Структура и Функция

Deconstructing the skin: cytoarchitectural determinants of epidermal morphogenesis Cory L. Simpson, Dipal M. Patel & Kathleen J. Green Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 565-580 (September 2011) \| doi:10.1038/nrm3175
To provide a stable environmental barrier, the epidermis requires an integrated network of cytoskeletal elements и cellular junctions. Nevertheless, the epidermis ranks among the body's most dynamic tissues, continually regenerating itself и responding to cutaneous insults. As keratinocytes journey from the basal compartment towards the cornified layers, they completely reorganize their adhesive junctions и cytoskeleton. These architectural components are more than just rivets и scaffolds — they are active participants in epidermal morphogenesis that regulate epidermal polarization, signalling и barrier formation. Рис.1. \| Epidermal architecture. Рис.2. \| Integrins crosstalk with growth factor receptors to regulate proliferation in the basal layer. Рис.3. \| Mitotic spindle orientation directs stratification. Рис.4. \| Desmoplakin regulates microtubule reorganization in the stratified epidermis. Рис.5. \| Tight junction dynamics during antigen sampling. Табл.1 Human diseases of the epidermis Box.1 Intercellular junctions of the epidermis	Эпидермис является высоко эпителием, участвующим в осуществлении множественных важных защитных функций: она предупреждает потерю воды, не впускает токсины, устойчива к механическим воздействиям и участвует в иммунных реакциях. Чтобы установить барьер между организмом и окружающей его средой, кератиноциты, основные клетки эпидермиса, формируют адгезивную сеть, организованную во множественные слои или 'strata' (Refs 1, 2) (Fig. 1). Это предоставляет нам парадокс: хотя ткань обладает невероятной стабильностью, что защищает лежащие ниже органы от внешних воздействий, её клеточные компоненты д. оставаться динамичными, это делает возможной регенерацию ткани и реакцию на повреждения кожи. Кератиноциты подвергаются драматическим трансформациям, когда они дифференцируются и мигрируют, чтобы заместить клетки, теряемые с поверхности кожи¹. Поскольку базальные клетки 'stratum basale' остаются прикрепленными к подлежащему матриксу и пролиферируют, некоторые из их дочерних кератиноцитов вступают в шиповатый слой эпидермиса (или 'stratum spinosum') в результате асимметричных митозов, где они выходят из клеточного цикла, укрупняются и устанавливают крепкие межклеточные соединения. Клетки гранулярного слоя ('stratum granulosum') уплощены и собираются в водонепроницаемую ороговевающую оболочку, расположенной под плазматической мембраной. Наконец, в роговом слое (или 'stratum corneum') кератиноциты высвобождают лизосомные энзимы, чтобы деградировать основные органеллы, и становятся полностью слущивающимися и тесно поперечно связаны вместе, чтобы завершить кожный барьер². Т.о., взрослый эпидермис обнаруживает поляризацию на тканевом уровне с асимметричным распределением сигнальных активностей, экспрессии белков и цитоархитектурной организации, это отражает уникальные функции её множественных слоёв. Эмбриональный эпидермис начинается как одиночный слой эктодермальных клеток, который затем подвергается стратификации, чтобы создать многослойный эпителий в ответ на специфические транскрипционные факторы³. Будучи сконструирован эпидермис поддерживается за счет постоянной стратификации и дифференцировки кератиноцитов в течение всей жизни. Ряд выдающихся статей анализируют факторы, которые обеспечивают развитие и гомеостаз эпидермиса^{1, 4}. Эти факторы включают цитоскелетные строительные блоки и ассоциированные с ними межклеточные соединения, которые служат в качестве каркаса и заклепок, чтобы обеспечить структурную целостность эпидермиса. Однако эти элементы клеточной архитектуры сами по себе начинают рассматриваться как активные участники эпидермального морфогенеза. Различные соединительные и цитоскелетные белки контролируют способность к регенерации эпидермиса, влияя на поддержание популяции стволовых клеток, которые располагаются прежде всего в волосяных фолликулах и базальном слое (rev. Ref. 5). Adhesion at the basement membrane Граница между эпидермисом и подлежащей дермой устанавливается за счет отложения специализированного слоя внеклеточного матрикса (ECM), наз. базальной мембраной⁶. Кератиноциты базального слоя от природы поляризованы,т.