角蛋白的生物學(xué)功能及其在口腔疾病中的研究進(jìn)展

臧文麗，李佳博，潘亞萍

角蛋白(keratin，K)是上皮細(xì)胞中間絲的主要組成成分，占細(xì)胞總蛋白的17%～27%[1]。角蛋白在細(xì)胞內(nèi)形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)錨定整個(gè)細(xì)胞，通過(guò)細(xì)胞橋粒的斑蛋白鏈接周?chē)?xì)胞，通過(guò)半橋粒的網(wǎng)蛋白鏈接細(xì)胞及其附件底物，對(duì)維持上皮細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞間連接起主要作用[2-3]。除此之外，越來(lái)越多的證據(jù)表明角蛋白可以靶向作用于下游目的基因，調(diào)控多種細(xì)胞生物學(xué)功能，如細(xì)胞凋亡、增殖、遷移和傷口愈合等[4-6]。角蛋白基因突變和異常表達(dá)參與調(diào)控多種疾病，包括炎癥、腫瘤等。早期研究認(rèn)為角蛋白在皮膚中特異性表達(dá)，目前發(fā)現(xiàn)其作為免疫調(diào)節(jié)分子在多種上皮組織中均有表達(dá)，對(duì)炎癥的發(fā)生發(fā)展以及腫瘤的多種生物學(xué)行為具有重要意義，成為炎癥和腫瘤新的治療靶點(diǎn)。近年來(lái)，隨著角蛋白在口腔領(lǐng)域的廣泛研究，其在口腔疾病中的作用得到了極大關(guān)注?，F(xiàn)就角蛋白生物學(xué)功能及其在口腔疾病中發(fā)揮的調(diào)控作用作一綜述，以期為角蛋白在口腔領(lǐng)域中的進(jìn)一步研究提供思路與線(xiàn)索。

1 角蛋白概述

1.1 角蛋白的分子結(jié)構(gòu)和分類(lèi)

角蛋白是一類(lèi)最復(fù)雜的中間絲蛋白，目前為止已鑒定出54種角蛋白。根據(jù)氨基酸序列和等電點(diǎn)，可將角蛋白分為Ⅰ型酸性角蛋白和Ⅱ型堿性角蛋白兩大類(lèi)。Ⅰ型酸性角蛋白相對(duì)分子質(zhì)量較小為40～57 ku，其基因定位于染色體17q21.2(K18除外)，包括角蛋白K9～K40；Ⅱ型堿性角蛋白相對(duì)分子質(zhì)量較大為50～70 ku，其基因定位在染色體12q13.13(包括K18)，包括角蛋白K1～K8、K71～K86[7]。所有的角蛋白均由1個(gè)中心α-螺旋桿結(jié)構(gòu)域和位于其N(xiāo)—末端和C—末端的可變末端結(jié)構(gòu)域組成[8]。在細(xì)胞中角蛋白通常以Ⅰ/Ⅱ型配對(duì)的形式表達(dá)(K19除外)，Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白相互作用形成異二聚合體，兩個(gè)二聚體反向平行交錯(cuò)排列形成四聚體，進(jìn)而形成10 nm中間絲，參與細(xì)胞骨架形成[9]。

1.2 角蛋白的組織分布

角蛋白的組織分布有高度的特異性，不同類(lèi)型的上皮細(xì)胞表達(dá)的角蛋白主要隨上皮細(xì)胞種類(lèi)、分布以及分化程度而不同[10]。K8/K18、K19主要在單層上皮細(xì)胞中表達(dá)。K5/K14在分層的鱗狀上皮細(xì)胞中形成主要的角蛋白對(duì)，在復(fù)雜上皮和腺上皮組織的基底和肌上皮細(xì)胞中也有表達(dá)[11]。在口腔中，健康的口腔上皮組織根據(jù)是否角化分為角化上皮(包括牙齦、硬腭)和非角化上皮(包括頰黏膜、軟腭)。軟腭角化上皮細(xì)胞主要表達(dá)角蛋白K1/K10、K6/K16等，非角化上皮細(xì)胞主要表達(dá)角蛋白K4/K13、K19等[12]，而K5/K14在二者中均有表達(dá)。

