Кератины волос и ногтей: структура, функции и применение.

Введение

Тип кератина, содержащийся в волосах и ногтях.

Кератин волос – это тип кератина, который содержится в волосах и ногтях.

Функция

Волосяной фолликул, происходящий из эмбриональной эпидермис, развивается в одну из самых сложных структур в организме человека, состоящую из 7–8 различных отделов ткани. Основание волосяного фолликула содержит луковицу, в которой располагаются дермальные фибробласты, известные как дермальная папилла, играющие ключевую роль в морфогенезе и циклической активности волосяного фолликула. Окружает эти клетки область клеток матрикса – пролиферативный компартмент волосяного фолликула, ответственный за формирование различных отделов фолликула (за исключением ОРС) и выработку важнейших структурных элементов волоса – волосяных кератинов и ассоциированных с ними белков, известных как КАП. Кератины относятся к двум типам: кислому типу I и нейтрально-щелочному типу II, которые далее подразделяются на тип I a и b, и тип II a и b. Первым этапом формирования кератина является выстраивание полипептидов кератина типов I и II для создания гетеродимера, который затем агрегирует в структурные единицы более высокого порядка.

Стабильность

Из-за своей роли структурных стабилизаторов в эпителиальных клетках кератиновые нити вызвали значительный интерес в биологии, эмбриологии, патологии и дерматологии. Эта фундаментальная функция цитоскелета выходит за пределы отдельных уровней клеток. Обычно кератиновые нити интегрированы в десмосомы (см. рис. 1b, d) и гемидесмосомы, способствуя не только стабильности клеток, но и прикреплению к базальной мембране и соединительной ткани в пределах определенного эпителия. В неслоистых (простых) эпителиях внутренних органов, испытывающих минимальное механическое напряжение, только несколько типов кератина образуют редко распределенные нити в цитоплазме. Однако более значительное количество типов кератина участвует в промежуточной филаментной цитоскелетной структуре плоскоклеточных эпителиев, которая становится более выраженной в роговых стратифицированных эпителиях, таких как эпидермис, покрывающий внешнюю поверхность тела. Здесь кератин в изобилии и плотно упакован, образуя тонофиламенты. Было показано, что RKNPs значительно усиливают пролиферацию и миграцию клеток в лабораторных условиях. Более того, при нанесении на кожные раны in vivo, RKNPs способствовали улучшению заживления ран, приводя к усилению эпителизации, васкуляризации, отложению коллагена и ремоделированию. Важно отметить, что тесты на in vivo биосовместимость не выявили признаков системной токсичности. RKNPs обладают потенциалом в качестве перспективного подхода к улучшению заживления ран и открывают новые возможности для разработки биоматериалов на основе кератина. Кроме того, в модели повреждения бедренной артерии рекомбинантные кератиновые белки значительно сократили время кровотечения по сравнению с контрольной группой (приблизительно 50 с против 270 с). В частности, K37 и K81 продемонстрировали более выраженный гемостатический эффект, чем экстрагированные кератины (приблизительно 80 с) при лечении повреждения печени у крыс. Кроме того, рекомбинантные кератиновые белки продемонстрировали высокую способность способствовать образованию фибринового сгустка в месте повреждения, эффективно останавливая кровотечение. Следовательно, рекомбинантные кератины человеческих волос обладают потенциалом для разработки новых гемостатических продуктов на основе кератиновых биоматериалов. Кератины волос образуют промежуточные филаменты (KIF) внутри трихоцитов, специализированных клеток, способствующих формированию волос. По мере продвижения этих клеток вверх в коре KIF агрегируют, окруженные пространством, называемым матрицей. KRTAP, также известные как KAP, являются значительной частью этой матрицы между KIF. Предполагается, что KRTAP играют роль в формировании сшитой сети с KIF, способствуя созданию жесткого стержня волоса. Однако этот сложный процесс можно упростить до нескольких высококонсервативных семейств генов. В кортикальных кератиноцитах наблюдаются отчетливые паттерны экспрессии генов кератина, что указывает на наличие различных иерархических процессов транскрипции среди различных типов клеток. Исследование промоторных областей генов кератина выявляет консервативные последовательности мотивов, которые могут регулировать эти клеточно-специфические признаки. Сеть промежуточных филаментов формируется за счет необходимого спаривания равных количеств кератинов типа I и типа II. В то время как кератины волос, такие как KRT81, типичны для твердых кератинизированных структур, таких как волосы и ногти, считается, что они служат структурными белками, специфичными для этих органов, без экспрессии в других местах, таких как молочная железа. KRT81, кератин волоса типа II, является основным белком волоса, экспрессируемым в коре волоса. Интересно, что, несмотря на типичную связь с волосковыми структурами, экспрессия KRT81 наблюдалась в клеточной линии рака молочной железы человека SKBR3 и в метастатических лимфатических узлах карциномы молочной железы, но не в нормальных эпителиальных клетках молочной железы. Более того, экспрессированный KRT81 был обнаружен как 5'-усеченная изоформа (ΔHb1), при этом белок полной длины не экспрессируется. Однако точная функция этой усеченной формы в клетках рака молочной железы остается неясной. Анализ методом Вестерн-блот выявил наличие полного KRT81 размером 55 кДа в различных клеточных линиях рака молочной железы человека (MCF7, SKBR3, MDA MB 231), нормальных эпителиальных клетках молочной железы человека (HMEC) и не-неопластических клетках (MCF10A). Обратная транскрипция полимеразная цепная реакция подтвердила экспрессию KRT81 полной длины, включающей ее 5'-область, в клетках молочной железы. Иммуногистохимическое и иммунофлуоресцентное исследование локализовали KRT81 в цитоплазме. Кроме того, в KRT81-нокаутированных клетках MDA MB231 зимография показала снижение активности MMP9, а тесты на царапины и инвазию продемонстрировали уменьшение способности клеток к миграции и инвазии. Это представляет собой первое доказательство экспрессии KRT81 полной длины как в нормальных эпителиальных клетках молочной железы, так и в клетках рака молочной железы. Кроме того, полученные данные позволяют предположить, что KRT81 играет роль в миграции и инвазии клеток рака молочной железы.