к их нижняя поверхность закреплена на базальной мембране с помощью интегринов (Fig. 2). Эти гетеродимерные трансмембранные рецепторы, состоящие из α- и β-интегриновых субъединиц, связывают специфические компоненты ECM посредством своих внеклеточных доменов⁷. По крайней мере, 11 димеров интегринов было описано в эпидермальных кератиноцитах⁸. На внутриклеточной стороне большинство интегриновых хвостов ассоциирует с актином посредством адапторных белков. Однако , α6β4 выполняет уникальную роль в организации крупных интегриновых комплексов, наз. полудесмосомами, которые закрепляются на промежуточных филаментах с помощью цитолинкерных белков plectin и bullous pemphigoid antigen 1e (BPAG1e; также известный как BP230 и dystonin)⁶. Ряд нарушений у человека связан с нарушениями адгезии, обусловленной мутациями интегринов, или аутоантителами, которые направлены на специфические интегрины, интегрин-ассоциированные белки или матричные компоненты; такие нарушения характеризуются варьирующей степенью ломкости и образования волдырей эпидермиса (Table 1 и Supplementary information S1 (table)). Table 1 \| Human diseases of the epidermis* Интересно, что интегриновые комплексы также содержат сигнальные белки и удачно расположены, чтобы переводить внешние воздействия во внутриклеточные сигналы. Исследования были начаты с предположения о широкой роли интегринов и ассоциированных с ними белков в регуляции эпидермального гомеостаза и организации базальной мембраны. Однако степень, с которой функции интегринов в тканях, связанные с целостностью ткани, может быть действительно отделена от их роли в морфогенезе и гомеостазе, всё ещё спорна ⁸. Integrins in epidermal homeostasis. Гомеостаз эпидермиса нуждается в точной регуляции пролиферации базальных клеток, чтобы возмещать потерю кератиноцитов через слущивание ороговевшего слоя⁴. Ранние in vitro эксперименты указывают на то, что высвобождение кератиноцитов от подлежащего матрикса индуцирует выход из клеточного цикла и экспрессию маркеров дифференцировки^{9, 10}. В интактном эпидермисе пролиферация кератиноцитов затухает, как только они покидают базальный слой, это совпадает с потерей контакта с базальной мембраной и супрессией экспрессии интегринов. Т.о., было предположено, что ассоциированное со стратификацией подавление интегринов тушит пролиферацию в супрабазальных эпидермальных слоях^{7, 8}. В нормальных условиях передача митогенных сигналов от epidermal growth factor receptor (EGFR) посредством mitogen-activated protein kinase (MAPK) пути ограничена базальными кератиноцитами, которые экспрессируют многочисленные интегрины^{11, 12} (Fig. 2). Интегрины могут перекрестно мешать рецепторным тирозин киназам, включая EGFR, предоставляя возможный механизм того, как они могут регулировать пролиферацию^{8, 13, 14}. Фактически, связывание интегринов определенными молекулами ECM приводит к активации MAPK in vitro^{12, 15}. У мышей делеция β4 интегрина делает невозможным образование полудесмосом, приводя к образованию тяжелых волдырей^{16, 17}. Потеря β4 интегрина также, по-видимому, индуцирует апоптоз базальных клеток¹⁶, тогда как делеция цитоплазматического хвоста β4 ослабляет пролиферацию¹⁸, заодно подтверждает, что полудесмосомы регулируют тканевой гомеостаз. Напротив, tamoxifen-индуцированная делеция α6 интегрина, партнера β4 в полудесмосомах, увеличивает пролиферацию и воспаление кожи¹⁹. Тем не менее все эти эффекты может быть просто вторичными по отношению к дефектам адгезии с базальной мембраной. В соответствии с этим, мыши, лишенные α6 и α3 интегрина в коже, обнаруживают нормальный морфогенез и дифференцировку всех эпидермисов, не дающих волдырей²⁰. Сходным образом, мозаичная эпидермальная делеция β4 интегрина