角蛋白的生物学功能及其在口腔疾病中的研究进展

臧文丽，李佳博，潘亚萍

角蛋白(keratin，K)是上皮细胞中间丝的主要组成成分，占细胞总蛋白的17%～27%[1]。角蛋白在细胞内形成复杂的网络结构锚定整个细胞，通过细胞桥粒的斑蛋白链接周围细胞，通过半桥粒的网蛋白链接细胞及其附件底物，对维持上皮细胞的形态和细胞间连接起主要作用[2-3]。除此之外，越来越多的证据表明角蛋白可以靶向作用于下游目的基因，调控多种细胞生物学功能，如细胞凋亡、增殖、迁移和伤口愈合等[4-6]。角蛋白基因突变和异常表达参与调控多种疾病，包括炎症、肿瘤等。早期研究认为角蛋白在皮肤中特异性表达，目前发现其作为免疫调节分子在多种上皮组织中均有表达，对炎症的发生发展以及肿瘤的多种生物学行为具有重要意义，成为炎症和肿瘤新的治疗靶点。近年来，随着角蛋白在口腔领域的广泛研究，其在口腔疾病中的作用得到了极大关注。现就角蛋白生物学功能及其在口腔疾病中发挥的调控作用作一综述，以期为角蛋白在口腔领域中的进一步研究提供思路与线索。

1 角蛋白概述

1.1 角蛋白的分子结构和分类

角蛋白是一类最复杂的中间丝蛋白，目前为止已鉴定出54种角蛋白。根据氨基酸序列和等电点，可将角蛋白分为Ⅰ型酸性角蛋白和Ⅱ型碱性角蛋白两大类。Ⅰ型酸性角蛋白相对分子质量较小为40～57 ku，其基因定位于染色体17q21.2(K18除外)，包括角蛋白K9～K40；Ⅱ型碱性角蛋白相对分子质量较大为50～70 ku，其基因定位在染色体12q13.13(包括K18)，包括角蛋白K1～K8、K71～K86[7]。所有的角蛋白均由1个中心α-螺旋杆结构域和位于其N—末端和C—末端的可变末端结构域组成[8]。在细胞中角蛋白通常以Ⅰ/Ⅱ型配对的形式表达(K19除外)，Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白相互作用形成异二聚合体，两个二聚体反向平行交错排列形成四聚体，进而形成10 nm中间丝，参与细胞骨架形成[9]。

1.2 角蛋白的组织分布

角蛋白的组织分布有高度的特异性，不同类型的上皮细胞表达的角蛋白主要随上皮细胞种类、分布以及分化程度而不同[10]。K8/K18、K19主要在单层上皮细胞中表达。K5/K14在分层的鳞状上皮细胞中形成主要的角蛋白对，在复杂上皮和腺上皮组织的基底和肌上皮细胞中也有表达[11]。在口腔中，健康的口腔上皮组织根据是否角化分为角化上皮(包括牙龈、硬腭)和非角化上皮(包括颊黏膜、软腭)。软腭角化上皮细胞主要表达角蛋白K1/K10、K6/K16等，非角化上皮细胞主要表达角蛋白K4/K13、K19等[12]，而K5/K14在二者中均有表达。

1.3 角蛋白的生物学功能

角蛋白种类较多，具有多种生物学功能，但是每种角蛋白的功能并非特定，一种角蛋白可能参与多种生物学功能。其一，角蛋白对上皮细胞具有一定的保护作用。角蛋白通过将核膜、质膜以及桥粒等细胞间或细胞与基质的黏附结构相连，维持上皮细胞的完整性和连续性[13]。其二，角蛋白参与调节上皮细胞凋亡过程。凋亡相关因子(factor associated suicide，Fas)是一种促细胞凋亡跨膜糖蛋白，通过下游的接头蛋白Fas相关死亡域蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain，FADD)，与含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-8(cysteinyl aspartate specific proteinase-8, caspase-8)等蛋白形成死亡诱导复合物，在细胞凋亡信号通路的信号转导中起关键作用。Gilbert等[14]发现单层上皮细胞表达的角蛋白K8/K18可以靶向减弱Fas的表达从而调节细胞凋亡过程。其三，角蛋白参与调节上皮细胞增殖过程。Alam等[15]的研究证实角蛋白K5/K14通过磷酯酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)通路在上皮基底层细胞增殖中起重要作用。此外，Paramio等[16]认为角蛋白K10作为细胞周期负调控因子也与细胞增殖密切相关。研究发现K10可通过PI3K通路调控细胞周期，导致进入G1期细胞增加而S期细胞减少，抑制细胞增殖。其四，角蛋白参与调节上皮细胞迁移过程。K6是一种伤口诱导的角蛋白，Rotty等[17]的研究显示在伤口边缘处，K6同工型角蛋白K6a、K6b及其异二聚体配体Ⅰ型角蛋白K16、K17诱导产生，通过与Src酪氨酸蛋白激酶相互作用，影响细胞基质黏附的能力进而调节上皮细胞迁移过程。其五，角蛋白还参与调节多种免疫炎症反应过程。Chung等[18]的研究表明K17与异质核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein, hnRNPK)和自身免疫调节因子(autoimmune regulator，AIRE)相互作用调控包括趋化因子CXCL9(Cys-X-cys ligand 9)、CXCL10、CXCL11在内的多种免疫炎症反应相关因子的表达，进而参与多种免疫炎症反应过程。

