Ch.5 Growth and Differentiation of the Epidermis 表皮的生長與分化

1. Overview（總覽）

• Epidermis 一方面要終生維持幾乎無法穿透的 barrier，一方面快速更新，每 2 weeks 替換一次，還要能癒合傷口。p.62
• Basal layer 的 progenitor cells 有很高的增生與 self-renewal 能力；分化細胞的主要角色是產生 barrier。p.62
• At-a-glance 三重點：p.62
  • Epidermal homeostasis 與 wound healing 由 basal layer 的 stem/progenitor cells 增生驅動。
  • Epidermal differentiation 由 transcription factors、chromatin modifiers、posttranscriptional regulators 交互調控。
  • Terminal differentiation 產生兩種 barrier：tight junctions 與 cornified envelopes。
• 本章部分結論來自 mouse skin；mouse 與 human epidermis 結構不同，但在許多情況下（in many cases）有 cultured human cells 或人類疾病的研究佐證其中部分（some）mice 的發現。p.62

2. Epidermal Stem Cells & Niche（表皮幹細胞與微環境）

• Stem cells：能自我更新、又能長時間產生分化子代的 progenitor cells。Howard Green 等人建立 epidermal stem cells 的培養，並用於治療 burn wounds，是 adult stem cells 用於 regenerative therapy 的早期例子。p.62
• 對 interfollicular epidermis stem cells 的了解落後於 hair follicle stem cells（見 ch7）。p.62
• 培養的 human epidermal cells 自我更新能力不一：只分裂幾輪者可能是 transit-amplifying cells（高度增生但壽命短）；能強力自我更新者是 putative stem cells。p.62
• 高表現 β1 integrin、LRIG1、CD46 的 basal cells，在體外 self-renewing capacity 較高，在完整皮膚中傾向成簇分布；single-cell sequencing 顯示這群細胞內可能仍有 heterogeneity。p.62
• Mouse epidermis 的 progenitor 階層仍有爭議：有研究認為 basal layer 是單一 unipotent population，也有證據支持至少 2 種增生動態與 marker 不同的 progenitor cells。p.62
• Niche：幹細胞平常所處的組織微環境，包括 cell–cell 與 cell–matrix communication、soluble secreted factors（inflammatory、nervous 與其他常駐細胞）與局部組織力學性質。p.62–63
• Human interfollicular epidermis 的 niche 不明確：研究分別認為散布於整個 basal layer，或位於 rete ridges 的頂端或底部。p.63
• 不論位置，basal progenitor cells 的分化子代大多在其正上方排成 columns，往上移動時沒有明顯 lateral movement。p.63

McKee 補充：皮膚 stem cells 位於 hair follicle 的 bulge、interfollicular epidermis 的 basal layer 與 sebaceous glands 基部；一種假說是 epidermal proliferation unit（一個 stem cell 加約 10 個 transient amplifying cells）。McKee p.6 Follicle stem cells 平常只維持 pilosebaceous unit，除非皮膚受傷才參與 interfollicular epidermis。McKee p.7

3. Epidermal Proliferation（表皮增生）

• 恆定更新與傷口癒合都需要持續增生；cancer 與 psoriasis 等疾病則有不當增生。p.63
• 影響增生的外在訊號包括 endothelial signals、inflammatory signals、extracellular matrix rigidity 等，genetic mutations 也可影響（can impact）增生。p.63
• 許多（many of the）主要發育訊號路徑，包括 Wnt、Notch、Yap、Hedgehog，在生理與病理狀態都調控表皮增生；主要下游目標包括 Ras-MAPK 與 PI3K/AKT/PTEN，調控生長與細胞週期。p.63

4. Structural Markers of Differentiation（各層分化標記）

Fig. 5-1 圖說，p.63；所有細胞都有 desmosomes，但組成隨分化改變。Stratum corneum 見 p.66。

5. Basal Cells & Keratins（基底細胞與角蛋白）

• Basal progenitor cells 以 mitotic activity 為特徵，最常以 keratins 5 and 14 標記115-31。p.63
• Keratins 屬 intermediate filament family，是 obligate heterodimers，組裝成 polymers；表現具組織與細胞種類特異性（Table 5-1）。p.63–64
• 表皮中 keratin filaments 穩定 cell–cell 的 desmosomes 與 cell–substratum 的 hemidesmosomes，兩者都提供 mechanical anchoring；hemidesmosomal、desmosomal 與 keratin 基因突變造成各型 epidermolysis bullosa（詳見 ch60；Table 5-2）。p.64
• Basal keratinocytes 另以 focal adhesions 附著於基質：連結 filamentous actin，具多種角色，包括促進 keratinocyte survival 與 proliferation。p.64
• 所有 keratinocytes（含 basal）都有 adherens junctions（actin-based），功能涵蓋細胞結構、growth control 與 inflammation。p.64
• Basal → spinous 的細胞產生：胚胎發育時靠 mitotic spindle reorientation 與 asymmetric cell divisions；成年 mouse skin 似乎以 basal cells 從 basement membrane delamination 後向上移動為主；human epidermis 兩者的相對貢獻尚不清楚。p.64

