ケラチン

ケラチン（/ ˈ k ɛr ə t ɪ n / ^{[1] [2] ）は、}硬タンパク質としても知られる構造繊維状タンパク質のファミリーの1つです。アルファケラチン（αケラチン）は、脊椎動物に見られるケラチンの一種です。脊椎動物の鱗、毛、爪、羽、角、爪、ひずめ、皮膚の外層を構成する主要な構造物質です。ケラチンはまた、上皮細胞を損傷やストレスから保護します。ケラチンは水や有機溶媒に非常に溶けにくいです。ケラチンモノマーは束になって中間径フィラメントを形成し、これは丈夫で、爬虫類、鳥類、両生類、哺乳類に見られる強力な非ミネラル化表皮付属器を形成します。^{[3] [4]過度の角質化は、}牛やサイ の角、アルマジロの皮骨などの特定の組織の強化に関与しています。^[5]角質化組織の強度に近いことが知られている唯一の他の生物学的物質はキチンです。^{[6] [7] [8]ケラチンには、すべての脊椎動物に見られる原始的で柔らかい形態と、}竜弓類（爬虫類と鳥類） にのみ見られるより硬い派生形態の2種類があります。

クモの糸はケラチンに分類されますが^[9] 、このタンパク質の生成は脊椎動物のプロセスとは独立して進化した可能性があります。

アルファケラチン（αケラチン）はすべての脊椎動物に存在します。これらは、毛（羊毛を含む）、皮膚の外層、哺乳類の角、爪、鉤爪、ひずめ、ヌタウナギの粘液糸を形成します。^[4]濾過摂食するクジラのヒゲ板もケラチンでできています。ケラチンフィラメントは、表皮の角質層のケラチノサイトに豊富に存在し、これらは角質化したタンパク質です。これらは一般に上皮細胞にも存在します。たとえば、マウス胸腺上皮細胞は、ケラチン5、ケラチン8、およびケラチン14に対する抗体と反応します。これらの抗体は、胸腺の遺伝学的研究において、マウス胸腺上皮細胞のサブセットを区別するための蛍光マーカーとして使用されます。

より硬いベータケラチン（β-ケラチン）は、竜弓類、つまり現生爬虫類と鳥類にのみ見られる。爬虫類の爪、鱗、鉤爪、一部の爬虫類の甲羅（リクガメ、スッポン、スッポンなどのカメ目）、鳥類の羽、嘴、鉤爪に見られる。[ 10 ]^{これらのケラチンは主に}ベータシートで形成される。しかし、ベータシートはα-ケラチンにも見られる。^[11]最近の研究で、竜弓類のβ-ケラチンは遺伝的および構造的レベルでα-ケラチンとは根本的に異なることが示された。α-ケラチンとの混同を避けるため、 新しい用語として角質ベータタンパク質（CBP）が提案されている。 ^[12]

ケラチン（サイトケラチンとも呼ばれる）は、脊索動物（脊椎動物、両生類、尾索動物）にのみ見られるタイプ I およびタイプ II中間径フィラメントのポリマーです。線虫やその他多くの非脊索動物は、核を構成する繊維であるタイプ VI中間径フィラメントのみを持っているようです。

ヒトゲノムは54個の機能的なケラチン遺伝子をコードしており、12番染色体と17番染色体の2つのクラスターに位置しています。これは、これらの遺伝子がこれらの染色体上の一連の遺伝子重複から発生したことを示唆しています。^[13]

ケラチンには以下のタンパク質が含まれ、そのうちKRT23、KRT24、KRT25、KRT26、KRT27、KRT28、KRT31、KRT32、KRT33A、KRT33B、KRT34、KRT35、KRT36、KRT37、KRT38、KRT39、KRT40、 KRT71、 KRT72、KRT73、KRT74 、 KRT75 、 KRT76 、 KRT77 、 KRT78 、 KRT79 、 KRT8 、 KRT80 、 KRT81 、 KRT82 、 KRT83 、 KRT84 、 KRT85 、 KRT86は20年以降ケラチンを表すために使用されてきました。[ ^14]

ケラチンの最初の配列は、イスラエル・ハヌコグルとエレイン・フックス（1982、1983）によって決定されました。^{[16] [17]}これらの配列から、2つの異なるが相同なケラチンファミリーが存在することが明らかになり、タイプIケラチンとタイプIIケラチンと名付けられました。^[17]これらのケラチンと他の中間径フィラメントタンパク質の一次構造を解析することで、ハヌコグルとフックスは、ケラチンと中間径フィラメントタンパク質には、中央に約310残基のドメインがあり、αヘリックス構造の4つのセグメントが、βターン構造をとると予測される3つの短いリンカーセグメントで区切られているというモデルを提唱しました。^[17]このモデルは、ケラチンのヘリックスドメインの結晶構造の決定によって確認されました。^[18]