нарушает пролиферацию только в областях отсоединения базальной мембраны²¹. Экспрессия интегрина наблюдается и за пределами базального слоя в гиперпролиферативной коже у людей, напр., при псориазе и карциномах^{14, 22, 23}. Соответственно эктопическая экспрессия интегрина у мышей повышает пролиферацию и ослабляет дифференцировку. Напр., эктопическая экспрессия, β1 интегрина супрабазальных клеток ведет к фенотипу, напоминающему псориаз²⁴, а экспрессия α6β4 или α5β1 интегрина супрабазального компартмента увеличивает чувствительность к эпидермальному канцерогенезу^{25, 26}. Напротив, делеция β1 интегрина в коже дает гиперпролиферативный эпидермис со множеством дифференцирующихся кератиноцитов по сравнению с нормой^{27, 28}, хотя это также приводит к обширному образованию волдырей. Индуцибельная делеция β1 интегрина во взрослом эпидермисе приводит к гиперпролиферации в затронутых областях кожи²⁹. Итак, хотя делеция интегрина или неправильная экспрессия могут нарушать пролиферацию, остается затруднительным вычленить потенциальную гомеостатическую функцию интегринов из их роли поддержания целостности кожи. Forming the basement membrane. Кератиноциты могут секретировать компоненты ECM, включая collagen IV и laminin 5, чтобы помочь установить и организовать матрикс, способность, которая зависит от самих интегринов^{6, 30}. Тотальная потеря α3 интегрина приводит гибели новорожденных и субэпидермальным пузырям из-за прерывистости базальной мембраны между полудесмосомами³¹. Специфичная для эпидермиса делеция α3 интегрина приводит к удвоению областей базальной мембраны и к микроволдырям между stratum basale и дермой (dermal-epidermal соединение)³². Хотя эти животные дифференцируются и пролиферируют нормально, потеря α3 интегрина действительно ускоряет заживление ран, указывая, что адгезия дефектной базальной мембраны делает возможной более эффективную миграцию кератиноцитов в ложе раны. Кроме того, вызывая истончение эпидермиса и образование волдырей делеция β1 интегрина у мышей дает дефектную базальную мембрану с крупными областями кожи, лишенной субэпидермального матрикса²⁷. Мыши, дефицитные по integrin-linked kinase (ILK), цитоплазматической псевдокиназе, ассоциированной с интегринами, имеют сходные аномалии³³. Помимо эпидермальной гиперплазии и ослабленной дифференцировки, ILK-дефицитные мыши обладают прерывистой базальной мембраной. Т.о., комплексы интегринов являются критическими для собственно морфогенеза базальной мембраны. Kindlin 1 регулирует целостность и гомеостаз эпидермиса. Новая эпидермальная функция была открыта для kindlins, которые являются β-integrin-связывающими белками, которые, как полагают. кооперируют с talin, чтобы регулировать базирующуюся на интегринах адгезию³⁴ (Fig. 2). Kindlin 1 (также известен как FERMT1),экспрессируется на высоком уровне в эпидермисе³⁵, затронут при Kindler синдроме, аутосомно рецессивной болезни, характеризующейся образованием временных перинатальных волдырей в дермально-эпидермальном соединении, сопровождаемых долговременной атрофией кожи³⁶. У пациентов с синдромом Kindler, базальная мембрана сильно дезорганизована с аберрантными утолщениями и существенными пробелами в матриксе (или lamina densa) между базальными кератиноцитами и дермой³⁷. Т.о., kindlin 1, по-видимому, важен для организации эпидермального ECM. Хотя он не обладает внутренне присущей ферментативной активностью, kindlin 1, по-видимому, действует как каркас в интегриновых комплексах и может реорганизовывать микрофиламенты посредством их ассоциации с α-actinin и migfilin, двумя актин-связывающими белками^{38, 39}. Генетическое устранение kindlin 1 у мышей вызывает атрофию кожи с пониженной пролиферацией эпидермиса и толщиной⁴⁰. Кератиноциты, выделенные от пациентов с синдромом Kindler обнаруживают автономные клеточные дефекты в пролиферации и апоптозе, указывая тем самым, что kindlin 1 может непосредственно участвовать в передаче сигналов signalling⁴¹. Пациенты с синдромом Kindler также более склонны к эпидермальному канцерогенезу в поздние периоды жизни, указывая тем самым, что kindlin 1 может влиять на долговременный гомеостаз кожи³⁴. Неожиданно, мыши, лишенные kindlin 1 не давали эпидермальных волдырей, хотя кератиноциты от таких мышей обнаруживали пониженную адгезию к субстрату in vitro⁴⁰. Вместо этого животные погибали от смывания кишечного эпителия из-за несовершенной слипчивости с субстратом; т.