S100融合型蛋白及相關(guān)皮膚疾病

宋昊，王淳正，吳悠，郭穎

S100融合型蛋白(S100 fused-type proteins,SFTPs)是一組含鈣離子結(jié)合域和重復(fù)序列的蛋白質(zhì)[1]，共包括7種蛋白：毛透明蛋白(trichohyalin，TCHH)、毛透明蛋白樣蛋白1(trichohyalin-like 1，TCHHL1)、絲聚蛋白(filaggrin，F(xiàn)LG)、絲聚蛋白2(filaggrin2，F(xiàn)LG2)、Hornerin(HRNR)、Repetin(RPTN)和Cornulin(CRNN)[2]。SFTPs在表皮分化過程起重要作用，包括參與皮膚表皮的角蛋白中間絲(keratin intermediate filaments，KIFs)聚合、角質(zhì)化包膜(cornified envelopes，CEs)形成、角質(zhì)形成細(xì)胞和角化細(xì)胞骨架加固以及維持皮膚微環(huán)境穩(wěn)態(tài)，SFTPs的功能缺損導(dǎo)致表皮屏障受損的皮膚病，如尋常性魚鱗病、特應(yīng)性皮炎、銀屑病等[2]。

1 SFTPs結(jié)構(gòu)及其編碼基因

編碼SFTPs的7個基因位于人染色體1q21表皮分化復(fù)合物(epidermal differentiation complex，EDC)，呈簇狀分布，依次為TCHHL1、TCHH、RPTN、HRNR、FLG、FLG2和CRNN(圖1)[1-2]。SFTPs基因結(jié)構(gòu)相似，均由3個外顯子組成，其中 Exon1為50～73 bp非編碼序列；Exon2長度為151～169 bp，起始密碼子位于Exon2中部，其后為編碼鈣離子結(jié)合域序列；Exon3編碼串聯(lián)重復(fù)序列，不同基因長度差異較大。

Note:TCHHL1 indicated Trichohyalin-like 1; TCHH indicated Trichohyalin; RPTN indicated Repetin; HRNR indicated Hornerin; FLG indicated Filaggrin; FLG2 indicated Filaggrin2; CRNN indicated Cornulin.圖1 SFTPs基因分布示意圖Fig.1 Schematic map of human SFTPs genes locus

7個SFTPs基因編碼的蛋白分別為TCHHL1、TCHH、RPTN、HRNR、FLG、FLG2和CRNN，由500～4 500個氨基酸組成，分子量50～400 kDa。雖然各SFTPs蛋白大小差異較大，但它們N端都有2個高度同源的鈣離子結(jié)合域，且結(jié)構(gòu)相似，呈Helix E-loop-Helix F(EF hand domain)構(gòu)象，鈣離子結(jié)合位點位于環(huán)內(nèi)(圖2)。SFTPs重復(fù)序列長度和重復(fù)個數(shù)匯總于表1。

表1 SFTPs蛋白Tab.1 The members of SFTPs

圖2 FLG Helix E-loop-Helix F結(jié)構(gòu)及鈣結(jié)合位點(PDB ID：4PCW)Fig.2 Helix E-loop-Helix F structure and Calcium-binding site of FLG(PDB ID：4PCW)

2 SFTPs生理功能

2.1FLG FLG存在于表皮顆粒層和角質(zhì)層，參與表皮分化，維持表皮緊密度和強度，參與天然保濕因子(natural moisturizing factors，NMFs)生成[3]。FLG單體通過電荷-電荷作用與角質(zhì)形成細(xì)胞KIFs嵌合，促使KIFs呈束狀聚合，使細(xì)胞成扁平樣，促進角質(zhì)層均一角蛋白基質(zhì)形成[6]。同時，少量FLG單體參與CEs的形成，促進和維持CEs抗機械應(yīng)力強度[6]。FLG還是肽基精氨酸脫亞氨酶(peptidyl arginine deiminases，PADs)的底物，經(jīng)PADs水解，F(xiàn)LG從KIFs脫離，再由多種蛋白酶催化生成反式尿刊酸、吡咯烷酮-5-羧酸和游離組氨酸等NMFs[3]。NMFs存在于角化細(xì)胞間隙或附著于角質(zhì)層表面，維持角質(zhì)層水合及酸性微環(huán)境，降低微生物吸附，維持表皮屏障功能[3]。

FLG的N端有核定位信號序列(nuclear localization signal，NLS)，該序列介導(dǎo)FLG N端向細(xì)胞核遷移，參與表皮分化后期細(xì)胞去核化，有報道[7]顯示膜聯(lián)蛋白Ⅱ也參與了該過程。FLG的C端參與酶對FLG前體蛋白的切割，當(dāng)C端突變或缺失導(dǎo)致FLG單體生成下降[3]。

