delivery of metformin- a comprehensive study[J]. Curr Drug Deliv, 2014,11(2):172-178.

［22］Porter RM, Lunny DP, Ogden PH, Morley SM, McLean WH, Evans A, Harrison DL, Rugg EL, Lane EB. K15 expression implies lateral differentiation within stratified epithelial basal cells[J]. Lab Invest, 2000,80(11):1701-1710.

［23］Troy TC, Arabzadeh A, Turksen K. Re-assessing K15 as an epidermal stem cell marker[J]. Stem Cell Rev, 2011,7(4):927-934. Zhang RL, Meng JX, Liu CX, Zhang LL, Han D, Cai JJ, Wen

［24］AM. Genome-wide screen of promoter methylation analysis of ES cells and ES derived epidermal-like cells[J]. Cell Biochem Function, 2015,33(6):398-406.

10. 3969/j. issn. 1672-8521. 2015. 03. 016

2015-05-05)

國家973計劃資助項目（2012CB518105）；國家自然科學基金面上項目（81121004, 81230041, 81171798）

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