ヒトゲノムには54の機能注釈付きケラチン遺伝子があり、そのうち28個はケラチンタイプ1ファミリーに属し、26個はケラチンタイプ2ファミリーに属します。^[19]

繊維状ケラチン分子は超らせん構造を形成し、非常に安定した左巻きの超らせんモチーフを形成して多量体化し、ケラチンモノマーの複数のコピーからなるフィラメントを形成します。^[20]

コイルドコイル構造を維持する主な力は、ケラチンのらせんセグメントに沿った非極性残基間の疎水性相互作用である。 ^[21]

皮膚、軟骨、骨に含まれる（無関係な）構造タンパク質コラーゲンの三重らせん構造でも、同様にグリシンの割合が高いのは、内部空間が限られているためです。結合組織タンパク質エラスチンも、グリシンとアラニンの両方の割合が高いです。β-ケラチンと考えられているシルクフィブロインは、これら2つが全体の75～80％、セリンが10～15％で、残りはかさばる側鎖を持っています。鎖は反平行で、C → Nの向きが交互になっています。^{[22]小さくて}反応しない側鎖を持つアミノ酸が多数あるのは構造タンパク質の特徴であり、化学特異性よりも水素結合による密なパッキングが重要です。

分子内および分子間の水素結合に加えて、ケラチンの特徴は、多量の硫黄含有アミノ酸システインの存在である。これは、非タンパク質硫黄結合が加硫ゴムを安定化させるのとほぼ同じ方法で、熱的に安定した永久架橋によって強度と剛性を高めるジスルフィド結合に必要なものである^[23]。人間の髪の毛は約14％のシステインを含む。髪や皮膚が燃えるときに感じる刺激臭は、形成される揮発性硫黄化合物によるものである。広範囲にわたるジスルフィド結合は、解離剤や還元剤などの少数の溶媒を除いて、ケラチンの不溶性の一因となっている。

より柔軟で弾力性のある毛髪のケラチンは、哺乳類の 指の爪、ひずめ、鉤爪（相同構造）のケラチンよりも鎖間ジスルフィド結合が少なく、これらのケラチンはより硬く、他の脊椎動物のクラスの類似物に似ています。^[24]毛髪やその他のαケラチンは、αらせん状に巻かれた単一のタンパク質鎖（規則的な鎖内水素結合）で構成されており、これがさらにねじれて超らせん状のロープになり、さらにコイル状になっている場合があります。爬虫類と鳥類のβケラチンは、βプリーツシートがねじれ合ってジスルフィド結合によって安定化され、硬化しています。

チオール化ポリマー（チオマー）は、ケラチンのシステイン部分構造とジスルフィド結合を形成し、これらのタンパク質に共有結合します。 [ ^{25]そのため、チオマーは毛髪[26]} 、皮膚^{[27]、[28] 、および多くの細胞型[29]}の表面にあるケラチンに対して高い結合特性を示します。

ケラチンは「硬い」と「柔らかい」、または「サイトケラチン」と「その他のケラチン」に分けられると提案されている。 ^{[説明が必要] [疑わしい–議論が必要]}このモデルは現在正しいと理解されている。2006年にケラチンを説明するために追加された新しい核モデルでは、この点が考慮されている。^[14]

ケラチンフィラメントは中間径フィラメントです。すべての中間径フィラメントと同様に、ケラチンタンパク質は二量体化から始まる一連の組み立てステップでフィラメント状のポリマーを形成します。二量体は四量体、八量体に組み立てられ、最終的には、現在の仮説が成り立つ場合、端から端まで長いフィラメントにアニールできる単位長フィラメント (ULF) になります。

角化とは、重層扁平上皮組織に表皮バリアを形成するプロセスです。細胞レベルでは、角化は次のような特徴があります。

• ケラチンの生成
• 最終的に細胞膜の下に角質化した細胞膜を形成する、小型プロリンリッチタンパク質（SPRR）とトランスグルタミナーゼの産生
• 末端分化
• 角質化の最終段階での核と細胞小器官の喪失