McKee 補充：另一理論認為部分 basal cells（murine studies 中可能多達 70%）可進行 asymmetric cell division，一個子細胞保持增生、另一個進入 terminal differentiation，可不需 transient amplifying cells。McKee p.6

Table 5-1 Keratin family（重點摘錄）

Table 5-1，p.64（依原頁圖片整理；K24 為 unknown）。

McKee 補充：人類有 54 個 functional keratin genes；simple epithelia 特徵為 K8/K18，stratified squamous epithelia 為 K5/K14；suprabasal 的 K1/K10 是 epidermal differentiation 的特徵115-31。K15 表現於部分 interfollicular basal keratinocytes 與 bulge；K9 限於 palmoplantar epidermis，K2 限於 superficial interfollicular epidermis。Wound healing 與 psoriasis 等 hyperproliferation 時，suprabasal 的 K6/K16/K17 會迅速被誘導。McKee p.5

6. Spinous Cells & Desmogleins（棘狀細胞與 desmoglein）

• Basal → spinous：細胞由 mitotic、表現 keratin 5/14 的狀態，轉為 postmitotic、表現 keratins 1 and 10115-31。p.64
• Desmosomes 上調，使細胞在組織切片上呈 spiny appearance。p.64
• Desmosome 組成隨分化改變：basal cells 的 desmosomal cadherin Dsg3 高，隨分化下降；Dsg1 則隨分化上調115-31。p.64
• 對應疾病：破壞 Dsg3-based junctions（pemphigus vulgaris）→ basal cells 之間、basal 與第一層 spinous cells 之間失去黏附；擾亂 Dsg1（pemphigus foliaceus）→ 較淺層的表皮水疱。p.64

McKee 補充：表皮有 4 種主要 desmogleins（Dsg1–4）與 3 種 desmocollins（Dsc1–3），表現具分化特異性：Dsg1 與 Dsc1 主要在表皮淺層，Dsg3 與 Dsc3 在 basal keratinocytes 表現較多115-31。Dsg1 胞外段被切斷是 staphylococcal scalded skin syndrome 與 bullous impetigo 的機轉。McKee p.15

7. Granular Cells（顆粒細胞）

Keratohyalin granules 與 filaggrin

• 辨識特徵是 keratohyalin granules：由 keratins、profilaggrin 與 loricrin 等蛋白組成111-47，這些蛋白構成 cornified envelopes 的大部分；filaggrin 與 loricrin 常作為此層 markers。p.64
• 分泌後，keratins、loricrin 與 small proline-rich proteins 等被 transglutaminase 高度交聯到 plasma membrane，形成 cornified envelopes。p.64
• Profilaggrin 最終代謝為 amino acids、pyrrolidone carboxylic acid 與 urocanic acid（有時稱 natural moisturizing factor, NMF），提供 hydration 與 UV protective functions107-23 111-47。p.65
• Skin barrier 一章補充：filaggrin 是 stratum corneum 的 major protein；profilaggrin 在 stratum granulosum 表現並形成 keratohyalin granules111-47。p.216（ch14） Filaggrin monomers 在角質層下層（lower layers）綁束 keratin filaments，隨 corneocyte 上移，被 caspase 14、bleomycin hydrolase 等 proteases 分解為 free amino acids 及其衍生物（NMF 主要成分）111-47。p.216–217（ch14）

McKee 補充：

• Granular layer 主要蛋白是 keratin 與 filaggrin，合佔表皮質量約 80–90%，超微結構上即 keratohyalin granules。McKee p.9
• Profilaggrin 約 500 kDa，高度磷酸化、富含 histidine；切出的 filaggrin（約 35 kD）去磷酸化後協助 keratin filament aggregation，這就是 ‘filaggrin’（filament aggregating protein）名稱的由來107-23。通常有 10 個 filaggrin repeat units，repeat 越少皮膚越乾。McKee p.9
• FLG loss-of-function mutations 很常見（歐洲人口最多 10%），使 keratohyalin granules 減少或消失，是 ichthyosis vulgaris 的病因，也是 atopic dermatitis 的主要危險因子107-23 111-47。McKee p.9
• Fig. 1.30：filaggrin（profilaggrin）是 keratohyalin granules 的 major component；其分解提供 mechanical strength、限制 transepidermal water loss，並阻擋 allergen 穿透107-23。McKee p.10
• Fig. 1.31 FLG 突變的影響：是 asthma with atopic dermatitis 的主要危險因子106-10、與 atopic asthma 嚴重度增加及 AD 持續到成年相關、可能造成 palmar hyperlinearity；與 psoriasis 或 non-atopic asthma 無關107-23。McKee p.10

