李帅 张建忠 栗玉珍

角蛋白16在皮肤屏障功能中的作用

李帅 张建忠 栗玉珍

角蛋白16是表皮角质形成细胞主要的结构蛋白之一，在维持细胞功能及皮肤屏障功能方面起着重要作用。角蛋白16的表达不仅高度依赖角质形成细胞状态和分化程度，在不同类型的上皮细胞内表达程度也不同，当角蛋白16的表达异常时，病变部位的皮肤屏障功能会受到不同程度的破坏，未受累皮肤的屏障功能也会受到影响，不仅皮肤渗透屏障功能受到影响，还会引起皮肤炎症反应和免疫反应，导致机体受到进一步损害。

角蛋白16；角蛋白细胞；渗透；免疫；屏障

1 角蛋白16的结构、功能、基因表达

1.1 结构：角蛋白是中间丝蛋白家族的一员，相对分子质量为40 000～70 000。根据角蛋白氨基酸序列、电荷及免疫特性将角蛋白分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型角蛋白多为酸性角蛋白，相对分子质量为40 000～64 000，PI为 4.7 ～ 6.1。Ⅱ型角蛋白多为中性或碱性角蛋白，相对分子质量52 000～68 000，PI为5.4～8.4（角蛋白 16、10）。角蛋白 16 与其他角蛋白一样成对出现。但不像其他角蛋白纤维由Ⅰ型、Ⅱ型以1∶1比例聚合成异源二聚体，而是通过角蛋白纤维延伸、聚合形成同源二聚体，在角质形成细胞中发挥作用［1］。

1.2 功能：角蛋白由多基因家族编码，是脊椎动物上皮细胞主要结构蛋白之一，在细胞质中形成复杂的10 nm细胞纤维网络系统，维持细胞和组织的结构和功能［2］，并以精细、独特方式调节角质形成细胞的最终分化。离体实验发现，角蛋白16形成的二聚体与其反平行的二聚体形成稳定四聚体。这些高效四聚体在细胞质中形成，确保这些角蛋白纤维在细胞核周围聚合成10 nm细胞纤维网络系统，发挥其特定作用。已有证据支持四聚体形成是角蛋白亚基形成聚合物池的必要途径。体外研究表明，角蛋白16具有独特的性能，可以驱动蛋白影响组织结构［3］。总之，角蛋白16的调节，取决于上皮组织类型及其终末分化，其表达异常会对皮肤产生不良影响。

1.3 基因表达：角蛋白基因位点集簇于染色体的两个区域，大部分Ⅰ型角蛋白基因位于染色体17q21，Ⅱ型角蛋白基因位于染色体12q13。两型角蛋白基因结构相似，但不同的角蛋白基因核酸序列大不相同，因此角蛋白的功能各不相同。

表皮生长因子（EGF）对角蛋白16基因表达起重要作用。研究表明，EGF介导角蛋白16基因表达主要是通过有丝分裂原激活的蛋白激酶介导的细胞外信号调节激酶1和2信号转导通路。c-Jun的COOH端和p300在EGF诱导角蛋白16表达也起了举足轻重的作用［4］。另外 EGF对角蛋白16基因表达可以被病毒蛋白E1A阻碍。

通过诱导角蛋白16启动子Sp1结合位点（127to 122 bp）和AP1结合位点（148 to 142 bp）点突变能够明显抑制由EGF介导的角蛋白16启动子的活性。由此可以看出，位于启动子位点的Sp1和AP1在EGF介导的角蛋白16表达过程中起重要作用。总之，在银屑病、特应性皮炎（AD）和肿瘤等皮肤屏障功能受损的病变中，Sp1、AP1、c-Jun、共同激活因子p300/CBP在调控EGF介导的角蛋白16基因表达起重要作用。

作者单位：150086哈尔滨医科大学附属第二医院皮肤科

2 角蛋白16在皮肤屏障功能中的作用

皮肤屏障功能主要包括渗透屏障功能和免疫屏障功能。表皮屏障功能的维持不仅依赖于角蛋白与脂类共价连接，还依赖于细胞间的紧密连接蛋白及相关蛋白紧密连接。此外，桥粒芯蛋白1与角膜锁链蛋白交叉处存在于角质层，与角蛋白相互作用增强表皮的屏障功能［5］。角蛋白在维持表皮屏障功能有重要作用。