1.3 角蛋白的生物學(xué)功能

角蛋白種類(lèi)較多，具有多種生物學(xué)功能，但是每種角蛋白的功能并非特定，一種角蛋白可能參與多種生物學(xué)功能。其一，角蛋白對(duì)上皮細(xì)胞具有一定的保護(hù)作用。角蛋白通過(guò)將核膜、質(zhì)膜以及橋粒等細(xì)胞間或細(xì)胞與基質(zhì)的黏附結(jié)構(gòu)相連，維持上皮細(xì)胞的完整性和連續(xù)性[13]。其二，角蛋白參與調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞凋亡過(guò)程。凋亡相關(guān)因子(factor associated suicide，F(xiàn)as)是一種促細(xì)胞凋亡跨膜糖蛋白，通過(guò)下游的接頭蛋白Fas相關(guān)死亡域蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain，F(xiàn)ADD)，與含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-8(cysteinyl aspartate specific proteinase-8, caspase-8)等蛋白形成死亡誘導(dǎo)復(fù)合物，在細(xì)胞凋亡信號(hào)通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用。Gilbert等[14]發(fā)現(xiàn)單層上皮細(xì)胞表達(dá)的角蛋白K8/K18可以靶向減弱Fas的表達(dá)從而調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡過(guò)程。其三，角蛋白參與調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞增殖過(guò)程。Alam等[15]的研究證實(shí)角蛋白K5/K14通過(guò)磷酯酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)通路在上皮基底層細(xì)胞增殖中起重要作用。此外，Paramio等[16]認(rèn)為角蛋白K10作為細(xì)胞周期負(fù)調(diào)控因子也與細(xì)胞增殖密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)K10可通過(guò)PI3K通路調(diào)控細(xì)胞周期，導(dǎo)致進(jìn)入G1期細(xì)胞增加而S期細(xì)胞減少，抑制細(xì)胞增殖。其四，角蛋白參與調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞遷移過(guò)程。K6是一種傷口誘導(dǎo)的角蛋白，Rotty等[17]的研究顯示在傷口邊緣處，K6同工型角蛋白K6a、K6b及其異二聚體配體Ⅰ型角蛋白K16、K17誘導(dǎo)產(chǎn)生，通過(guò)與Src酪氨酸蛋白激酶相互作用，影響細(xì)胞基質(zhì)黏附的能力進(jìn)而調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞遷移過(guò)程。其五，角蛋白還參與調(diào)節(jié)多種免疫炎癥反應(yīng)過(guò)程。Chung等[18]的研究表明K17與異質(zhì)核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein, hnRNPK)和自身免疫調(diào)節(jié)因子(autoimmune regulator，AIRE)相互作用調(diào)控包括趨化因子CXCL9(Cys-X-cys ligand 9)、CXCL10、CXCL11在內(nèi)的多種免疫炎癥反應(yīng)相關(guān)因子的表達(dá)，進(jìn)而參與多種免疫炎癥反應(yīng)過(guò)程。

2 角蛋白與口腔疾病

2.1 角蛋白與牙周炎

牙周炎是一種以牙周支持組織炎癥為特征的慢性感染性疾病，具體表現(xiàn)為牙齦紅腫、牙周袋形成、附著喪失以及牙槽骨吸收等，是成人失牙最主要的原因[19]。牙齦上皮作為牙周致病菌攻擊牙周組織的首道屏障，在牙周炎的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色[20]。牙齦上皮細(xì)胞是牙齦上皮組織的重要組成部分，具有強(qiáng)大的自我更新和修復(fù)能力。近來(lái)有許多研究表明，牙齦上皮細(xì)胞中角蛋白異常表達(dá)與牙周炎在病因及進(jìn)展上存在一定聯(lián)系。因此，研究角蛋白對(duì)牙周組織的影響機(jī)制,對(duì)深入理解牙周炎的發(fā)病機(jī)制至關(guān)重要。