о., kindlin 1 может играть дополнительную роль в поддержании целостности кишечника, др. высоко регенеративного органа. Интересно, что kindlin 2 (также известный как FERMT2), который также экспрессируется в эпидермисе, колокализуется с эпителиальным кадерином (E-cadherin; также известным как cadherin 1) в межклеточных контактах³⁵ и необходим для подвижности и межклеточной адгезии кератиноцитов⁴². Потенциальная функция kindlin 2 в целостности и морфогенезе эпидермиса пока неизвестна. Serum response factor promotes differentiation. Во время стратификации базальные кератиноциты продуцируют супрабазальные клетки, которые больше не имеют адгезий клетка-матрикс, процесс, который полностью меняет клеточную полярность и архитектуру цитоскелета^{7, 43}. В изолированных кератиноцитах актин ассоциирует с базирующимися на интегрине адгезиями, но затем собирается в мощное кортикальное актиновое кольцо во время стратификации in vitro^44-46. Более того, манипуляции с областью или формой адгезий кератиноцитов на micropatterned субстратах, покрытых молекулами ECM, влияли на их дифференцировку⁴⁷, и этот эффект не менялся в зависимости от использованного компонента ECM. Передача сигналов Serum response factor (SRF), как полагают, предоставляет потенциальный механизм механотрансдукции, который может объяснить этот зависимы от формы эффект⁴⁷. SRF управляет транскрипцией с помощью своего кофактора MAL (также известного как MRTF), который может быть связан и секвестрирован с помощью глобулярного актина (G-actin)⁴⁸. Когда область субстрата ограничена, уровни G-actin снижаются, это позволяет SRF-MAL активировать транскрипцию и инициировать дифференцировку⁴⁷. Это предоставляет ключевой пример обратных взаимоотношений между адгезией субстрата и дифференцировкой и должно побудить к дальнейшему исследованию, как передача механических сигналов и ассоциированные со стратификацией изменения формы клеток непосредственно регулируют дифференцировку. In vivo целенаправленное устранение SRF вызывает гиперпролиферацию эпидермиса, сопровождаемую дефектами в организации актина, снижением адгезии из-за десмосом и полудесмосом и нарушением компакции эпидермальных слоёв⁴⁹. Было также установлено, что делеция SRF в эпидермисе коррелирует с подавлением транскрипции как актина, так и его регуляторов и блокирует обогащение кортекса актином и myosin IIA во время митозов кератиноцитов⁵⁰. Эти дефекты кортикального цитоскелета нарушают апикальные комплексы полярности базальных клеток, вызывая аберрантную ориентацию митотического веретена и дезорганизацию эпидермальной архитектуры. Эти исследования указывают на интригующую модель, согласно которой адгезия субстрата и actin могут непосредственно влиять на передачу сигналов SRF, чтобы регулировать эпидермальный морфогенез. Эта сигнальная сеть может открыть новые пути лечения кожных болезней, характеризующихся аберрантной морфологией и дифференцировкой. Напр., уровни SRF и его гена мишени, JUNB, снижены при псориазе^{51, 52}, и этот путь может иметь отношение к терапевтическим мишеням. Adherens junctions, actin и polarity Перемещаясь вверх от базальной мембраны базирующиеся на кадерине соединения, включая слипчивые соединения и десмосомы, первыми собираются в латеральной области между базальными кератиноцитами (Fig. 1). Щелевые соединения в эпидермисе делают возможным прямое цитоплазматическое общение между кератиноцитами и участвуют в эпидермальном морфогенезе и болезнях (Box 1, Table 1 и Supplementary information S1 (table); for excellent review articles, see Refs 53, 54). Различия в типе или в уровнях кадеринов являются критическими для эпителиального морфогенеза, поскольку они позволяют клеткам рассортировываться на дискретные эпителиальные