2 角蛋白与口腔疾病

2.1 角蛋白与牙周炎

牙周炎是一种以牙周支持组织炎症为特征的慢性感染性疾病，具体表现为牙龈红肿、牙周袋形成、附着丧失以及牙槽骨吸收等，是成人失牙最主要的原因[19]。牙龈上皮作为牙周致病菌攻击牙周组织的首道屏障，在牙周炎的发生发展中扮演着重要角色[20]。牙龈上皮细胞是牙龈上皮组织的重要组成部分，具有强大的自我更新和修复能力。近来有许多研究表明，牙龈上皮细胞中角蛋白异常表达与牙周炎在病因及进展上存在一定联系。因此，研究角蛋白对牙周组织的影响机制,对深入理解牙周炎的发病机制至关重要。

2.1.1 角蛋白参与破坏上皮屏障 牙龈上皮主要包括口腔上皮、沟内上皮和结合上皮三部分。其中非角化的结合上皮呈领圈状附着于牙颈部，通过基底板和半桥粒与牙面相附着，具有快速的分裂能力，在宿主牙周防御反应中发挥着积极作用[21]。近来研究发现结合上皮细胞内角蛋白的表达对维持结合上皮的完整性和发挥屏障功能具有重要意义，其异常表达会导致结合上皮防御功能破坏加速牙周炎的发生发展。Pöllänen等[22]通过对比重度牙周炎患者和牙周健康者牙龈上皮组织样本发现，牙周炎患者牙龈上皮组织中K17表达明显上调，且K17通过参与抑制细胞分裂过程，诱导结合上皮细胞从牙面脱离导致牙周袋形成、加深，但其具体机制有待进一步研究。K19是具有高增殖活性上皮细胞的特异性标记物，通常在健康的牙龈组织中不表达，然而有报道称在牙周袋形成加深过程中牙龈上皮组织内K19表达显著增加[23]。Nagarakanti等[24]也观察到在牙周炎患者结合上皮组织中K19表达显著上调，并与牙周炎的严重程度相关。虽然其致病机制尚不清晰，但是他们认为K19表达升高可能是导致结合上皮向根方异常增殖，牙周袋形成加深的主要原因之一。此外，K19表达升高也可能与有利于牙周致病菌菌毛黏附于细胞骨架从而增强其致病性有关。牙周致病菌是引发牙周炎的始动因子，通过间接或直接黏附于某些特定口腔上皮表面，干扰宿主防御能力，引发牙周组织的破坏。随着角蛋白在口腔领域的深入研究，牙周致病菌对角蛋白表达的影响也备受学者关注。伴放线聚集杆菌是证据充分的牙周致病菌之一[25]。Beklen等[26]研究发现伴放线聚集杆菌感染能够降低牙龈结合上皮细胞内角蛋白K4、K13以及总角蛋白的表达。分析认为总角蛋白表达降低能够加速细胞间连接破坏，导致牙周袋形成，以利于菌斑微生物堆积加速炎症发生。

2.1.2 角蛋白参与诱导免疫炎症反应 牙龈卟啉单胞菌是慢性牙周炎病变部位最主要的优势菌，能够产生多种毒力因子(如牙龈素、内毒素、有机酸等)刺激牙周组织细胞，引起免疫炎症反应[27]，其中赖氨酸特异性牙龈素(Lysine-specific gingipain，Kgp)是目前研究的热点。Tancharoen等[28]研究发现牙龈卟啉单胞菌分泌的Kgp可以通过靶向降解牙龈上皮细胞内角蛋白K6产生K6片段(keratin 6 fragment，K6F)，K6F通过激活有丝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)诱导促炎细胞因子白介素6(Interleukin-6，IL-6)、IL-8以及单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)分泌，进而引起单核细胞募集参与牙周免疫炎症反应。

因此，牙龈上皮组织内角蛋白的表达会受到牙周致病菌等外来刺激的影响，且角蛋白异常表达可能通过影响上皮屏障、细胞增殖、细菌黏附以及免疫炎症因子表达等途径参与牙周炎的发生发展。

