• Кератины являются облигатными гетерополимерами белков типа I и II
• Характер совместной экспрессии кератинов обоих видов служит показателем степени дифференцировки клеток эпителия и их пролиферативного статуса
• К числу наименее специализированных относятся простые кератины К8 и К18
• Из белков всех промежуточных филаментов наиболее сложным и варьирующим типом экспрессии отличаются кератины, выполняющие барьерную функцию
• Структурные кератины твердых опорных структур отличаются от других кератинов и, вероятно, принадлежат к эволюционно наиболее поздним белкам
Большинство генов белков промежуточных филаментов у человека кодируют кератины. Как показано в таблицах ниже, известно 28 кератинов, относящихся к типу I, и 26 белков, относящихся ко II типу. В ткани эпителия кератины, которые иногда называются цитокератинами, экспрессируются совместно, т. е. как тип I/тип II. Экспрессия кератинов является настолько характерной особенностью клеток эпителия, что их присутствие может служить признаком эпителиальной ткани. Ткани, которые не экспрессируют кератины (например, клетки эндотелия кровеносных сосудов) не относятся к эпителиальным.
Кератиновые филаменты связаны с межклеточными контактами (десмосомами) и с местами контактов клетки с матриксом (полудесмосомами).
Все вместе образует структурную сеть, которая особенно характерна для многослойного эпителия, например эпидермиса. Основные кератины эпителиального слоя подразделяются на группы в зависисмости от заряда и молекулярной массы. В состав группы К1 (тип II) входят наиболее крупные и основные белки, а в состав группы К19 — более мелкие и кислые белки группы I.
Каждый кератин группы I экспрессируется совместно с кератином группы II, и каждая пара характерна для степени дифференцировки и специализации определенного типа клеток эпителия. Хотя in vitro любой из кератинов, относящихся к I или II типу, будет образовывать филаменты с различными комплементарными кератинами другого типа, in vivo они проявляют гораздо большую селективность, образуя специфические пары.
Экспрессия таких пар кератинов тесно связана со специфическими направлениями дифференцировки эпителия или даже с различными стадиями этого процесса, и присутствие одного представителя пары почти всегда служит признаком наличия другого. С функциональной точки зрения, пары кератинов можно подразделить по крайней мере на три группы: простые, барьерные и структурные кератины.
Экспрессия кератинов характеризуется тканевой специфичностью.
Они экспрессируется попарно: тип I/тип II.
Каждая пара характерна для специфического типа дифференцировки эпителия. Выделены первичные кератины.
Кератины экспрессируются в клетках эпителия. Эпителиальная ткань представляет собой тип тканевой организации, который характеризуется плотной упаковкой клеток в один или несколько слоев. Эпителий образует границу органов, а также секреторных и всасывающих протоков. В этих случаях обычно говорят об однослойном эпителии, клетки которого непосредственно контактируют с подлежащим слоем внеклеточного матрикса (базальной ламины), а свободная поверхность открыта в просвет протока или кишки.
Крайний случай представляет собой многослойный или стратифицированный эпителий, образующий основную барьерную ткань оболочек тела и органов. К этому типу относятся эпидермис, покрывающий внешнюю поверхность тела, а также специализированный эпителий, выстилающий отверстия и полости прилегающих к ним протоков. Клетки стратифицированного эпителия обычно называют кератиноцитами. Ткань стратифицированного эпителия также формирует дополнительные структуры эмбрионального происхождения, состоящие из специализированного сложного эпителия, образующего, например, железы, волосы и ногти, которые могут включать участки, состоящие из простого эпителия.
Наружные клетки полностью сформировавшегося стратифицированного барьерного эпителия плоской или чешуйчатой формы. Этот эпителий обычно состоит из 6-10 слоев клеток Чтобы защитить тело от физических, химических и канцерогенных воздействий, клетки постоянно обновляются.
Клетки эпителия скрепляются вместе посредством десмосом, а также полудесмосом с субстратами. Все контакты в виде плотной сети, состоящей из связок кератиновых филаментов, проходят через цитоплазму каждой клетки. По сравнению с клетками других типов, кератиноциты многослойного эпителия экспрессируют большее количество и более широкий набор белков промежуточных филаментов, что связано с тем, что эти клетки должны противостоять массивным внешним физическим воздействиям.