Due to their role as structural stabilizers in epithelial cells, keratin filaments have garnered significant interest across biology, embryology, pathology, and dermatology. This fundamental cytoskeletal function extends beyond individual cell levels. Typically, keratin filaments are integrated into desmosomes (see Fig. 1b, d) and hemidesmosomes, contributing not only to cell to cell stability but also to the attachment to the basement membrane and the connective tissue within a particular epithelium. In non stratified (simple) epithelia of internal organs experiencing minimal mechanical stress, only a few keratin types form sparsely distributed filaments within the cytoplasm. However, a more substantial number of keratin types participate in the intermediate filament cytoskeletal framework of squamous epithelia, which becomes more prominent in cornified stratified epithelia like the epidermis covering the body's outer surface. Here, keratins are abundant and densely packed, forming tonofilaments. It has been revealed that RKNPs significantly boosted cell proliferation and migration in laboratory settings. Moreover, when applied to dermal wounds in vivo, RKNPs facilitated improved wound healing, leading to enhanced epithelialization, vascularization, collagen deposition, and remodeling. Importantly, tests for in vivo biocompatibility showed no signs of systemic toxicity. RKNPs have potential as a promising approach for advancing wound healing and suggests new avenues for developing keratin based biomaterials. Furthermore, in the femoral artery injury model, the recombinant keratin proteins significantly reduced bleeding time compared to the control group (approximately 50 s vs. 270 s). Notably, K37 and K81 exhibited stronger haemostatic effects than extracted keratins (approximately 80 s) in treating rat liver injury. Additionally, the recombinant keratin proteins demonstrated a robust capacity to promote the formation of a fibrin clot at the injury site, effectively stopping the bleeding. Consequently, recombinant human hair keratins offer potential for developing novel haemostatic products based on keratin biomaterials. Hair keratins form intermediate filaments (KIFs) within trichocytes, specialized cells that contribute to hair formation. As these cells move upward in the cortex, KIFs aggregate, surrounded by a space called the matrix. KRTAPs, also known as KAPs, are a significant part of this matrix between KIFs. It's suggested that KRTAPs play a role in establishing a cross linked network with KIFs, contributing to the creation of the rigid hair shaft. However, this intricate process can be simplified into a few highly preserved gene families. In cortical keratinocytes, distinct patterns of keratin gene expression are evident, indicating the presence of different hierarchical transcription processes among various cell types. Examination of keratin gene promoter regions reveals conserved sequence motifs that might govern these cell specific traits. The intermediate filament network is formed by the necessary pairing of equal amounts of type I and type II keratins. While hair keratins, such as KRT81, are typical in hard keratinized structures like hair and nails, they are thought to serve as structural proteins specific to these organs without expression elsewhere, such as the mammary gland. KRT81, a type II hair keratin, is a major hair protein expressed in the hair cortex. Interestingly, despite being typically associated with hair structures, KRT81 expression has been observed in the SKBR3 human breast cancer cell line and metastatic lymph nodes of breast carcinomas, but not in normal breast epithelial cells. Moreover, the expressed KRT81 was found to be a 5′ truncated isoform (ΔHb1), with the full length protein not being expressed. However, the exact function of this truncated form in breast cancer cells remains unclear. Western blot analysis detected the presence of the complete 55 kDa KRT81 in various human breast cancer cell lines (MCF7, SKBR3, MDA MB 231), normal human mammary epithelial cells (HMEC), and non neoplastic cells (MCF10A). Reverse transcription polymerase chain reaction confirmed the expression of the full length KRT81, encompassing its 5' region, in breast cells. Immunohistochemical and immunofluorescence examinations located KRT81 within the cytoplasm. Additionally, in KRT81 knockdown MDA MB231 cells, zymography illustrated decreased MMP9 activity, while scratch and invasion assays demonstrated diminished cell migration and invasion capabilities. This presents the first evidence of complete KRT81 expression in both normal breast epithelial cells and breast cancer cells. Furthermore, the findings suggest that KRT81 plays a role in the migration and invasion of breast cancer cells.