Epidermal differentiation complex（EDC）

• 許多 terminal differentiation 所需基因位於 chromosome 1q21 的 EDC，包括 loricrin、involucrin106-10、small proline-rich proteins、late cornified envelope proteins 等；EDC 的轉錄受嚴密控制，是 differentiation cascade 的主要目標之一。p.65

Tight junctions（緊密連結）

• Granular cells 也是一道防止體液流失的 barrier：tight junctions 限制液體與離子流動，並阻擋 membrane diffusion。p.65
• Tight junctions 專門在 granular layer 形成，因此下層活細胞的細胞間隙仍可擴散。p.65
• 核心成分為 claudins：claudin 1 遺傳性破壞在小鼠造成致死性 barrier defects，在人類造成 neonatal ichthyosis。為何只在 granular cells 形成，機轉不明。p.65

McKee 補充：表皮主要 claudins 為 claudin 1 與 4；claudin 1 遺傳性突變曾報告於少數家族（a few pedigrees），表現為 diffuse ichthyosis、hypotrichosis、scarring alopecia 與 sclerosing cholangitis。McKee p.16 主要的不透性平面位於第一與第二層 granular cells 之間。McKee p.1

Cell death（細胞死亡）

• Granular cells 最後的功能是死亡：核與細胞質內容物必須清除，被認為是一種 modified programmed cell death。p.65

8. Stratum Corneum & Cornified Envelope（角質層與角化套膜）

• Cornified envelopes 是表皮 terminal differentiation 的產物，acellular、anuclear。p.66
• 核心為 keratins，外圍是高度交聯的蛋白網路，尤其是 loricrin106-10 111-18；再外層是富含 ceramides 的特化脂質，也同樣被交聯106-10。p.66
• 交聯主要由 transglutaminases 完成：transglutaminase 在 spinous layer 已開始表現但不活化；一般認為 calcium 上升與 cofactors 在 upper granular layer 專一性活化它。p.66
• 蛋白交聯加上特化脂質，使表皮具 mechanical stability 與相對 impermeability。p.66
• Stratum corneum 形成 outside-in barrier，tight junctions 形成 inside-out barrier，兩者合作對抗外在環境。p.66

McKee 補充：

• Cornified cell envelope 因 transglutaminases 催化 glutamyl-lysyl isodipeptide bonds 而高度不溶；組成蛋白包括 involucrin、small proline-rich proteins、SKALP/elafin、keratolinin/cystatin 等。McKee p.8
• Loricrin 由 L granules 帶入並累積於 stratum granulosum，loricrin 是 cornified envelope 的 major component106-10 111-18；F granules 的 profilaggrin 對 envelope 的貢獻可能很小（minor）。McKee p.8
• 形成過程由細胞內 calcium 上升觸發：plakins 與 involucrin 先經 transglutaminases 交聯，再與其他 desmosomal proteins 形成整個 plasma membrane 內側的 scaffold；lamellar bodies 分泌的 ceramides 再以 ester 鍵接到 scaffold proteins 的 glutamine residues 上106-10。McKee p.8–9
• Lamellar granules（membrane-coating granules、Odland bodies）在 upper stratum spinosum 與 stratum granulosum 合成，內含 phospholipids、glycolipids、free sterols；與細胞膜融合後，polar lipids 在 corneocytes 之間被改造成 neutral lipids，參與 barrier。McKee p.9
• Stratum corneum 的主要細胞間黏附構造是 corneodesmosomes（含 corneodesmosin）；其胞外部分完全降解即發生 desquamation。最重要的 proteases 是 kallikrein-related peptidases，生理上受 lympho-epithelial Kazal-type related inhibitor（LEKTI）調控111-18；其中部分（some of these）proteases 或其 inhibitors 的突變造成不同類型的 ichthyosis。McKee p.10

兩書差異：Fitzpatrick 說 keratohyalin granules 由 keratins、profilaggrin、loricrin 等組成（p.64）；McKee 則把含 loricrin 的 L granules 與含 profilaggrin 的 F granules 分開描述（McKee p.8），並稱 profilaggrin 是 keratohyalin granules 的 major component（McKee p.10）。