2.1.1 角蛋白參與破壞上皮屏障 牙齦上皮主要包括口腔上皮、溝內(nèi)上皮和結(jié)合上皮三部分。其中非角化的結(jié)合上皮呈領(lǐng)圈狀附著于牙頸部，通過(guò)基底板和半橋粒與牙面相附著，具有快速的分裂能力，在宿主牙周防御反應(yīng)中發(fā)揮著積極作用[21]。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合上皮細(xì)胞內(nèi)角蛋白的表達(dá)對(duì)維持結(jié)合上皮的完整性和發(fā)揮屏障功能具有重要意義，其異常表達(dá)會(huì)導(dǎo)致結(jié)合上皮防御功能破壞加速牙周炎的發(fā)生發(fā)展。P?ll?nen等[22]通過(guò)對(duì)比重度牙周炎患者和牙周健康者牙齦上皮組織樣本發(fā)現(xiàn)，牙周炎患者牙齦上皮組織中K17表達(dá)明顯上調(diào)，且K17通過(guò)參與抑制細(xì)胞分裂過(guò)程，誘導(dǎo)結(jié)合上皮細(xì)胞從牙面脫離導(dǎo)致牙周袋形成、加深，但其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。K19是具有高增殖活性上皮細(xì)胞的特異性標(biāo)記物，通常在健康的牙齦組織中不表達(dá)，然而有報(bào)道稱(chēng)在牙周袋形成加深過(guò)程中牙齦上皮組織內(nèi)K19表達(dá)顯著增加[23]。Nagarakanti等[24]也觀察到在牙周炎患者結(jié)合上皮組織中K19表達(dá)顯著上調(diào)，并與牙周炎的嚴(yán)重程度相關(guān)。雖然其致病機(jī)制尚不清晰，但是他們認(rèn)為K19表達(dá)升高可能是導(dǎo)致結(jié)合上皮向根方異常增殖，牙周袋形成加深的主要原因之一。此外，K19表達(dá)升高也可能與有利于牙周致病菌菌毛黏附于細(xì)胞骨架從而增強(qiáng)其致病性有關(guān)。牙周致病菌是引發(fā)牙周炎的始動(dòng)因子，通過(guò)間接或直接黏附于某些特定口腔上皮表面，干擾宿主防御能力，引發(fā)牙周組織的破壞。隨著角蛋白在口腔領(lǐng)域的深入研究，牙周致病菌對(duì)角蛋白表達(dá)的影響也備受學(xué)者關(guān)注。伴放線(xiàn)聚集桿菌是證據(jù)充分的牙周致病菌之一[25]。Beklen等[26]研究發(fā)現(xiàn)伴放線(xiàn)聚集桿菌感染能夠降低牙齦結(jié)合上皮細(xì)胞內(nèi)角蛋白K4、K13以及總角蛋白的表達(dá)。分析認(rèn)為總角蛋白表達(dá)降低能夠加速細(xì)胞間連接破壞，導(dǎo)致牙周袋形成，以利于菌斑微生物堆積加速炎癥發(fā)生。

2.1.2 角蛋白參與誘導(dǎo)免疫炎癥反應(yīng) 牙齦卟啉單胞菌是慢性牙周炎病變部位最主要的優(yōu)勢(shì)菌，能夠產(chǎn)生多種毒力因子(如牙齦素、內(nèi)毒素、有機(jī)酸等)刺激牙周組織細(xì)胞，引起免疫炎癥反應(yīng)[27]，其中賴(lài)氨酸特異性牙齦素(Lysine-specific gingipain，Kgp)是目前研究的熱點(diǎn)。Tancharoen等[28]研究發(fā)現(xiàn)牙齦卟啉單胞菌分泌的Kgp可以通過(guò)靶向降解牙齦上皮細(xì)胞內(nèi)角蛋白K6產(chǎn)生K6片段(keratin 6 fragment，K6F)，K6F通過(guò)激活有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子白介素6(Interleukin-6，IL-6)、IL-8以及單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)分泌，進(jìn)而引起單核細(xì)胞募集參與牙周免疫炎癥反應(yīng)。