2.2TCHH和TCHHL1 TCHH是高疏水性蛋白，主要在表皮顆粒層以及毛囊內(nèi)根鞘組織表達，參與CEs形成并維持表皮緊密度[1-2]。當(dāng)TCHH被PADs水解，其產(chǎn)物水溶性增強，繼而被轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(transglutaminases，TGs)催化發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，與KIFs嵌合，在內(nèi)根鞘及CEs中形成高度交聯(lián)的剛性結(jié)構(gòu)，鞏固毛囊及表皮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并提高表皮抗機械應(yīng)力強度[1]。

TCHHL1存在于毛囊內(nèi)根鞘結(jié)構(gòu)和表皮基底層，主要參與表皮分化前期過程[4]。TCHHL1重復(fù)結(jié)構(gòu)域中包含一個NLS序列和一個跨膜結(jié)構(gòu)域，研究顯示上述結(jié)構(gòu)與核膜通透性改變及去核化有關(guān)[4]。此外，TCHHL1含量與角質(zhì)形成細(xì)胞增殖呈正相關(guān)并具有抗凋亡作用，而中波紫外線輻射療法可誘導(dǎo)其表達，提示TCHHL1與皮膚屏障修復(fù)相關(guān)[8-9]。

2.3HRNR HRNR主要存在于顆粒層淺表部的透明角質(zhì)顆粒邊緣以及角質(zhì)層深部組織，HRNR與FLG間的分布差異提示HRNR生成可能晚于FLG[1- 2]。HRNR可被TG催化產(chǎn)生交聯(lián)，參與CEs形成；HRNR還可被Calpain1蛋白酶水解產(chǎn)生NMFs，故HRNR也與NMFs的含量有關(guān)[10]。此外，HRNR的水解產(chǎn)物中的正電性多肽具有抗銅綠假單胞菌活性，參與維持皮膚微環(huán)境穩(wěn)態(tài)[11]。

2.4RPTN RPTN在表皮顆粒層及角質(zhì)層組織、毛囊內(nèi)根鞘組織和舌絲狀乳頭中表達[1-2]。RPTN通過TGs催化與CEs其他組分相互交聯(lián)，增強毛囊和表皮的穩(wěn)定性[12]。此外，RPTN可能參與表皮屏障損傷應(yīng)激和代償修復(fù)作用過程[13]。

2.5CRNN CRNN在表皮顆粒層、角質(zhì)層以及毛囊組織內(nèi)表達，是表皮分化標(biāo)志物之一[1-2]。CRNN參與細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，通過鈣結(jié)合域調(diào)節(jié)脫氧膽酸鹽介導(dǎo)的鈣離子釋放過程，發(fā)揮抗凋亡作用[14]。CRNN也可被TGs催化產(chǎn)生交聯(lián)，但因CRNN賴氨酸含量較低(2.4%)，催化產(chǎn)物自身交聯(lián)有限，多為與其他蛋白交聯(lián)參與CEs形成并維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1]。此外，有研究[15]顯示CRNN可阻滯細(xì)胞從G1期向S期發(fā)展，從而抑制腫瘤增殖。

2.6FLG2 FLG2分布于表皮顆粒層的透明角質(zhì)顆粒和角質(zhì)層，其N端序列和A型重復(fù)結(jié)構(gòu)域是CEs的交聯(lián)組分之一[5]。N端序列可激活皮膚天冬氨酸蛋白酶，進而調(diào)節(jié)FLG的水解程度[16]。FLG2經(jīng)PADs催化修飾的產(chǎn)物易被Calpain1蛋白酶水解，水解產(chǎn)物也作為NMFs維持皮膚表面微環(huán)境穩(wěn)態(tài)。與FLG同源性較高的B型重復(fù)結(jié)構(gòu)域參與并促進KIFs聚集呈束狀，從而提高表皮的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和緊密度[17]。研究[18]顯示，F(xiàn)LG2的C端對多種假單胞菌內(nèi)DNA聚合酶顯示抑制活性，最終產(chǎn)生抑菌效果。有研究[19]顯示，F(xiàn)LG2可維持角化細(xì)胞形態(tài)和胞間黏附，保持皮表酸性環(huán)境，還可促進FLG及HRNR水解。綜上，F(xiàn)LG2在維持表皮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、增強表皮屏障保護功能以及防御微生物侵襲方面發(fā)揮重要作用。

3 SFTPs相關(guān)的皮膚疾病

SFTPs在表皮分化中發(fā)揮重要作用，它們參與表皮結(jié)構(gòu)形成、促進皮膚水合并維持皮膚微環(huán)境穩(wěn)態(tài)。SFTPs的蛋白異常表達或功能受損，易引發(fā)皮膚疾病(表2)。

表2 SFTPs分布、生理功能及相關(guān)皮膚疾病Tab.2 Distribution, physiological function and related dermatosis of SFTPs