Состав специфических белков кератиновых филаментов, которые экспрессируются в эпителиальных клетках, зависит от локализации и физиологического состояния последних. Особенно отчетливо это прослеживается в изменении экспрессии кератина, которое происходит при дифференцировке клеток стратифицированного эпителия. К числу наименее дифференцированных клеток стратифицированного эпителия принадлежат базальные клетки, которые еще сохраняют контакт с базальной мембраной. Эти клетки еще способны к делению, некоторые из них являются стволовыми клетками ткани, и делиться крайне редко, однако большая часть клеток делится, обеспечивая тем самым рост ткани.
После того как базальная клетка разделилась, одна из дочерних клеток покидает базальный компартмент и перемещается в первый супрабазальный слой. В результате этого важного перемещения клетка выходит из-под прямого влияния базальной мембраны и сигналов роста и становится коммитированной к терминальной дифференцировке. Затем клетка начинает свой путь к поверхности эпителия. Этот путь представляет собой процесс терминальной дифференцировки, который в конце концов завершается гибелью клетки и ее потерей из ткани. Рисунок ниже иллюстрирует прогрессирующие изменения экспрессии кератинов, связанные с выходом некоторых клеток из пролиферативного компартмента и их коммитированием к дифференцировке.
В процессе развития первыми экспрессируются простые кератины. В этой группе первичные или универсальные кератины представлены белками К8 (тип II) и К18 (тип I). Они присутствуют в ранних эмбриональных клетках и, по-видимому, представляют собой эволюционно наиболее древние кератины. Их экспрессия минимальна, что соответствует наименее дифференцированному состоянию кератинов, характерному для функционального эпителия, пласт которого состоит из поляризованных и плотно, без промежутков, скрепленных между собой клеток.
Последовательность экспрессии основных кератинов в однослойном (например, в железистом) и барьерном (например, в ороговевающем или слизистом) эпителии.
Первичные кератины выделены жирным шрифтом. Вариабельные или минорные кератины не показаны.
Экспрессия кератинов зависит от положения клеток в ткани и, таким образом, от ее пролифертивного статуса:
утрата контакта клеток с базальным слоем приводит к их выходу из цикла и к вступлению в дифференцировку.
У позвоночных К8 и К18 представляют собой белки с наиболее консервативной первичной структурой и присутствуют в клетках на всех ступенях развития, от яйцеклетки до зрелой ткани. Все эмбриональные клетки экспрессируют К8 и К18 до стадии гаструляции, когда некоторые эктодермальные клетки начинают дифференцироваться, образуя слой мезодермы, прекращают синтез К8/К18, и начинают экспрессировать виментин, белок, относящийся к типу III.
Белки К8 и К18 продолжают экспрессироваться в клетках эмбрионального эпителия до тех пор, пока эти клетки не станут коммитированными к специфическому направлению морфогенеза, т. е. когда они начинают экспрессировать тканеспецифические белки промежуточных филаментов. Во взрослом организме К8 и К18 характерны для клеток простого эпителия, обладающих секреторными и/или всасывающими функциями, например клеток желез, печени, дыхательного эпителия и желудочно-кишечного тракта. Эти белки экспрессируются в клетках различных карцином, и антитела к ним широко используются для диагностики различных патологических состояний. Наряду с первичными кератинами, известны, по меньшей мере, еще два простых кератина, К7 (близкий к К8 в основном содержится в клетках протоков желез) и К20 (близкий к К18, который содержится в отделах желудочно-кишечного тракта).
Барьерные кератины характерны для стратифицированного эпителия. К первичным, или основным, кератинам этой группы относятся К14 (тип I) и К5 (тип II), присутствующие в кератиноцитах базального слоя стратифицированного сквамозного эпителия, например эпителия кожи. Этот слой, состоящий из одного ряда базальных клеток, экспрессирующих К5/К14, представляет собой наименее дифференцированный тканевой компартмент, сохраняющий способность к пролиферации. В сложном железистом эпителии, наряду с простыми клетками, экспрессирующими К8/К18, находятся базальные клетки, экспрессирующие К5/К14. В некоторых тканях базальные пролиферирующие клетки экспрессируют другие кератины, например К19, К15 и К6/К17.