слои^{55, 56}. Эпидермальные слипчивые соединения состоят из классических кадеринов - E-cadherin и плацентного кадерина (P-cadherin; также известного как cadherin 3) - оба важны для морфогенеза кожи: целенаправленное устранение E-cadherin вызывает гиперпролиферацию, дефекты дифференцировки и нарушение образования барьера с рыхлыми плотными соединениями^57-59, тогда как истощение и E- и P-cadherin вызывает летальное образование волдырей⁶⁰. Потеря E-cadherin может нарушить морфогенез без очевидной потери целостности, это указывает на дополнительные эффекты помимо адгезии. Фактически, цитоплазматические домены классических кадеринов взаимодействуют с различными компетентными к передаче сигналов партнерами, включая p120 catenin и β-catenin, последний из которых ассоциирует с α-catenin (также известным как αE-catenin), с actin-связывающим белком⁶¹ (Box 1). Однако, компоненты слипчивых соединений затрагивают не только адгезию, но и также эпидермальную полярность, стратификацию и передачу воспалительных сигналов. Box 1 \| Intercellular junctions of the epidermis Full box Клеточная адгезия является существенной для полярности кератиноцитов. Хотя эмбриональный эпидермис начинается как одиночный слой, приблизительно на ст. Е12.5 кератиноциты подвергаются стратификации, чтобы создать множественные слои, необходимые для создания барьера от среды^{3, 62}. Эта вертикальная экспансия, как полагают, происходит благодаря переориентации митотических веретен в базальном слое⁶³. Поскольку горизонтальная ось деления (параллельно базальной мембране) продуцирует две базальные клетки, вертикальное митотическое веретено делает возможной стратификацию благодаря продукции одной из дочерних клеток, которая занимает супрабазальный компартмент (Fig. 3a). Комплекс polarity protein partitioning defective 3 (PAR3), mouse inscuteable (MINSC) и LGN рекрутируются в апикальную область базальных клеток, подвергающихся митозу⁶³ (Fig. 3b). Комплекс PAR3-MINSC-LGN также ассоциирует с nuclear mitotic apparatus protein 1 (NUMA1), регулятором митотического веретена, и dynactin, микротубулярным мотор-ассоциированным белком, указывая на механизм, с помощью которого этот комплекс полярности может непосредственно облегчать переориентацию веретена, чтобы способствовать асимметричному делению^{64, 65}. Фактически, LGN, NUMA1 и dynactin являются важными для собственно позиционирования веретена и асимметричных клеточных делений во время стратификации эпидермиса⁶⁴. Более того, нарушения компонентов этого апикального комплекса полярности нарушает передачу сигналов Notch, которая являются критическим регулятором дифференцировки в супрабазальном компартменте⁶⁴. Клеточные соединения имеют поляризованную организацию в базальных кератиноцитах и вносят вклад в ориентацию митотического веретена во время стратификации⁶⁶(Fig. 3b). Мыши, лишенные β1 интегрина, неспособны рекрутировать комплекс полярности на верхушку делящихся кератиноцитов и имеют случайно расположение митотических осей⁶³. Сходным образом в эпидермисе, лишенном α-catenin, полюса веретена расположены случайно и это коррелирует с потерей полярности, присутствием супрабазальных митозов и склонностью к возникновению карцином^{67, 68}. Неожиданно, делеция в эпидермисе др. компонента слипчивых соединений, p120 catenin, не влияет на адгезию⁶⁹. Однако, потеря p120 catenin нарушает цитокинез и дает двуядерные клетки в супрабазальных слоях, возможно благодаря нарушениям митозов⁷⁰. p120 catenin регулирует передачу сигналов RHO , которая непосредственно влияет на организацию актина^{44, 71, 72}, и это может объяснить, почему p120 catenin может механически ориентировать митотические веретена. Как эпителиальные клетки интегрируют формирование адгезивных соединений и устанавливают клеточную полярность? Истощение компонента слипчивых соединений E-cadherin нарушает локализацию atypical protein kinase C (aPKC), которая является критическим регулятором клеточной полярности⁷³, в верхней части эпидермиса⁵⁹; это указывает на то, что E-cadherin может рекрутировать aPKC в адгезивные