3.1尋常性魚鱗病 尋常性魚鱗病(ichthyosis vulgaris，IV)是一種常染色體顯性遺傳病，表現(xiàn)為伴有鱗屑的皮膚損傷、毛囊角質(zhì)化丘疹、掌跖皸裂以及掌紋加深，IV患者的表皮顆粒層及角質(zhì)層變薄，透明角質(zhì)顆粒數(shù)量顯著減少[20]。FLG具有半顯性遺傳特點，其失功能突變p.R501X和c.2282del4多在歐洲裔和亞洲裔IV患者中出現(xiàn)，是IV高度易感遺傳因素[21]。FLG缺失導(dǎo)致角蛋白基質(zhì)紊亂，表皮緊密度降低，易脫落鱗屑。此外，無義突變TCHH(p.E207X)、TCHHL1(p.Q294X)、FLG2(p.S2377X、p.S211X)以及CRNN、HRNR錯義突變也與單獨發(fā)病或合并特應(yīng)性皮炎的IV發(fā)病相關(guān)[22]。

3.2特應(yīng)性皮炎 特應(yīng)性皮炎(atopic dermatitis，AD)是一種以復(fù)發(fā)性濕疹樣病變和瘙癢為特征的過敏性皮膚病[23]。FLG是AD發(fā)病的重要遺傳因素(OR=3.12～4.78)，歐洲裔AD患者以p.R501X、c.2282del4為主，亞裔患者多為c.3321delA、p.S2554X[24]。而FLG2失功能突變(p.S2377X、p.A1979_Q2053del、p.H1249R)是非裔AD患者易感因素[25-26]。此外，CRNN和RPTN在AD表皮中呈現(xiàn)差異化表達，它們的核苷酸多態(tài)性位點(single nucleotide polymorphisms，SNPs)rs941934、rs28441202與AD嚴(yán)重程度、病程、血清IgE水平、嗜酸性粒細(xì)胞水平、伴行哮喘發(fā)病率顯著相關(guān)[27]。最新研究[28]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LG2和TCHHL1的SNPs或與歐洲及非洲裔AD患者的癥狀緩解相關(guān)。

3.3銀屑病 銀屑病(psoriasis)是一種好發(fā)于頭部與四肢并以紅斑、鱗屑為主要表現(xiàn)的慢性炎癥皮膚病[29]。SFTPs在銀屑病皮損組織中呈差異化表達，并參與異常角質(zhì)化和炎癥反應(yīng)機制。例如，皮損區(qū)高表達的CRNN可通過激活PI3K/Akt和NF-κB信號通路促進角化細(xì)胞增殖以及炎癥發(fā)生[30]。此外，患者表皮屏障破壞與FLG、FLG2和HRNR的表達受限相關(guān)，表達受限或與患者表皮中轉(zhuǎn)錄因子MafB和GATA3低表達以及IL-18、IL-1β、NLRP3炎癥小體上調(diào)有關(guān)[31]。最新研究[32]發(fā)現(xiàn)，在銀屑病和AD患者表皮中的IL-22可下調(diào)PADs水平，致使SFTPs水解減少，角質(zhì)化包膜形成受限。

3.4斑禿 斑禿(alopecia areata，AA)是一種組織特異性的自身免疫性皮膚病[33]。FLG失功能突變(R501X、2282del4)可能加重合并AD的AA患者的癥狀[34]。AA患者毛囊中的TCHH具有自身抗原表位，可被細(xì)胞毒CD8+T細(xì)胞特異性識別，介導(dǎo)毛囊角質(zhì)形成細(xì)胞凋亡[35]。

3.5鱗狀細(xì)胞癌 鱗狀細(xì)胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)是一種常發(fā)于鱗狀上皮的惡性腫瘤[36]。研究[8]發(fā)現(xiàn)，SCC皮膚TCHHL1高表達與鱗狀細(xì)胞異常增殖和凋亡抑制有關(guān)；而CRNN在SCC中表達受限，研究[15]表明，CRNN的低表達可加重SCC侵襲浸潤程度并降低患者生存率。此外，多組學(xué)數(shù)據(jù)分析[37]發(fā)現(xiàn)頭頸部SCC組織FLG的表達水平與藥物敏感性相關(guān)，這有望成為SCC患者預(yù)后的預(yù)測指標(biāo)。

4 總結(jié)與展望

SFTPs是表皮分化過程中的重要蛋白，在表皮結(jié)構(gòu)形成、維持表皮屏障功能、促進皮膚水合、防御微生物及過敏原侵襲等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。SFTPs的基因突變或蛋白表達異常與IV、AD、銀屑病、AA、SCC發(fā)病機制相關(guān)。明確SFTPs的生理功能和它們與皮膚疾病的相關(guān)性將有助于深入理解皮膚病的發(fā)病機制并促進新藥研發(fā)。