Когда клетки выходят из базального слоя, они прекращают продуцировать К5/К14 и начинают экспрессировать вторую пару кератинов, специфичную для дифференцирующихся клеток. В эпидермисе это кератины К1 типа II и К10 типа I. Экспресия вторичных кератинов в супрабазальных слоях клеток зависит от типа ткани. Один набор кератинов, представляющий собой изоформы К6, а также К16 и К17, проявляет свойства стрессорных белков эпидермиса, и их синтез индуцируется вскоре после раневых повреждений и воспалительного процесса. В других тканях эти «стрессорные» кератины экспрессируются постоянно, и этим тканям свойственна роль характерных индукторов воспаления.
Таким образом, пролиферативный компартмент (базальный слой клеток) многослойного барьерного эпителия характеризуется спектром синтеза кератинов отличным от дифференцирующегося компартмента (супрабазальных слоев). Для этих барьерных тканей выход клеток из цикла тесно связан с остановкой синтеза первичных кератинов и с началом синтеза вторичных, специфичных для процесса дифференцировки. Кератины клеток супрабазального слоя обеспечивают большую тканевую упругость, и экспрессия нескольких вторичных кератинов может препятствовать делению клеток в митозе и, таким образом, несовместима с пролиферацией.
Третья группа «структурных» кератинов включает большое количество белков промежуточных филаментов, которые экспрессируются только в специализированных поддерживающих структурах, таких как волосы и ногти. К ним относятся кератины клеток волос или трихоцитов, образующих эти структуры, а также специализированные кератины, образующиеся в продуцирующих их эпителиальных клетках. Первичная структура этих двух типов структурных кератинов различна, и считается, что у позвоночных они представляют собой поздний продукт эволюции.
Последовательная экспрессия структурных кератинов особенно характерна для волосяных фолликулов. Первая группа структурных кератинов экспрессируется в концентрических слоях эпителиальных трубочек внутреннего корневого чехла волосяного фолликула. Эта структура становится очень прочной и формирует основную часть волоса. Вторая группа опорных кератинов (трихоцитов или клеток волоса) экспрессируется в основной части волоса, ногтях, некоторых опорных клетках поверхностных сосочков языка (что характерно для языка кошачьих), и в небольшом количестве в тимусе. Эти кератины трихоцитов отличаются высоким содержанием цистеина и пролина в головных и хвостовых доменах.
Последнее позволяет им образовывать дисульфидные связи с белками, которые находятся в цитоплазме клеток волоса по мере дифференцировки и упрочения последних. Эти белки не входят в состав филаментарных структур и называются белками, связывающимися с кератином. Наличие дисульфидных связей приводит к образованию очень прочных структур, формирующих поддерживающую ткань.
Иммуногистохимическое окрашивание простых кератинов на срезе слизистой толстого кишечника.
Локализация двух кератинов I типа, К18 и К20 определена с помощью двух моноклональных антител с последующим иммунопероксидазным выявлением.
Кератины окрашиваются коричневым цветом на фоне голубой окраски гематоксилином.
Первичный кератин К18 находится во всех клетках простого эпителия, в то время как К20 специфичен для определенных клеток желудочно-кишечного тракта.
Как видно на препарате, его присутствие отмечено только в более дифференцированных клетках эпителия, по мере миграции клеток вверх от основания крипты.
Тканевая специфичность экспрессии кератина в коже.
На срезах, окрашенных антителами к К7, простому кератину типа II, видны только секреторные клетки потовых желез (иммунопероксидазой окрашиваются в темно-коричневыц цвет).
Многослойный ороговевающий барьерный эпителий (эпидермис) не окрашивается антителами, и после окраски гематоксилином ядра имеют бледно-голубую окраску.
Справа: срез плотного эпидермиса, окрашенный антителами на К10,
тип I вторичный или тканеспецифичный кератин, экспрессирующийся в постмитотических супрабазальных клетках ороговевших барьерных тканей.
Базальный слой клеток не окрашивается антителами, и ядра окрашены в синий цвет.
Белки промежуточных филаментов человека, относящиеся к гомологичной группе типа I (кератины типа I).
Белки сгруппированы в простые кератины (клетки простого эпителия), барьерные кератины (характерные для многослойного чешуйчатого эпителия и эпителия сложной структуры)
и в два типа структурных кератинов, связанных с эпидермальными элементами
Белки промежуточных филаментов человека, относящиеся к гомологичной группе типа II (кератины типа II).
Белки сгруппированы в простые кератины (клетки простого эпителия),
барьерные кератины (характерные для многослойного ороговевающего эпителия и эпителия сложной структуры)
и в два типа структурных кератинов, связанных с эпидермальным элементами.