комплексы в супрабазальных слоях. Поскольку асимметричные деления в базальном слое зависят от α-catenin⁶³, в точности, как ассоциируют слипчивые соединения с комплексом полярности PAR3-MINSC-LGN, неясно. FERM (4.1 protein, ezrin, radixin, moesin) доменовый белок merlin, который располагается в слипчивых соединениях и способствует их образованию⁷⁴, может выполнять такую же роль⁷⁵. В митотических базальных кератиноцитах, merlin связывает как PAR3 так и α-catenin и необходим для их ассоциации⁷⁵. Соотв. потеря эпидермисом merlin приводит к нарушению полярности базальных клеток, к рандомизированной ориентации митотических веретен и разрушению эпителиального барьера из-за недостатков плотных соединений. Т.о., благодаря своей ассоциации со слипчивыми соединениями, merlin способствует сборке комплексов апикальной полярности, чтобы ориентировать клеточные деления во время эпидермального морфогенеза. Поскольку апикально-базальная полярность существенна для стратификации эпидермиса между фолликулами, кератиноциты также обладают планарной клеточной полярностью, которая делает возможными скоординированные движения клеток в эпителиальном слое⁷⁶. Сигнальные белки пути планарной клеточной полярности, включая frizzled 6 (FZD6) рецептор и его эффекторы VANGL2 и CELSR1, необходимы для формирования паттерна клеток вдоль поверхности кожи, который управляет ориентацией волосяных фолликулов и делает возможной заживление эпидермальных ран у мышей^{77, 78}. Влияют ли компоненты соединений и цитоскелета в базальных клетках на передачу сигналов посредством белков планарной клеточной полярности, чтобы регулировать заживление эпидермальных ран или морфогенез, пока неясно. Actin dynamics during keratinocyte stratification. В то время как актиновые филаменты сильно ассоциированы с соединениями между клетками и матриксом в недифференцированных кератиноцитах, actin iв дифференцированных кератиноцитах оказывается связанным с межклеточными соединениями^{44, 46, 79}. Во время стратификации кератиноцитов in vitro, cadherin-catenin комплексы в слипчивых соединениях сцеплены в кортикальное кольцо собранных в пучки микрофиламент, которые эффективно соединяют актиновые цитоскелеты соседних клеток⁸⁰. Благодаря ассоциации с двигательными белками, такими как myosin, эти сцепленные с актином адгезии, как полагают, генерируют натяжение, необходимое, чтобы кератиноциты двигались поверх соседних клеток^{44, 46}. Др. in vitro исследование выявило, что RHO actin модуляторы и их эффекторы, RHO-associated protein kinase 1 (ROCK1) и ROCK2, необходимы для стратификации и дифференцировки кератиноцитов^{46, 81}. RHOE, в частности, непосредственно способствует стратификации кератиноцитов⁸². Более того, ROCK1 и ROCK2 выполняют противоположные роли в балансе компромиса между адгезией с матриксом и дифференцировкой⁸³. Принимая во внимание идентификацию SRF как actin-регулируемого транскрипционного фактора, который является критическим для морфогенеза кожи^{47, 49, 50}, хорошо бы установить, как эти actin регуляторные белки могут быть связаны с путями передачи механических сигналов, управляющих сокращениями актомиозина во время стратификации, с событиями ядерной транскрипции, которые инициируют дифференцировку. Catenin control of epidermal inflammation. Помимо своей традиционной роли в адгезии, компоненты слипчивых соединений регулируют передачу воспалительных сигналов в эпидермисе⁸⁴. Делеция в эпидермисе α-catenin вызывает гиперпролиферацию трансплантатов кожи у мышей и это зависит от повышения передачи сигналов митогенной MAPK^{68, 85}. Более того, дефицит α-catenin также нарушает полярность кератиноцитов и способствует формированию эпидермальных опухолей посредством p53-обеспечиваемой передачи апоптических сигналов^{68, 86}. Хотя нарушение адгезии, как полагают, может быть первичным триггером канцерогенеза, передача сигналов nuclear factor-κB (NF-kappa;B) заметно разрегулирована в α-catenin-нулевых опухолях. Повышенная активность NF-kappa;B также обнаруживается в кератиноцитах, лишенных α-catenin, которые культивируются при низком