2.1 渗透屏障：无细胞核的角质形成细胞和细胞间的基质是维持表皮渗透屏障的两个关键元素。角蛋白16过度表达可导致表皮松解角化过度症发病，其渗透屏障功能遭到严重破坏。角蛋白16过度表达的转基因小鼠皮损也与表皮松解性角化过度症皮损相似。研究发现，角蛋白16高表达小鼠表皮水分丧失增加两倍以上，其屏障功能修复速度较角蛋白16不表达的小鼠和正常小鼠也延迟2倍。这些研究表明，角蛋白16不仅维持细胞结构、决定细胞分化，也会延迟屏障功能恢复速度［6］。

AD常伴随着角蛋白16的高表达，该病患者病变部位皮肤渗透屏障功能严重受损，未受累皮肤屏障功能也会受到不同程度破坏。在AD患者中，受累皮肤较正常皮肤明显变薄，化学敏感性增加，病变皮肤表皮水分丧失是非病变皮肤的2～5倍。在AD患者皮损和非皮损部位检测到表皮鞘磷脂酶、DNA的合成、丝聚蛋白和角蛋白的表达与正常皮肤有明显区别。N鞘磷脂酶的活性在AD患者的皮损内显著降低，从而影响角蛋白正常表达，导致皮肤屏障功能进一步受损。在AD患者皮损与非皮损部位还可以检测到角蛋白16和角蛋白5的高表达，角蛋白6和角蛋白17仅在受损的皮肤中高表达。大麻受体介导的信号能够抑制角蛋白16在AD患者中的表达，也证明了角蛋白16与AD发病有必然的联系［7］。

角蛋白16对维护和修复表皮屏障功能也有重要作用。角蛋白16过度表达减少细胞连接的数量，导致细胞松解，直接影响屏障功能。角蛋白16过度表达破坏脂类和酶分泌方式，导致其不能及时分泌到角质形成细胞间隙，还影响着角蛋白6、角蛋白17表达水平，间接影响屏障修复的效率。

2.2 免疫屏障：

2.2.1 角蛋白 16对损伤相关分子模式（DAMPS）的调节：表皮的免疫屏障是指表皮受到损害时通过调控炎症反应和免疫反应［8］维持机体健康的方式。当机体受到损害时，角质形成细胞首先发出第一信号DAMPS 或“警戒素”（alarmins），在皮肤屏障功能受到威胁时启动一系列防御［9］。DAMPS是包括S100在内的一个多元化家族蛋白群体，包括抗菌肽、细胞选择因子和趋化因子等，在病原体入侵时由角质形成细胞直接分泌。当皮肤受到损害时，DAMPS还能通过激活免疫细胞（例如树突细胞，中性粒细胞，巨噬细胞，T细胞）、调节细胞因子产生途径增强皮肤屏障功能［10］。

角蛋白16是丝裂原活化蛋白激酶和EGF调节的靶向基因［11］，其表达程度决定了DAMPS的水平；角蛋白16还是核因子E2相关因子（Nrf）2转录因子的直接目标。Nrf2是皮肤中活性氧簇和氧化反应的主要调节因子。在大龄鼠中，Nrf2的异常调节会增加肿瘤的发生率［12］，加重皮肤的炎症反应继而影响皮肤屏障功能［13］；在子宫内，Nrf2通过调节Sprr2d和Sprr2h促进表皮屏障功能的修复［14］。用12-〇-十四烷酰佛波醋酸酯-13处理角蛋白16基因敲除小鼠的耳部，可以观察到高水平的Sprr2d和血红素氧合酶-1，表明 Nrf2介导氧化反应的激活，说明了角蛋白16在角质形成细胞中的防御作用。

2.2.2 角蛋白16对角蛋白1、6、17的介导：角蛋白16不仅调节DAMPS，还会加快角质形成细胞介导角蛋白1、6和17转录。这些角蛋白不仅维持着角质形成细胞的物理韧性，保障表皮屏障功能也发挥着重要作用。角蛋白1、Ⅱ型角蛋白表达于表皮分化层，可以控制炎症活动，影响角质形成细胞对白细胞介素（IL）18、S100A8和S100A9的分泌量。角蛋白6通过与Src激酶相互作用影响细胞迁移［15］，而角蛋白17挽救受损的角质形成细胞，增加其存活率，促进其生长。Th1/Th17是占主导地位的免疫因子，可以预防皮肤基底样肿瘤的发生［16］。

