遗传性皮肤病相关的角蛋白研究进展

【关键词】  ,角蛋白

　　［关键词］ 角蛋白；遗传性皮肤病；基因；突变

　　［摘  要］ 近几年对于人类角蛋白的基础生物学和一些特异性的单基因疾病的病因学及发病机制研究取得了重大进展，至今已发现共有19种角蛋白基因突变与特异性疾病相关。本文了角蛋白的特性、相关疾病基因突变特点及相关的遗传性皮肤病分子遗传学研究现状。

    角蛋白（keratin）是一种抗机械、抗化学刺激的蛋白质，是角质形成细胞的主要结构蛋白，是组成中间纤维蛋白的主要成分。角蛋白存在于所有高等脊椎动物体中，在人类已经发现了至少49种编码角蛋白的基因。它们表达于所有的上皮细胞中，包括很多内在器官（单上皮）的单层上皮细胞，还有很多复杂的多层上皮（复层上皮）细胞［1］（见表1［2］）。角蛋白基因的正确表达以及角蛋白网的功能正常是表皮细胞稳定和正常分化的基础。随着分子生物学技术的进展，发现编码角蛋白基因的突变可造成角蛋白结构的异常。目前的研究结果已发现10余种遗传性皮肤病与角蛋白基因突变有关,主要有：先天性大疱性鱼鳞病样红皮病、单纯性大疱性表皮松解症、Siemens鱼鳞病、表皮松解性掌跖角皮症、念珠状毛发、先天性厚甲症、白色海绵状痣等。本文总结了在角蛋白研究领域的一些进展，包括角蛋白细胞骨架的组成、结构、功能和调节以及与角蛋白基因突变相关的几种遗传性皮肤病的研究进展。表1  角蛋白表达部位与遗传性疾病的关系（略）

　　1  角蛋白的特性

　　1．1  结构 

　　角蛋白同其他的中间丝家族成员具有共同的结构组成。角蛋白的分子结构都是类似的，分为螺旋杆状区、非螺旋的头区和尾区以及连接区。杆区由约310个氨基酸组成，有4个α螺旋片段即1A、1B、2A、2B，片段之间为3个非α螺旋的连接区L1、L12、L2。在1A起始区及2B结尾区有两个高度保守的区域,称为螺旋起始区(HIP)及螺旋结尾区(HTP),分别与头区和尾区相连。

　　1.2  分类 

　　角蛋白共30余种,其中包括20余种上皮角蛋白及10余种毛发角蛋白。从功能角度看,角蛋白分为两类:一是20余种构成表皮和许多内脏器官或体腔上皮的角蛋白或“软”α角蛋白,二是10余种构成毛发和甲的毛发角蛋白或“硬”α角蛋白。从分子生物学角度看,角蛋白又可分成二型:Ⅰ型角蛋白为酸性蛋白质，包括k9－k23，和毛发角蛋白Ha1－Ha8(K代表上皮角蛋白,H代表毛发角蛋白,a代表酸性),分子量较小,相对分子质量40 000 Da～57 000 Da；Ⅱ型角蛋白为中性或碱性蛋白质，包括K1K8和毛发角蛋白Hb1－Hb6(b代表碱性)，分子量较大,相对分子质量53 000 Da～67 000 Da［3］。它们是中间丝家族中最富有变化的2种,可有大量的异构体表达。

　　1.3  遗传学 

　　角蛋白基因主要簇集于染色体的两个区域,编码1型角蛋白的基因，除了K18，均位于染色体17q12－21。所有编码2型角蛋白的基因，包括编码K18的基因均位于染色体12q13。角蛋白的大部分基因主要是通过使用生化、免疫和cDNA克隆方法确认的。基因定位研究已经确认了所有的角蛋白，包括很多多态性的可变区都是有单拷贝基因编码的。在人类已经发现了至少49种编码角蛋白的基因。角蛋白基因的表达具有组织和细胞特异性。其中22种在不同的上皮细胞中表达，15种是毛细胞特异性，5种为毛根内鞘角蛋白［3］。Langbein［4］和Bawden［5］等人描述了9种以前没有的1型角蛋白基因，它们在头发、指甲和口腔纤维乳突中表达。它们做为一个基因簇和1型角蛋白基因一起位于17q12－21染色体。最近，Langbein［6］提供了关于2型毛发角蛋白的表达目录，描述了6种新明确的功能型的2型毛发角蛋白基因簇的存在，它们和2型角蛋白基因一起位于12q13区域内。

　　各型角蛋白基因序列差异较大。突变所致的角蛋白缺陷主要集中于头区H1、中央螺旋杆区1A和2B以及连接区L12。这些位点与角蛋白丝形成密切相关,具有高度的进化保守性,这些区域微小的序列变化都会影响角蛋白的排列,破坏其正常的结构和功能。而热点之外的一些突变可能是通过影响角蛋白与其他蛋白分子之间的相互作用而致病,临床症状相对较轻。角蛋白基因突变一般以显性方式遗传,主要为错义突变,少数为无义突变、剪接位点的突变等。

　　2  角蛋白相关的遗传性皮肤病

　　2.1  先天性大疱性鱼鳞病样红皮病(BCIE) 

　　BCIE又称表皮松解性角化过度，是一种罕见的常染色体显性遗传性皮肤病，以形成红斑、水疱及角质层增厚为特征。遗传学的连锁分析、基因突变和转基因小鼠的研究都表明BCIE是由K1和K10基因的中央保守区发生突变所致，其突变大多位于1A和1B区的α螺旋末端序列，目前认为突变的“热点”为1A中的H1和HIP,L12和2B中的HTP。1A和1B区是与角蛋白丝聚集相关的高度保守区域,在维持细胞的完整性上有重要作用。此区域的突变虽然不影响二聚体的形成，但导致角质形成细胞内的张力丝排列异常，使角蛋白聚集成块，细胞内水肿，导致表皮松懈。杆状结构域螺旋范围的突变通常导致严重的临床表型。通常位于角蛋白杆状区域保守的羧基末端、非头段和尾段或连接区域的突变导致的临床表现较轻或不典型。K1或K10 2B区域的突变通常导致的临床表现为环状表皮松解性鱼鳞病。