уровне кальция (без сильной межклеточной адгезии), указывая тем самым, что потеря α-catenin вызывает дефекты внутренне присущей передачи сигналов, которые не являются вторичными для тканевой инфильтрации иммунными клетками или потери адгезии. p120 catenin сходным образом влияет на передачу воспалительных сигналов в эпидермисе⁶⁹. Делеция в эпидермисе p120 catenin приводит к увеличению активности RHOA, но также аномально усиливает передачу сигналов NF-kappa;B. Как результат потеря p120 catenin в коже ведет к гиперпролиферации и усилению передачи сигналов MAPK с выраженным воспалением кожи. Потеря p120 catenin также ведет к усилению образования эпидермальных опухолей⁷⁰. Интересно, что способность p120 catenin регулировать передачу сигналов NF-kappa;B не зависит от его способности связывать и стабилизировать E-cadherin, опять же подозревается supra-adhesive функция. Итак, эти исследования показали, что скорее, чем просто гарантия целостности эпителия, α-catenin и p120 catenin обнаруживают недооцененную роль в супрессии воспалительного каскада, который способствует туморогенезу. Diverse roles for desmosomes и keratins Хотя десмосомы присутствуют в базальных кератиноцитах, стратификация вызывает заметное увеличение в концентрации этих адгезивных структур⁸⁷ и реорганизует ассоциированные с ними цитоскелетные элементы⁸⁸. Десмосомы строятся из собранных в кластеры трансмембранных кадеринов, наз. desmogleins (DSGs) и desmocollins (DSCs). Они соединяются с plakoglobin (PG) и plakophilins (PKPs), которые являются членами внутриклеточного семейства белков armadillo. В свою очередь, это связывание рекрутирует cytolinker desmoplakin (DP), который связывает кератиновые промежуточные филаменты ⁸⁹ (Box 1). Благодаря этой цепочке взаимодействий, компоненты десмосом непосредственно связывают межклеточные соединения и цитоскелет из промежуточных филамент, которые заполняют цитоплазму цитоплазму и окружают ядро. Дифференцировка эпидермиса вызывает драматические изменения в экспрессии десмосомных кадеринов и в распределении PKPs между ядром и клеточными соединениями. Супрабазальные кератиноциты также изменяют свой набор кератинов⁸⁸, это важно для регуляции клеточного роста и метаболизма в дополнение к поддержке цитоархитектуры эпидермиса^{90, 91}. Десмосомные белки также обладают supra-adhesive эффектами в эпидермисе, включая эффекты на реорганизацию микротрубочек во время дифференцировки. Desmosomal cadherins regulate differentiation. Десмосомы in vivo очень слипчивы и обнаруживают свойства, наз. гиперадгезией, отражающие нечувствительность в внеклеточному кальцию⁹². Однако эти межклеточные заклепки могут также возвращаться к более пластичному состоянию во время заживления ран благодаря активности PKC⁹³. Фактически, PKC может управлять стабильностью десмосом путем регуляции взаимодействий с кератином, поскольку мутации консенсусного сайта PKC в DP повышают сродство к промежуточным филаментам и способствуют гиперадгезии in vitro⁹¹. Набор десмосомных компонентов экстенсивно модифицируется по мере перехода кератиноцитов вверх в дермис, подчеркивая ещё больше их динамичную природу^{89, 94} (Fig. 1). Напр., DSG2 обычно ограничен низкой экспрессией в пролиферативном базальном слое, но она оказывается повышенной в эпидермальных карциномах^{95, 96}. Повышенные PG, PKP1 и DP в супрабазальных слоях сопровождаются активацией специфических кадеринов, начиная с DSG1, экспрессируемого, как только клетки выходят из базального слоя, вместе с DSC1 в spinous слоях и DSG4 в granular слоях^96-98. Помимо поддержания целостности эпидермиса, регулируемая экспрессия этих десмосомных компонентов является критической для изменения морфологии кератиноцитов и передачи сигналов для управления эпидермальным морфогенезом^{89, 99, 100}. В частности, десмосомные кадерины модулируют внутриклеточную передачу сигналов и контролируют дифференцировку^101-105. Эктопическая экспрессия DSG2 в супрабазальном эпидермисе мышей прибавляет различные сигнальные пути, стоящие ниже EGFR, приводя к супрессии дифференцировки, ослаблению апоптоза