2.2.3 角蛋白16激活调节通路：当皮肤受到外界的刺激时，角蛋白16还参与了调节通路的激活。角质形成细胞分化过程中，IL-1a参与多肽类基因转录，与丝裂原活化蛋白激酶［17］相互作用刺激角质形成细胞增殖和表皮炎症产生。当角蛋白16缺失时，IL-1a信号通路的异常和炎症回馈增强，导致皮肤屏障功能进一步损害。而且IL-1a受体、EGF受体存在于生物膜表面［18］，随着角蛋白 6 变化而发生变化［15，18］。当角蛋白16缺乏时，生物膜表面的一些激酶不能够将外界的刺激与Erk1/2、细胞因子及时联系一起［19］，导致机体损害加剧。角蛋白16的缺失还会导致炎症细胞包括CD4+T细胞，单核细胞，巨噬细胞和中性粒细胞聚集，很少出现在无毛囊结构皮肤中的CD207+朗格汉斯细胞也会在病变区聚集［20］。

2.2.4 角蛋白16转基因小鼠受到化学或物理刺激时DAMPS的表达：实验表明，K16基因敲除小鼠受到急性炎症或物理刺激时，表皮的屏障功能会受到严重损伤，这是由于角质形成细胞中缺乏角蛋白16，无法正常调节体内提呈的危险信号，导致过度表达DAMPS和皮肤屏障功能相关的调节因子。这些研究结果揭示了角蛋白16在先天性免疫中的作用。各种对皮肤的刺激可导致角蛋白16早期激活，说明角蛋白16与皮肤急性炎症的发展有着重要联系［21］。

用12-〇-十四烷酰佛波醋酸酯-13刺激正常小鼠耳朵可导致炎症因子和皮肤屏障功能相关基因高表达，这与角蛋白16基因敲除小鼠前爪病变相似。用12-〇-十四烷酰佛波醋酸酯-13刺激角蛋白16基敲除小鼠的皮肤，基因表达发生折叠性变化并着重突出了DAMP（表皮胸腺基质淋巴细胞生成素、S100A7A、DefB4），细胞因子（CCL5、IL-1α），Sprr2d，HO-1，和SFN的诱导。用丙酮刺激转基因小鼠48 h后，小鼠皮肤屏障功能同样遭到了破坏。角蛋白16基因敲除小鼠的耳部皮肤观察到 IL-1b、Ccl2、Ccl5和血红素氧合酶1 mRNA水平降低，而角蛋白17基因敲除小鼠的皮肤经刺激后，这些mRNA水平未发生明显变化。

2.2.5 遗传学系统分析K16基因、DAMPS与皮肤屏障关系：通过遗传学系统分析K16基因、DAMPS与皮肤屏障关系，证实角蛋白16、DAMPS和皮肤屏障功能调节因子是紧密关联的。在角蛋白16基因敲除小鼠皮肤中，发现角蛋白6a、S100A8、S100A9、DefB3、SerpinB3a和Stfa1异常调节，导致皮肤的屏障功能受损。对全基因组和基因表达谱研究也表明，角蛋白16在炎症和癌症易感性方面起着重要作用［22］。通过电子显微镜可以观察角蛋白16基因敲除小鼠前爪角质形成细胞破裂或裂解也证实了角蛋白16的功能。Ⅰ型角蛋白16和Ⅱ型角蛋白6（6a、6b）突变可以导致先天性厚甲症，其发病的病理生理变化与角蛋白16转基因小鼠相似，屏障功能受到严重损害。

3 结语

角蛋白16在维持皮肤屏障功能方面起重要作用，当其异常表达时，皮肤渗透屏障功能和免疫屏障功能可能会受到影响，从而引起相应的皮肤炎症反应和免疫反应。因此，深入了解角蛋白16在皮肤屏障功能中的作用和意义，可为临床提供更多治疗和预防的靶点。

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Roles of keratin 16 in skin barrier function

Li Shuai,Zhang Jianzhong,Li Yuzhen.Department of Dermatology,Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150086,China

Li Yuzhen,Email:liyuzhen@medmail.com

K16,one of the major structural proteins of keratinocytes,plays an important role in maintaining cellular function and skin barrier function.K16 expression is highly dependent on cellular state and differentiation degree of keratinocytes.Differences exist in K16 expression levels among different types of epithelial cells.When K16 is abnormally expressed,skin barrier function is damaged to different extents at lesional sites,and is also affected in uninvolved skin.Aberrant expression of K16 not only affects skin permeability barrier function,but also causes inflammatory skin reactions and immune responses,resulting in further damage to the human body.

Keratin-16;Keratinocytes;Osmosis;Immunity;Barrier

2014-08-11）

10.3760/cma.j.issn.1673-4173.2016.01.015

栗玉珍，Email:liyuzhen@medmail.com

本文主要缩写：EGF：表皮生长因子，AD：特应性皮炎，DAMPS：损伤相关分子模式，Nrf：核因子-E2相关因子