ヘアケラチン
髪や爪に含まれるケラチンの種類

ヘアケラチンは、髪の毛や爪に含まれるケラチンの一種です。

関数

胎児期の表皮から発生する毛包は、人体で最も複雑な構造の一つへと進化し、7～8の異なる組織片から構成されます。[1]毛包の基部には毛球部があり、真皮乳頭と呼ばれる真皮線維芽細胞が存在します。真皮線維芽細胞は、毛包の形態形成と周期的な活動に不可欠です。これらの細胞を取り囲むのは、毛包の増殖区画であるマトリックス細胞領域です。マトリックス細胞領域は、毛包の様々な区画（ORSを除く）の形成と、毛髪の重要な構造要素である毛髪ケラチンおよびKAPと呼ばれる関連タンパク質の生成を担っています。[1]

ケラチンは動物に見られる重要な繊維状タンパク質で、毛、羽、爪、角などの強靭な構造を構成しています。組織の起源と硫黄含有量に基づいて分類されます。ソフトケラチンは硫黄含有量が低く、毛や爪に含まれるハードケラチンは硫黄を多く含み、より強固な構造を形成します。[2]ケラチンは、酸性のタイプ I と中性塩基性のタイプ II の 2 つのタイプに属し、タイプ I a と b、タイプ II a と b に分類されます。ケラチン形成の最初のステップは、タイプ I とタイプ II ケラチンポリペプチドが整列してヘテロダイマーを作成し、次にそれが凝集して高次の構造単位になることです。[2]他の中間径フィラメントサブユニットタンパク質と同様に、一般的な二次構造が存在します。それは最近の研究では、酸性ソフトケラチンと塩基性ソフトケラチンの相互作用は、ヘテロ二量体の形成から始まることが示唆されています。このヘテロ二量体は、酸性ケラチンと塩基性ケラチンのモノマーから構成されています。これらのヘテロ二量体のうち2つが結合してテトラマーを形成し、これが重合することで最終的に10ナノメートルのフィラメント構造が形成されます。[3]

安定性

ケラチンフィラメントは上皮細胞の構造安定剤としての役割から、生物学、発生学、病理学、皮膚科学の分野で大きな関心を集めています。この基本的な細胞骨格機能は、個々の細胞レベルを超えて広がっています。典型的には、ケラチンフィラメントはデスモソーム（図1b、d参照）およびヘミデスモソームに組み込まれ、細胞間の安定性だけでなく、特定の上皮内の基底膜および結合組織への接着にも寄与しています。[4]機械的ストレスが最小限に抑えられた内臓の非重層（単純）上皮では、細胞質内にまばらに分布するフィラメントを形成するケラチンの種類はごくわずかです。しかし、扁平上皮の中間径フィラメント細胞骨格構造には、より多数のケラチンの種類が関与しており、体外表面を覆う表皮のような角質化した重層上皮では、この構造がより顕著になります。ここではケラチンが豊富に存在し、密集してトノフィラメントを形成しています。[4]

傷の治癒

近年、ヒトの毛髪由来ケラチンの顕著な創傷治癒能力と優れた生体適合性に注目が集まっている。組換えDNA技術により生産された組換えケラチンタンパク質は抽出ケラチンに比べて純度が高いものの、その創傷治癒特性は未だ明らかになっていない。2種類の組換えトリコサイトケラチン（ヒトI型毛髪ケラチン37とヒトII型毛髪ケラチン81）が細菌発現システムを用いて発現され、続いて超音波分散により組換えケラチンナノ粒子（RKNP）が形成された。[5] RKNPは実験室環境で細胞増殖と遊走を著しく促進することが明らかになっている。さらに、RKNPを生体内の真皮創傷に適用したところ、RKNPは創傷治癒の改善を促進し、上皮化、血管新生、コラーゲン沈着、およびリモデリングの促進をもたらした。重要なことに、生体内生体適合性試験では全身毒性の兆候は見られなかった。 RKNPは創傷治癒を促進する有望なアプローチとしての可能性を秘めており、ケラチンベースの生体材料開発の新たな道を示唆している。[5]