因此，牙齦上皮組織內(nèi)角蛋白的表達(dá)會(huì)受到牙周致病菌等外來(lái)刺激的影響，且角蛋白異常表達(dá)可能通過(guò)影響上皮屏障、細(xì)胞增殖、細(xì)菌黏附以及免疫炎癥因子表達(dá)等途徑參與牙周炎的發(fā)生發(fā)展。

2.2 角蛋白與口腔腫瘤

近年來(lái)隨著角蛋白的多種生物學(xué)功能逐漸被發(fā)現(xiàn)，其在腫瘤疾病發(fā)生發(fā)展中的作用也越來(lái)越受到學(xué)者關(guān)注。據(jù)報(bào)道，口腔上皮細(xì)胞內(nèi)角蛋白表達(dá)的改變與口腔鱗狀細(xì)胞癌的發(fā)生密切相關(guān)。K8/K18主要在單層上皮細(xì)胞中表達(dá)，在分層的口腔鱗狀上皮細(xì)胞中幾乎不表達(dá)。然而，研究發(fā)現(xiàn)K8/K18在口腔鱗狀細(xì)胞癌患者癌變組織中表達(dá)顯著上調(diào)，且調(diào)控腫瘤的進(jìn)展和侵襲[29]。Fillies等[30]通過(guò)組織微陣列和免疫組化法分析308例經(jīng)組織學(xué)證實(shí)并經(jīng)手術(shù)治療的口腔鱗狀細(xì)胞癌患者的角蛋白表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)K8/K18的表達(dá)與臨床預(yù)后不良顯著相關(guān)。利用shRNA敲除口腔鱗癌細(xì)胞K8基因后，細(xì)胞致瘤潛力、侵襲性以及運(yùn)動(dòng)性均顯著降低，同時(shí)伴隨著α6β4整聯(lián)蛋白及所依賴(lài)的信號(hào)傳導(dǎo)表達(dá)降低。α6β4整聯(lián)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)在上皮組織腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，因此推測(cè)α6β4整聯(lián)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)可能是K8/K18促進(jìn)口腔鱗癌惡性轉(zhuǎn)化和進(jìn)展的機(jī)制之一[31]。目前，K8/K18作為腫瘤標(biāo)志物廣泛用于癌癥的檢測(cè)和鑒定。此外，有學(xué)者通過(guò)對(duì)比口腔鱗狀細(xì)胞癌組、原位癌組、上皮異常增生組和健康對(duì)照組口腔上皮組織樣本角蛋白表達(dá)情況后發(fā)現(xiàn)，鱗狀細(xì)胞癌和原位癌病組上皮細(xì)胞內(nèi)K17表達(dá)顯著升高，而在上皮異常增生和健康對(duì)照組上皮細(xì)胞內(nèi)無(wú)表達(dá)，結(jié)果提示K17也與口腔癌的發(fā)生密切相關(guān)[32]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，K17通過(guò)誘導(dǎo)14-3-3σ蛋白易位激活蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)通路，進(jìn)而導(dǎo)致癌細(xì)胞過(guò)度增殖。K76是一種Ⅱ型角蛋白，主要在口腔分層上皮細(xì)胞中表達(dá)[33]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)K76是口腔鱗癌細(xì)胞中顯著下調(diào)的基因，其表達(dá)降低會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs)增加和促炎細(xì)胞因子IL-18分泌上調(diào)，通過(guò)引起炎癥反應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)致癌作用[34]。

