角蛋白（Keratin）

角蛋白（英语：Keratin）是一类构成中间丝（Intermediate filament）的纤维结构蛋白，是上皮细胞（包括皮肤、毛发、指甲、羽毛、蹄角等）的主要结构成分。根据其基因序列、生化特性和组织分布，可分为酸性角蛋白（Type I， K9-K40）和碱性/中性角蛋白（Type II， K1-K8）两大类，它们以异源二聚体的形式组装成更高级的中间丝网络，为细胞和组织提供机械强度和韧性，并在细胞应激反应、信号转导和创伤愈合中发挥重要作用。

分类与结构

分子分类

1. I型角蛋白（酸性）

   • 包括K9-K40（人类）

   • 分子量较小（40-56 kDa）

   • 等电点偏酸性（pI 4.5-5.5）

   • 主要表达于：毛发、指甲等硬角化组织

2. II型角蛋白（碱性/中性）

   • 包括K1-K8（人类）

   • 分子量较大（53-67 kDa）

   • 等电点偏碱性（pI 6.5-7.5）

   • 主要表达于：表皮、内脏上皮等软组织

结构特征

角蛋白单体具有典型的中间丝蛋白结构：

• 中央α-螺旋杆状区：约310个氨基酸，包含4个高度保守的螺旋段（1A、1B、2A、2B），通过3个非螺旋连接区（L1、L12、L2）连接

• 非螺旋末端结构域：

  • N端结构域（头部区）：大小可变，富含甘氨酸、丝氨酸等

  • C端结构域（尾部区）：富含疏水氨基酸

• 组装层级：

  1. 异源二聚体：1个I型 + 1个II型角蛋白通过中央杆区的卷曲螺旋相互作用

  2. 四聚体：两个二聚体反向平行排列

  3. 原丝：四聚体纵向组装

  4. 原纤维：2条原丝缠绕

  5. 中间丝：4条原纤维缠绕形成10 nm直径的最终纤维

组织特异性表达模式

角蛋白的表达具有严格的组织特异性和分化依赖性，形成"角蛋白对"：

表皮角蛋白

• 基底层：K5/K14（增殖细胞标志）

• 棘层：K1/K10（分化标志，皮肤机械强度的主要提供者）

• 其他特化表达：

  • K6/K16/K17：应激、创伤、病理状态（银屑病、伤口愈合）

  • K2：颗粒层

  • K9：掌跖表皮

单层上皮角蛋白

• 简单上皮：K7/K8/K18/K19/K20

  • K8/K18：肝、胰、肠等内脏上皮

  • K7：导管上皮、间皮

  • K19：干细胞标志（毛囊隆突部、前列腺基底细胞）

硬角蛋白（毛发、指甲）

• 毛发角蛋白：超过50种，如K31-K40（II型）、K81-K86（I型）

• 甲角蛋白：K5/K14（甲床）、K6/K16/K17（甲襞）

生物学功能

1. 结构支撑与机械保护

• 形成密集的细胞骨架网络，抵抗机械应力

• 通过桥粒与相邻细胞连接，形成组织级抗张力系统

• 在毛发、指甲中通过二硫键交联形成不溶性硬质结构

2. 细胞应激反应

• 热休克蛋白伴侣：小分子热休克蛋白（如HSP27）可磷酸化角蛋白，调节其组装

• 在氧化应激、毒素暴露时重新分布，保护细胞器

• K8/K18磷酸化响应有丝分裂信号

3. 信号转导平台

• 通过角蛋白结合蛋白连接信号分子（如14-3-3、蛋白激酶C）

• K17尾部可穿梭入核，调节炎症基因表达

4. 创伤愈合与再生

• K6/K16/K17在伤口边缘快速表达

• 促进细胞迁移和增殖

• 调节炎症反应

临床意义

遗传性角蛋白病

1. 表皮松解性角化过度症

   • KRT1或KRT10突变→K1/K10组装缺陷

   • 临床表现：出生时红皮、水疱，后发展为严重角化过度

2. 单纯型大疱性表皮松解症

   • KRT5或KRT14突变→K5/K14功能丧失

   • 轻微摩擦即导致表皮内水疱（基底层细胞溶解）

3. 先天性厚甲症

   • *KRT6A/B/C*、KRT16、KRT17突变

   • 指甲肥厚、掌跖角化、毛囊角化过度

4. 毛发疾病

   • 单珠状发：K81/K83/K86突变

   • 念珠状发：毛囊角蛋白基因缺陷

角蛋白作为疾病标志物

1. 肿瘤诊断与分型

   • 上皮性肿瘤：CK7、CK20、CK5/6、CK14等组合用于确定原发灶

     • 肺腺癌：CK7+/CK20-

     • 结直肠癌：CK7-/CK20+

     • 鳞癌：CK5/6+

   • 基底样乳腺癌：CK5/6、CK14、CK17阳性

2. 肝病

   • K8/K18突变增加肝病易感性

   • Mallory小体：酒精性肝病中角蛋白异常聚集

3. 炎症性皮肤病

   • 银屑病：K6/K16/K17过度表达

   • 扁平苔藓：角质形成细胞凋亡伴角蛋白改变

治疗策略

1. 基因治疗

   • 针对K14突变EB的siRNA疗法

   • CRISPR/Cas9介导的基因矫正（临床前研究）

2. 小分子治疗

   • N-乙酰半胱氨酸：减少氧化应激对角蛋白网络的破坏

   • 雷帕霉素：通过mTOR通路调节角蛋白表达

3. 蛋白质稳定剂

   • 格尔德霉素类似物：作为分子伴侣稳定突变角蛋白

研究方法

1. 免疫组织化学

• 抗体组合：CK7/20、CK5/6/14、CK19等

• 应用：肿瘤分型、干细胞定位

2. 基因分析

• 突变筛查：*KRT1-20*基因测序

• 表达分析：RNA-seq、qPCR

3. 细胞模型

• 角蛋白敲除细胞：研究机械稳定性

• 3D皮肤模型：模拟表皮分化

4. 动物模型

• 转基因小鼠：

  • K14-null小鼠：新生儿致死（严重EB表型）

  • K10突变小鼠：模拟角化过度症

参考文献

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