出血の減少

ラットの肝穿刺モデルおよび大腿動脈損傷モデルを用いて、in vivo 止血効果試験を実施した。両モデルにおいて、K37 および K81 (10 mg) を創傷部位を覆うように塗布した。肝穿刺モデルでは、組換え K37 (約 38 秒) および K81 (約 40 秒) を投与した場合、溶媒単独 (約 170 秒、p < .01) と比較して出血時間が大幅に短縮し、総失血量も著しく減少した (p < .01)。[6]さらに、大腿動脈損傷モデルでは、組換えケラチンタンパク質が対照群と比較して出血時間を大幅に短縮した (約 50 秒 vs. 270 秒)。特に、K37 および K81 は、ラットの肝損傷の治療において、抽出ケラチン (約 80 秒) よりも強い止血効果を示した。さらに、組換えケラチンタンパク質は、損傷部位におけるフィブリン血栓の形成を促進し、出血を効果的に止血する強力な能力を示した。したがって、組換えヒト毛髪ケラチンは、ケラチンバイオマテリアルをベースとした新たな止血製品の開発につながる可能性を秘めている。[6]

種類

ヘアケラチンには2つの種類があります。

関連タンパク質

毛髪の層構造（コルテックスとキューティクル）は階層構造を形成しています。コルテックスは主にケラチンのコイルドコイルタンパク質相で構成されています。これらのタンパク質は中間径フィラメントへと集合し、徐々に大きな繊維を形成します。毛髪を包むのは、死んだ細胞からなるキューティクルです。様々なサンプルから得られたX線データは、コイルドコイルケラチン相、コルテックスにおける中間径フィラメントの発達、そして細胞膜複合体に関連する特定のシグナルを一貫して示しています。図は、シグナルの割り当てとそれぞれの長さスケールを示しています。

毛幹は主に毛ケラチンと関連タンパク質（KRTAP）で構成されています。KRTAPは、進化の歴史の中で遺伝子重複イベントによって生じた多様な遺伝子ファミリーの産物です。これらの遺伝子は通常小さく、1,000塩基対未満の長さの単一のエクソンで構成されています。過去10年間で、ヒトを含む哺乳類で多数のKRTAP遺伝子が特定されています。これらは、アミノ酸組成に基づいて、高硫黄（システイン<30モル%）、超高硫黄（システイン>30モル%）、および高グリシン/チロシンの3つのグループに分類されます。[7]毛ケラチンは、毛髪形成に寄与する特殊な細胞であるトリコサイト内で中間径フィラメント（KIF）を形成します。これらの細胞が皮質内を上方に移動すると、KIFは凝集し、マトリックスと呼ばれる空間に囲まれます。KRTAP（KAPとも呼ばれます）は、KIF間のこのマトリックスの重要な部分です。 KRTAPはKIFと架橋ネットワークを構築する役割を果たし、硬い毛幹の形成に寄与することが示唆されている。[7]

遺伝子発現

毛髪の成長過程において、毛包球細胞が急速に皮質またはキューティクル毛髪ケラチノサイトへと変化すると、約50～100個のケラチン遺伝子が転写レベルで活性化されます。[8]しかし、この複雑なプロセスは、高度に保存された少数の遺伝子ファミリーへと簡略化することができます。皮質ケラチノサイトでは、ケラチン遺伝子の発現パターンが明確に区別されており、様々な細胞種間で異なる階層的な転写プロセスが存在することを示しています。ケラチン遺伝子プロモーター領域の解析により、これらの細胞特異的な形質を支配している可能性のある保存された配列モチーフが明らかになりました。[8]さらに、ヒツジおよびヒトの関連するキューティクルケラチン遺伝子の単離により、キューティクル細胞の分化過程において保存されたDNAモチーフと発現パターンが発見されました。さらに、ヒツジウール毛包IF遺伝子および高硫黄ケラチン遺伝子のトランスジェニックマウスにおける発現は、毛髪ケラチン遺伝子に関連する調節DNA要素およびタンパク質が哺乳類種間で機能的に保存されていることを示唆しています。[8]

臨床的意義

乳癌

ケラチンは、サイトケラチンとして知られる大規模な多重遺伝子ファミリーを構成しています。これらのサイトケラチンは、様々な上皮細胞の種類間で発現が異なり、乳がんのマーカーとして広く研究されてきました。これらは酸性のI型サイトケラチンと、塩基性から中性のII型サイトケラチンに分類されます。[9]中間径フィラメントネットワークは、I型ケラチンとII型ケラチンが等量で結合することで形成されます。KRT81などの毛髪ケラチンは、毛髪や爪などの硬質ケラチン構造に典型的に見られますが、乳腺などの他の組織では発現せず、これらの組織に特異的な構造タンパク質として機能していると考えられています。

KRT81はII型毛髪ケラチンであり、毛髪皮質に発現する主要な毛髪タンパク質です。興味深いことに、KRT81は典型的には毛髪構造と関連しているにもかかわらず、ヒト乳がん細胞株SKBR3および乳がんの転移性リンパ節では発現が観察されているのに対し、正常乳腺上皮細胞では発現が観察されていません。さらに、発現したKRT81は5'末端切断型アイソフォーム（ΔHb1）であり、全長タンパク質は発現していないことが明らかになっています[9]。しかし、この切断型が乳がん細胞において正確に機能するか否かは依然として不明です。