2.3 角蛋白與口腔黏膜病

口腔黏膜表面被覆復(fù)層鱗狀上皮，在上皮更新過(guò)程中，上皮細(xì)胞通過(guò)表達(dá)角蛋白等結(jié)構(gòu)蛋白形成了細(xì)胞骨架等重要結(jié)構(gòu)，對(duì)維持黏膜上皮的完整性和連續(xù)性有著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，角蛋白基因的突變可導(dǎo)致多種口腔黏膜上皮病變，如白色海綿狀斑痣等[35-36]。近來(lái)也有許多研究表明，黏膜上皮細(xì)胞中角蛋白異常表達(dá)與一些口腔黏膜癌前病變?cè)诓∫蚣凹膊≡\斷上存在一定關(guān)聯(lián)，其中扁平苔蘚和白斑較為常見(jiàn)?？谇槐馄教Π_是一種病因尚不明確的口腔黏膜炎癥性疾病，具有反復(fù)發(fā)作、久治不愈的特征[37]。Liao等[38]通過(guò)分析扁平苔蘚患者組和健康對(duì)照組的口腔上皮組織樣本，發(fā)現(xiàn)扁平苔蘚患者組黏膜上皮角蛋白K1/K10表達(dá)顯著升高；同時(shí)炎癥相關(guān)的兩種蛋白酶中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶(neutrophil elastase，NE)和基質(zhì)金屬蛋白酶12(matrix metalloproteinase 12，MMP12)表達(dá)也明顯升高。研究認(rèn)為，蛋白酶與K1/K10的表達(dá)呈明顯的正相關(guān)性，NE和MMP12通過(guò)作用于K1/K10誘導(dǎo)口腔黏膜過(guò)度角化，參與口腔黏膜炎癥反應(yīng)。此外，Schreurs等[39]研究發(fā)現(xiàn)，與健康的黏膜組織相比較，扁平苔蘚病變組織中K8/K18以及K19的表達(dá)明顯降低，同時(shí)伴隨著腫瘤壞死因子受體相關(guān)死亡域蛋白(tumor necrosis factor receptor type 1 -associated death domain，TRADD)和FAS相關(guān)死亡域蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain，F(xiàn)ADD)表達(dá)上調(diào)。K8/K18復(fù)合物通過(guò)與細(xì)胞死亡信號(hào)通路相關(guān)蛋白TRADD和FADD結(jié)合，阻礙細(xì)胞死亡信號(hào)通路傳導(dǎo)。Schreurs等認(rèn)為當(dāng)扁平苔蘚病變組織中K8/K18表達(dá)下調(diào)能夠?qū)е滤劳鲂盘?hào)通路相關(guān)蛋白TRADD和FADD釋放，使得基底層角質(zhì)形成細(xì)胞更易受到死亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路影響，抑制受損上皮自我更新修復(fù)的能力，使得外界的致病因素進(jìn)一步刺激黏膜，推動(dòng)疾病的發(fā)展?？谇话装呤菄?guó)際公認(rèn)的口腔潛在惡性疾病，每年有3.28%的口腔白斑向口腔鱗狀細(xì)胞癌惡性轉(zhuǎn)化[40]。Nanda等[29]分別收集了口腔鱗狀細(xì)胞癌患者、口腔白斑患者以及健康對(duì)照者口腔上皮組織，通過(guò)免疫組織化學(xué)法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)角蛋白K8/K18在腫瘤組織及白斑組織中表達(dá)明顯上調(diào)。研究認(rèn)為上皮細(xì)胞內(nèi)異常表達(dá)的K8/K18通過(guò)減弱Fas誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程調(diào)節(jié)細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化[14]。de Camisasca等[41]發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，白斑組患者上皮組織內(nèi)及唾液中K10表達(dá)顯著升高。研究認(rèn)為白斑上皮組織及唾液中K10表達(dá)升高可能與半胱氨酸蛋白酶的活性增高相關(guān)，且唾液中K10水平的檢測(cè)可作為一種高效的監(jiān)測(cè)工具先于臨床檢測(cè)方法用于判定是否處于癌前病變。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，角蛋白在細(xì)胞凋亡、增殖、遷移以及免疫炎癥反應(yīng)等環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用，維持細(xì)胞正常的生理功能。在受到細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物、機(jī)械應(yīng)力等不良因素刺激時(shí)，角蛋白的表達(dá)發(fā)生改變，參與調(diào)控炎癥及腫瘤等疾病。目前，角蛋白在口腔領(lǐng)域的研究多集中在腫瘤及黏膜疾病方面，而關(guān)于角蛋白在牙周炎發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制研究仍處于起步階段。深入探討角蛋白在口腔疾病中的作用及致病機(jī)制，將為拓展口腔疾病診治提供新的靶點(diǎn)和思路。