代謝が止まり、細胞はほぼ完全にケラチンで満たされます。上皮分化の過程で、ケラチンタンパク質がより長いケラチン中間径フィラメントに組み込まれると、細胞は角質化します。最終的に、核と細胞質器官は消え、代謝が止まり、細胞は完全にケラチン化してプログラム死します。真皮細胞など、他の多くの細胞タイプでは、ケラチンフィラメントと他の中間径フィラメントは、細胞骨格の一部として機能し、物理的ストレスに対して細胞を機械的に安定化します。これは、デスモソーム、細胞間接合プラーク、およびヘミデスモソーム、細胞基底膜接着構造との結合を通じて行われます。

表皮の細胞にはケラチンの構造マトリックスが含まれており、これが皮膚の最外層をほぼ防水状態にし、コラーゲンやエラスチンとともに皮膚に強度を与えています。摩擦や圧力により、表皮の外側の角質層が厚くなり、保護用の角質が形成されます。これは、運動選手や弦楽器を演奏するミュージシャンの指先に役立ちます。角質化した表皮細胞は絶えず剥がれ落ち、入れ替わります。

これらの硬い外皮構造は、皮膚の奥深くの特殊な細胞床で生成された死んだ角質細胞から形成された繊維の細胞間接着によって形成されます。毛は継続的に成長し、羽毛は脱皮して再生します。構成タンパク質は系統学的には相同である可能性がありますが、化学構造と超分子組織は多少異なります。進化的関係は複雑で、部分的にしかわかっていません。羽毛のβケラチンには複数の遺伝子が特定されており、これはおそらくすべてのケラチンの特徴です。

昆虫やクモが生成する絹 フィブロインはケラチンに分類されることが多いが、脊椎動物のケラチンと系統発生的に関連があるかどうかは不明である。

昆虫の蛹やクモの巣、卵殻に見られるシルクも、ねじれたβプリーツシートが繊維に組み込まれ、より大きな超分子凝集体に巻かれています。クモの尾にある紡糸口金の構造と内部の腺の寄与により、高速押出しが驚くほど制御されます。クモの糸の厚さは通常約1～2マイクロメートル（μm）ですが、人間の髪の毛は約60μmで、一部の哺乳類ではさらに厚くなります。シルク繊維の生物学的および商業的に有用な特性は、複数の隣接するタンパク質鎖がさまざまなサイズの硬い結晶領域と、鎖がランダムに巻かれた柔軟な非晶質領域とを交互に形成することによって決まります。^[30]シルクの代用品として開発されたナイロンなどの合成ポリマーでも、いくぶん似た状況が発生します。スズメバチの繭のシルクには、芯とコーティングを備えた幅約10μmのダブレットが含まれており、最大10層に配列されている可能性があり、さまざまな形状のプラークになっていることもあります。成虫のスズメバチもクモと同様に糸を接着剤として使います。

ケラチンの異常な増殖は、角化症、角質増殖症、角化皮膚炎などさまざまな症状で発生する可能性があります。

ケラチン遺伝子発現の変異は、次のような結果をもたらす可能性があります。

• 円形脱毛症
• 単純性表皮水疱症
• シーメンス水疱性魚鱗癬
• 表皮剥離性角化症
• 多発性脂肪囊腫
• 咽頭角化症
• ラブドイド表現型を伴う大細胞肺癌におけるラブドイド細胞の形成^{[31] [32]}

水虫や白癬などのいくつかの病気は、ケラチンを餌とする感染性真菌によって引き起こされます。 ^[33]

ケラチンは摂取すると消化酸に対して非常に耐性があります。猫は毛づくろい行動の一環として定期的に毛を摂取するため、徐々に毛玉が形成され、口から排出されるか排泄されます。人間の場合、食毛症はラプンツェル症候群を引き起こす可能性があります。これは極めてまれですが、致命的となる可能性のある腸の病気です。

ケラチン発現は未分化癌における上皮起源の判定に役立つ。ケラチンを発現する腫瘍には、癌腫、胸腺腫、肉腫、絨毛性腫瘍などがある。さらに、ケラチンサブタイプの正確な発現パターンにより、転移を評価する際に原発腫瘍の起源を予測することができる。例えば、肝細胞癌は通常CK8とCK18を発現し、胆管癌はCK7、CK8、CK18を発現するが、大腸癌の転移はCK20を発現するがCK7は発現しない。^[34]

• ケラチン関連タンパク質（KRTAP）
• ケラチンの変異によって引き起こされる皮膚疾患のリスト
• ヒトの外皮系で発現するケラチンのリスト
• ケラチンのリスト
• ケラチナーゼ

ウィキソースには、 1920 年のアメリカ百科事典の記事 「ケラチン」のテキストがあります。

• シルクの組成とβシート構造
• Hair-Science.com の髪の毛の微細構造に関する記事
• プロテオペディアのケラチンに関するページ