ウェスタンブロット解析により、様々なヒト乳がん細胞株（MCF7、SKBR3、MDA-MB-231）、正常ヒト乳腺上皮細胞（HMEC）、および非腫瘍性細胞（MCF10A）において、55kDaのKRT81の完全鎖の存在が検出されました。[9] 逆転写ポリメラーゼ連鎖反応により、乳がん細胞において5'末端を含む全長KRT81の発現が確認されました。免疫組織化学および免疫蛍光染色の結果、KRT81は細胞質内に存在することが確認されました。さらに、KRT81ノックダウンMDA-MB231細胞では、ザイモグラフィーによりMMP9活性が低下していることが示され、スクラッチアッセイおよび浸潤アッセイでは細胞遊走能および浸潤能が低下していることが示されました。[9]これは、正常乳腺上皮細胞と乳がん細胞の両方でKRT81が完全鎖として発現していることを示す初めての証拠です。さらに、この研究結果は、KRT81 が乳がん細胞の移動と浸潤に役割を果たしていることを示唆しています。

参考文献

  1. ^ Rogers MA, Langbein L, Praetzel-Wunder S, Winter H, Schweizer J (2006年1月). 「ヒト毛髪ケラチン関連タンパク質（KAP）」 . International Review of Cytology . 251. Academic Press: 209– 263. doi :10.1016/S0074-7696(06)51006-X. ISBN 9780123646552. PMID  16939781 . 2023年11月28日閲覧.
  2. ^ ab Cruz CF, Azoia NG, Matamá T, Cavaco-Paulo A (2017年8月). 「ヒト毛髪ケラチンにおけるペプチド-タンパク質相互作用」. International Journal of Biological Macromolecules . 101 : 805–814 . doi :10.1016/j.ijbiomac.2017.03.052. hdl : 1822/56408 . PMID  28315768.
  3. ^ Yu J, Yu DW, Checkla DM, Freedberg IM, Bertolino AP (1993年7月). 「ヒト毛髪ケラチン」. The Journal of Investigative Dermatology . 101 (1 Suppl): 56S – 59S . doi :10.1111/1523-1747.ep12362635. PMID  7686952.
  4. ^ ab Moll R, Divo M, Langbein L (2008年6月). 「ヒトケラチン：生物学と病理学」.組織化学・細胞生物学. 129 (6): 705– 733. doi :10.1007/s00418-008-0435-6. PMC 2386534. PMID 18461349  . 
  5. ^ ab Gao F, Li W, Deng J, Kan J, Guo T, Wang B, Hao S (2019年5月). 「組み換えヒト毛髪ケラチンナノ粒子は皮膚創傷治癒を促進する」. ACS Applied Materials & Interfaces . 11 (20): 18681– 18690. doi :10.1021/acsami.9b01725. PMID  31038908. S2CID  141367865.
  6. ^ ab Guo T, Li W, Wang J, Luo T, Lou D, Wang B, Hao S (2018). 「出血を止めるための組み換えヒト毛髪ケラチンタンパク質」.人工細胞、ナノ医療、バイオテクノロジー. 46 (sup2): 456– 461. doi : 10.1080/21691401.2018.1459633 . PMID  29621887. S2CID  4620386.
  7. ^ ab Fujikawa H, Fujimoto A, Farooq M, Ito M, Shimomura Y (2012年7月). 「ヒト毛髪ケラチン関連タンパク質2（KRTAP2）遺伝子ファミリーの特性評価」. The Journal of Investigative Dermatology . 132 (7): 1806– 1813. doi : 10.1038/jid.2012.73 . PMID  22495175.
  8. ^ abc パウエル BC、ネスシー A、ロジャース GE (1991 年 12 月)。 「毛包分化におけるケラチン遺伝子発現の制御」。ニューヨーク科学アカデミーの年報。642 : 1–20 .土井:10.1111/j.1749-6632.1991.tb24376.x。PMID  1725577。S2CID 33504645  。
  9. ^ abcd 七島 暢、堀江 功、山田 剛、清水 剛、土田 聡 (2017年5月). 「毛髪ケラチンKRT81は正常細胞および乳がん細胞で発現し、それらの浸潤能に寄与する」. Oncology Reports . 37 (5): 2964– 2970. doi : 10.3892/or.2017.5564 . PMID  28405679.
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