　　2.2  单纯性大疱性表皮松解症(EBS) 

　　EBS是一种少见的遗传性皮肤病，多为常染色体显性遗传，也可为隐性。以表皮基底层内水疱为特征［1］。根据临床表现不同主要分三型：WeberCokayne型(EBSWC)、Kobner型(EBSK)及DowlingMeara型(EBSDM)。其致病基因均为K5和K14基因的突变，突变位点集中于K5和K14分子的四个区,即头段的H1区(仅见于K5),杆区的1A和2B两段,以及连接区L12。K5和K14的突变位点与疾病的严重性密切相关，目前认为编码螺旋杆区起始肽链序列及尾部末端序列是突变热点区域,其序列改变可损害蛋白功能,引起表型最重的Dow1ingMeara型。近来发现杆区中央部位的突变导致泛发的Kobner型，K5螺旋起始序列突变（N177S）能引起轻型的WeberCokayne型。

　　2.3  Siemens大疱性鱼鳞病(IBS) 

　　IBS是一种常染色体显性遗传性皮肤病，其临床表现为出生时即有广泛水疱，继而为角化过度性鳞屑所替代。连锁分析及突变检测都已证实该病为位于12q的角蛋白2e（K2e)基因突变所致。其突变位点多在螺旋2B尾区，少数发生在1A头区，这提示颗粒层角蛋白细丝之间相互连接的模式与棘层中的不尽相同。有很多研究报道，潜在的甲基化－CpG脱氨基可能是IBS的一个突变热点［7］。

　　2.4  表皮松解性掌跖角皮症(EPPK) 

　　EPPK是以掌跖表皮过度角化和松解为主要特征的常染色体显性遗传性皮肤病。遗传学研究及基因突变分析显示其致病基因为K9基因突变。小鼠体内、外实验结果表明K9基因突变会破坏中间纤维的形成，从而导致EPPK的发生。目前在各个种族或民族的EPPK家系中已经发现了29种突变。这些突变所致的氨基酸序列改变都位于杆状功能域。除了1种突变在螺旋2B,其余都位于螺旋1A［8，9］。Hennies等［10］曾报道有8个未发现K9基因突变的德国EPPK家系,提示除了KRT9基因外,可能还有其他基因参与EPPK的发病。在手掌和脚部表皮表达的Ⅱ型角蛋白有K1、K5、K6a和K6b等。其中,K1在上基底层表达,它的突变会导致角化过度、上基底层的角质化细胞溶解和掌跖角化,而且有报道K1基因的突变与轻度掌跖角化症有关［11］。故K1有可能与K9形成异二聚体,与EPPK的发病相关。目前在人EPPK家系中发现的K9基因突变都集中在KRT基因的第一外显子，也就是K9杆状功能域螺旋的起始基序，此位点与其他种族的研究结果相似，也是突变发生热点。

　　2.5  白色海绵状痣（WSN）

　　WSN是一种良性的常染色体显性遗传疾病，主要累及非角化层鳞状上皮细胞。它主要表现为口腔的白色海绵状斑，偶尔累及食管和肛门生殖器黏膜。1995年同时报道此型患者发生了K4和K13突变。

　　2.6  念珠状毛发（monilethrix） 

　　monilethrix为常染色体显性遗传疾病，主要表现为不同程度的秃发和呈串珠状的间断性的椭圆形结节和缩窄。显示毛发的结构蛋白－丝泡角蛋白为此疾病的主要候选基因。丝泡角蛋白基因或者位于1型角蛋白簇基因的17q12-21，或者位于2型角蛋白簇基因的染色体12q13。1997年首次报道了人类毛发角蛋白（丝泡角蛋白hHb6）的第一个突变。最近有研究报道在另外一个2型毛发角蛋白－hHb1的一个突变，此型毛发角蛋白也表达于发柄的外皮丝泡。

　　2.7  先天性厚甲症(PC) 

　　PC是一组常染色体显性遗传性外胚叶发育不良的疾病，主要临床表现为营养不良性甲肥厚伴角化过度。PC主要类型为PC1型和PC2型。PC1为K16或K6a基因突变所致，PC2则与K17或K6b基因突变相关。此外,有报道在不伴有PC2的多发性脂囊瘤患者中发现K17基因突变,在无甲损害的局限性非表皮松解性掌跖角皮症患者中检测到K16 基因突变,其临床表现的差异与突变位点无明显相关性,可能与某些调控基因的作用相关［11］。

　　3  展望

　　过去的二十年关于中间丝的重大突破揭开了角蛋白在人类疾病中的作用并且在原子水平理解了它们的结构。角蛋白对于维持细胞的稳定和功能正常具有重要的作用，因此，我们仍需要进一步研究。例如：目前仍有很少数的角蛋白不知道和已知疾病的相互关系，可以利用目前快速的分子生物学技术对此领域进行深入研究。对于研究工作来说，关于疾病修饰基因在角蛋白疾病中的作用也是一个潜在的发展领域，可以对涉及控制中间丝动力学的分子进行深入研究，了解治病基因的调控机制以及角蛋白分子间的相互作用机制。基因将是今后研究的热点，但由于角蛋白突变的显性负作用，基因治疗仍然是这组疾病中的一个巨大挑战。

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