Keratin Filaments

Keratin은 intermediate filament 중 가장 다양한 계열이다. 인간 유전체에는 54종의 distinct keratin이 존재하며, 그 중 약 20종은 서로 다른 유형의 상피세포에서, 나머지 약 10종은 모발과 손발톱에 특이적으로 발현된다.

구조와 조립

모든 keratin 필라멘트는 type I (acidic) keratin과 type II (neutral/basic) keratin이 1:1 비율로 결합된 heterodimer로 조립된다 (→ construction of intermediate filament). 이황화 결합(disulfide bond)으로 cross-linked된 keratin 네트워크는 세포가 죽은 후에도 유지될 수 있어, 피부 각질층, 모발, 손발톱, 발톱, 비늘 같은 단단한 외피 구조를 형성한다.

배양된 상피세포 시트에서 keratin 필라멘트 네트워크(파랑). 각 세포의 필라멘트는 desmosome을 통해 이웃 세포와 간접적으로 연결된다.

조직 내 연결

Keratin 필라멘트는 두 곳의 cell junction에 고정되어 상피 조직 전체에 걸쳐 기계적 강도를 전달한다.

• Desmosome: 세포-세포 접촉부에서 인접 세포의 keratin 네트워크를 연결
• Hemidesmosome: 세포-기질 접촉부에서 keratin 네트워크를 기저막(basal lamina)에 연결

표피의 분화 중에는 filaggrin 같은 accessory protein이 keratin 필라멘트를 bundling하여 최외각 피부층에 특유의 강도를 부여한다. Filaggrin 유전자 돌연변이는 습진(eczema) 같은 건성 피부 질환 소인을 유발한다.

Epidermolysis Bullosa Simplex

Keratin 유전자의 돌연변이는 여러 인간 유전 질환을 유발한다. 그 중 epidermolysis bullosa simplex는 표피 기저세포층(basal cell layer)에서 결함 있는 keratin이 발현될 때 발생한다. 아주 약한 기계적 자극에도 피부가 수포를 형성하는 것이 특징이다.

(A) 정상 피부 단면. (B) 돌연변이 keratin을 발현하는 형질전환 마우스의 피부 — 표피 기저층 세포가 파열되어 수포 형성(빨간 화살표). (C) 기저층 세포 모식도 — 세포는 핵과 hemidesmosome 사이에서 파열된다. 결함 있는 단백질이 정상 keratin과 공조립되어 필라멘트 네트워크를 전반적으로 교란시키기 때문이다.

Keratin의 중심 rod domain 말단 부위의 돌연변이가 이 질환을 일으키는 경우가 많아, 이 부분이 올바른 필라멘트 조립에 특히 중요함을 보여준다. 유사한 기전으로 구강 점막, 식도 점막, 각막 등 특정 조직에서 발현되는 keratin에 돌연변이가 생기면 해당 조직에서 수포 형성이 나타난다.

임상적 유용성

특정 상피세포 유형이 발현하는 keratin의 조합은 세포 유형마다 달라, 상피암(carcinoma) 진단에서 암의 기원 조직을 파악하고 치료 방향을 결정하는 데 활용된다.