表皮分化 (Epidermal Differentiation)
Keratin 表達隨分化階段改變
- 表皮分化是受嚴密調控的過程：將基底層增生中的細胞轉變為角質層的死亡角質細胞；過程中表達的 keratins 與連結蛋白高度對應分化狀態。
| 層次 | 主要 keratins |
|---|---|
| 基底層（具分裂活性） | 主要為 KRT5 + KRT14 配對；KRT15 表達量較少 |
| 棘層 | KRT5、KRT14 下調；誘導分化特異性 keratins KRT1 + KRT10 |
| 顆粒層 | 表達 KRT2（強化型 keratin, reinforcement keratin） |
- KRT15 也可與 KRT5 組裝，因此在缺乏 K14 時仍能提供角質細胞機械穩定性。
- 角質細胞移至基底上方進入棘層時退出細胞週期。
- 進一步成熟時，含基底上 keratins 的細絲平行於表面成束；最終角質細胞失去細胞質胞器，分化為無生命的角質細胞並脫落至環境中。
解剖分布受限的表皮 keratins
- KRT9：專一表達於掌蹠皮膚的基底上細胞。
- KRT6、KRT16、KRT17：表達於掌蹠表皮，以及甲床 (nail bed)、毛囊、皮脂腺與汗腺的角質細胞。
- 此群 keratins 會被受傷與紫外線輻射快速誘導，並出現於過度增生狀態 (hyperproliferative conditions)。
表皮發育與分化的調控路徑
三大類：(1) 建立與維持基底角質細胞；(2) 啟動與執行角質細胞終末分化；(3) 形成胚胎表皮。
1. 建立與維持基底角質細胞：TP63
- TP63 對表皮與附屬器發育的重要性，透過基因剔除小鼠模式得到證明。
- p63 蛋白至少有六種不同異構體 (isoforms)，依細胞環境而活化或抑制轉錄。
- p63 為表皮形態發生所必需：Trp63-null 小鼠無法發育出複層表皮；出生後暴露於環境即因脫水而迅速死亡。
- p63 缺乏的上皮細胞無法採取表皮命運 (epidermal fate)，突顯 p63 在指定表皮細胞系上的關鍵角色。
- p63 在基底角質細胞中調控多個基因的轉錄：
- 誘導表皮 keratins KRT5 與 KRT14。
- 同時抑制 KRT18（表達於單層上皮的 keratin）。
- 藉抑制細胞週期抑制因子，維持基底角質細胞的增生狀態。
2. 成熟表皮的分化
- 基底角質細胞歷經幾輪細胞分裂後，不可逆退出細胞週期、移至基底上方成為棘狀角質細胞。
- 此過程也由 p63 調控，特別是其 ΔNp63α 異構體：媒介細胞週期退出並誘導 KRT1 表達。
- p63 突變是一部分外胚層發育不良（以皮膚及其附屬器異常為特徵）的病因，進一步印證 p63 對正常表皮發育與分化的重要性。
Notch 訊息傳遞
- 棘層的形成需要 Notch 訊息。
- 小鼠模式：
- 消除 Notch 訊息 → 棘層極薄。
- 組成性活化 Notch 訊息 → 棘層擴張。
- Notch 訊息對控制發育中與出生後表皮的增生與分化之間的平衡至關重要。
細胞外鈣濃度
- 成熟表皮中，細胞外鈣濃度存在由基底層向角質層遞增的梯度。
- 提高培養角質細胞培養液中的鈣濃度，可誘導與體內類似的分化程式，並依序表達終末分化標記。
鈣反應性蛋白：顆粒層形成的關鍵
- 蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC) 家族：由鈣訊息活化，專一作用於棘狀細胞→顆粒細胞的轉換。
- 雙重角色：一方面下調 KRT1 與 KRT10 表達，另一方面誘導顆粒層角質細胞的標記——loricrin、filaggrin、轉麩醯胺酸酶。
- 鈣感應受體 (calcium-sensing receptor)：專一表達於顆粒層角質細胞。
- 缺乏功能性鈣感應受體的小鼠無法正常形成顆粒層。
- 在基底角質細胞過度表達鈣感應受體 → 棘層與顆粒層擴張。
3. 胚胎表皮的發育：中間細胞層
- 表皮形態發生期間，基底角質細胞不像出生後皮膚那樣直接分化為棘狀角質細胞。
- 而是先分化為中間角質細胞 (intermediate keratinocytes)：與棘狀細胞一樣表達 KRT1，但不同於棘狀細胞——中間角質細胞仍會增生。
- 中間細胞層只在表皮形態發生期間短暫存在；中間角質細胞最終分化為棘狀與顆粒層角質細胞，再進行進一步終末分化。
- 中間細胞層的重要性由中間細胞無法成熟為棘狀與顆粒細胞的小鼠模式證明。此分化阻斷發生於：
- 缺乏 IKKα (inhibitor of κB kinase-α) 表達的小鼠
- 缺乏 IRF6 (interferon regulatory factor 6) 的小鼠
- 缺乏 Ovol1 (ovo-like 1) 的小鼠
- 表達突變型 14–3–3σ 蛋白的小鼠
- 所有情況共同結果：中間細胞層擴張、終末分化受破壞，因而無法建立屏障功能，導致新生期致死 (neonatal lethality)。
圖 56-7：細胞角蛋白 (cytokeratin) 表達。Type II（鹼性）keratins 以黃色表示 (KRT1–KRT8；KRT76)，type I（酸性）keratins 以藍色表示 (KRT9–KRT20)。