9. Keratin-Based Inherited Bullous Diseases（角蛋白相關遺傳性水疱病）

Table 5-2，p.65（依原頁圖片整理，OMIM 編號略）。

McKee 補充（病理）：

• EBS：最早被描述的 keratin 遺傳疾病，為 K5 或 K14 基因突變。McKee p.5 Generalized severe EBS 通常為 KRT14 或 KRT5 heterozygous missense mutations；超微結構可見 keratin filament disruption 與 clumping，裂隙平面就在 dermal–epidermal junction 上方。McKee p.8
• Keratinopathic ichthyoses 由 KRT1、KRT10 或 KRT2 突變造成；舊稱 bullous congenital ichthyosiform erythroderma（of Brocq）改名為 epidermolytic ichthyosis（EI），ichthyosis bullosa of Siemens 改稱 superficial epidermolytic ichthyosis（SEI）（KRT2）。McKee p.62–63
• K1/K10 突變使 suprabasal keratinocytes 的 keratin skeleton 崩解，K2 突變影響較上層；細胞淡染、perinuclear shell 或 eosinophilic clumps，即 epidermolytic hyperkeratosis。McKee p.63
• EI 組織：suprabasal keratinocytes vacuolated，並通常（typically）含明顯的 eosinophilic intracytoplasmic inclusions，細胞界線不清，可有 intraepidermal blister；massive orthohyperkeratosis、papillomatosis、acanthosis；granular layer 明顯，含粗大不規則 keratohyaline granules。McKee p.64
• EI 的 IHC：K5/14 與 K1/10 分布正常，另有 suprabasal K14 過度表現與上層 K16 明顯染色；超微結構 inclusions 為異常聚集的 keratin filaments，免疫電顯證實 clumps 由 keratins 1 與 10 組成。McKee p.64–65

10. Regulation of Epidermal Differentiation（分化的調控）

分化由 signaling pathways、transcriptional control、epigenetic factors 與 posttranscriptional regulation 層層調控。p.66

Transcriptional regulators（轉錄因子）

• p63：控制 epidermal specification，也維持 basal cell fate/proliferation 並誘導分化；直接目標包括結構蛋白與其他轉錄因子，也透過 epigenetic status 作用。p.66
• p63 → ZNF750 → Klf4：Klf4 在 granular genes 表現上扮演主要角色，上調 lipid-modifying enzymes 與 cornified envelope 結構蛋白。p.66
• Notch：basal → spinous 的 commitment factor；在 basal cells 不存在、在 spinous cells 被活化。抑制 Notch 會阻止多種 spinous cell fate 特徵；在 basal cells 活化它足以產生部分 spinous 分化。已知直接目標如 Hes1。p.66
• 在某些情境下（in some contexts），Notch 與 AP-2 family 的轉錄因子合作：例如 Notch 誘導 spinous cells 表現 C/EBP，C/EBP 與 AP-2 一起結合 keratin 10 promoter 調控其表現。p.66
• Grainyhead-like（GRHL）：GRHL3 是有效形成 barrier 所必需，部分透過調控 transglutaminase-1 表現。p.66

Epigenetic regulators（表觀遺傳）

p.66–67

Posttranscriptional regulation（轉錄後調控）

• miR-203：表現於 spinous cells，抑制 p63 等目標，確保正常分化。p.67
• lncRNA：ANCR 促進 basal cell fate（部分透過招募 histone methyltransferase）；TINCR 在分化細胞上調，穩定 Klf4、Grhl3 等促分化 mRNA。p.67
• Transcript regulation：GRHL3 mRNA 在 basal cells 不穩定所以表現低；失去促使 GRHL3 降解的機制 → GRHL3 增加並提早分化。另有一群促增生基因的 mRNA 在 translation 層級被正向調控，以在 basal cells 維持高量。p.67

11. Related Structures（相關構造，McKee 補充）

• Melanocytes 超微結構胞質淡，沒有 tonofilaments、hemidesmosomes 與 desmosomes，以特有的 melanosomes 辨識105-32；melanocyte 與 basal cells 比例約 1 : 4（cheek）到 1 : 10（limbs）。McKee p.12
• Lamina densa 的 major component 是 type IV collagen；anchoring fibrils 的 main component 是 type VII collagen105-32。McKee p.25

12. Conclusions（結語）

• 增生與分化的平衡失調可造成 skin cancers、psoriasis、ichthyosis 等疾病。p.67
• Basal layer stem/progenitor cells 的再生能力已在臨床用於治療 burns 與 genetic skin conditions。p.68