2.2 角蛋白与口腔肿瘤

近年来随着角蛋白的多种生物学功能逐渐被发现，其在肿瘤疾病发生发展中的作用也越来越受到学者关注。据报道，口腔上皮细胞内角蛋白表达的改变与口腔鳞状细胞癌的发生密切相关。K8/K18主要在单层上皮细胞中表达，在分层的口腔鳞状上皮细胞中几乎不表达。然而，研究发现K8/K18在口腔鳞状细胞癌患者癌变组织中表达显著上调，且调控肿瘤的进展和侵袭[29]。Fillies等[30]通过组织微阵列和免疫组化法分析308例经组织学证实并经手术治疗的口腔鳞状细胞癌患者的角蛋白表达情况，发现K8/K18的表达与临床预后不良显著相关。利用shRNA敲除口腔鳞癌细胞K8基因后，细胞致瘤潜力、侵袭性以及运动性均显著降低，同时伴随着α6β4整联蛋白及所依赖的信号传导表达降低。α6β4整联蛋白信号传导在上皮组织肿瘤进展中发挥重要作用，因此推测α6β4整联蛋白信号传导的调节可能是K8/K18促进口腔鳞癌恶性转化和进展的机制之一[31]。目前，K8/K18作为肿瘤标志物广泛用于癌症的检测和鉴定。此外，有学者通过对比口腔鳞状细胞癌组、原位癌组、上皮异常增生组和健康对照组口腔上皮组织样本角蛋白表达情况后发现，鳞状细胞癌和原位癌病组上皮细胞内K17表达显著升高，而在上皮异常增生和健康对照组上皮细胞内无表达，结果提示K17也与口腔癌的发生密切相关[32]。进一步研究发现，K17通过诱导14-3-3σ蛋白易位激活蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)通路，进而导致癌细胞过度增殖。K76是一种Ⅱ型角蛋白，主要在口腔分层上皮细胞中表达[33]。近年来研究发现K76是口腔鳞癌细胞中显著下调的基因，其表达降低会导致调节性T细胞(Tregs)增加和促炎细胞因子IL-18分泌上调，通过引起炎症反应进一步促进致癌作用[34]。

2.3 角蛋白与口腔黏膜病

口腔黏膜表面被覆复层鳞状上皮，在上皮更新过程中，上皮细胞通过表达角蛋白等结构蛋白形成了细胞骨架等重要结构，对维持黏膜上皮的完整性和连续性有着重要作用。研究发现，角蛋白基因的突变可导致多种口腔黏膜上皮病变，如白色海绵状斑痣等[35-36]。近来也有许多研究表明，黏膜上皮细胞中角蛋白异常表达与一些口腔黏膜癌前病变在病因及疾病诊断上存在一定关联，其中扁平苔藓和白斑较为常见。口腔扁平苔癣是一种病因尚不明确的口腔黏膜炎症性疾病，具有反复发作、久治不愈的特征[37]。Liao等[38]通过分析扁平苔藓患者组和健康对照组的口腔上皮组织样本，发现扁平苔藓患者组黏膜上皮角蛋白K1/K10表达显著升高；同时炎症相关的两种蛋白酶中性粒细胞弹性蛋白酶(neutrophil elastase，NE)和基质金属蛋白酶12(matrix metalloproteinase 12，MMP12)表达也明显升高。研究认为，蛋白酶与K1/K10的表达呈明显的正相关性，NE和MMP12通过作用于K1/K10诱导口腔黏膜过度角化，参与口腔黏膜炎症反应。此外，Schreurs等[39]研究发现，与健康的黏膜组织相比较，扁平苔藓病变组织中K8/K18以及K19的表达明显降低，同时伴随着肿瘤坏死因子受体相关死亡域蛋白(tumor necrosis factor receptor type 1 -associated death domain，TRADD)和FAS相关死亡域蛋白(Fas-associating protein with a novel death domain，FADD)表达上调。K8/K18复合物通过与细胞死亡信号通路相关蛋白TRADD和FADD结合，阻碍细胞死亡信号通路传导。Schreurs等认为当扁平苔藓病变组织中K8/K18表达下调能够导致死亡信号通路相关蛋白TRADD和FADD释放，使得基底层角质形成细胞更易受到死亡信号转导通路影响，抑制受损上皮自我更新修复的能力，使得外界的致病因素进一步刺激黏膜，推动疾病的发展。口腔白斑是国际公认的口腔潜在恶性疾病，每年有3.28%的口腔白斑向口腔鳞状细胞癌恶性转化[40]。Nanda等[29]分别收集了口腔鳞状细胞癌患者、口腔白斑患者以及健康对照者口腔上皮组织，通过免疫组织化学法检测发现角蛋白K8/K18在肿瘤组织及白斑组织中表达明显上调。研究认为上皮细胞内异常表达的K8/K18通过减弱Fas诱导的细胞凋亡过程调节细胞的恶性转化[14]。de Camisasca等[41]发现，与健康对照组相比，白斑组患者上皮组织内及唾液中K10表达显著升高。研究认为白斑上皮组织及唾液中K10表达升高可能与半胱氨酸蛋白酶的活性增高相关，且唾液中K10水平的检测可作为一种高效的监测工具先于临床检测方法用于判定是否处于癌前病变。

3 结论与展望

综上所述，角蛋白在细胞凋亡、增殖、迁移以及免疫炎症反应等环节中发挥重要作用，维持细胞正常的生理功能。在受到细菌及其代谢产物、机械应力等不良因素刺激时，角蛋白的表达发生改变，参与调控炎症及肿瘤等疾病。目前，角蛋白在口腔领域的研究多集中在肿瘤及黏膜疾病方面，而关于角蛋白在牙周炎发生发展中的作用机制研究仍处于起步阶段。深入探讨角蛋白在口腔疾病中的作用及致病机制，将为拓展口腔疾病诊治提供新的靶点和思路。