и к pre-malignant папиломам¹⁰⁶. В противовес DSG2, экспрессия DSG1 возрастает по мере подавления активности EGFR (Fig. 1). DSG1 важен для супрессии передачи сигналов EGFR к MAPKs, чтобы сделать возможной дифференцировку органотипического эпидермиса¹⁰⁷. DSG1 может способствовать дифференцировке независимо от функционального адгезивного эктодомена, допуская независимый от адгезии эффект. Итак, эти данные указывают, что десмосомные кадерины могут осуществлять противоположные роли в передаче сигналов кератиноцитами, возможно способствуя переключению с пролиферации на дифференцировку после стратификации. Это подтверждается др. in vivo моделями, которые показывают измененный эпидермальный морфогенез и гомеостаз после делеции или аберрантной экспрессии десмосомных кадеринов^{89, 99}. The expanding role of epidermal keratins. Эпидермис представляет великолепную демонстрацию разнообразия функции различных изоформ кератинов, экспрессия которых в высокой степени регулируется в этой ткани. Хотя кератины являются критическими в волосяных фолликулах¹⁰⁸, здесь мы сфокусируемся на их значении для эпидермиса между фолликулами, которое недооценено из-за мутаций, которые вызывают болезни от гиперутолщения ладоней и стоп (мутации keratin 1 (K1), K2e, K6, K9 или K10) до летальных волдырей (K5 или K14 мутации)^{109, 110}. Др. эпидермальные роли кератинов связаны с регуляцией передачи сигналов, роста и апоптоза^{90, 91}. В эпидермальных кератиноцитах промежуточные филаменты заполняют цитоплазму и механически связывают полудесмосомы на базальной мембране и десмосомы на латеральной мембране с клеточным ядром. Белок, ассоциированный с промежуточными филаментами, plectin связывает α6β4 интегрин с полудесмосомами, но также ассоциирует с nesprin 3, белком, внедренным в наружную ядерную мембрану¹¹¹ (Fig. 2). Nesprin 2 регулирует толщину ткани и морфологию ядра в эпидермисе¹¹². Т.о., соединение desmosome-nesprin д. создавать уникальный механосенсорный аппарат в кератинах, который позволяет воспринимать механические силы на периферии, оказывая непосредственное влияние на ядерную активность во время эпидермального морфогенеза. Было также предположено, что регуляция цитоплазматической вязкости за счет экспрессии специфических кератинов может регулировать подвижность кератиноцитов, напр., во время стратификации или заживления ран^{90, 113}. Подтверждением этой модели является, что K6 и K16 активируются в базальных клетках, т.к. они скрепляют кожные раны и они, по-видимому, вносят вклад в миграцию этих клеток¹¹⁴. Кератиноциты уплощаются, когда они перемещаются вверх в эпителий, а keratins, как полагают, вносят вклад в морфологическую трансформацию этих клеток благодаря своим прирожденным свойствам давать пучки, своей ассоциации с filaggrin и их поперечным связям с десмосомами и ороговевшими оболочками^{2, 115}. В супрабазальном компартменте экспрессия K5 и K14 замещается экспрессией K1 и K10, а также K9 в ладонях и подошвах^{88, 110}. Мыши, лишенные K10, обладают более крупными по сравнению с нормальными супрабазальными кератиноцитами и дефектами уплощения¹¹⁶. Потеря K10 в эпидермисе также запускает гиперпролиферацию с аномальной активацией MAPKs и передачей сигналов каркасного белка 14-3-3σ¹¹⁷. Кератины могут непосредственно контролировать размер клеток путем регуляции передачи метаболических сигналов. Делеция K17, который обычно экспрессируется только в активированном эпидермисе (напр., во время повреждений или при псориазе), уменьшает размер кератиноцитов¹¹⁸. Потеря K17 также уменьшает общий белковый синтез посредством передачи сигналов AKT и mammalian target of rapamycin (mTOR); эта функция K17 зависит от его ассоциации с цитозольным 14-3-3σ, чтобы ингибировать его транслокацию в ядро. Кератины могут также взаимодействовать с аппаратом транслокции белка, включая рибосомы, которые подтверждают, что регулируемая экспрессия кератинов может модулировать глобальный синтез белков, чтобы сделать возможной собственно эволюцию клеточной морфологии в сложных тканях, таких как эпидермис⁹⁰. Дальнейшее подтверждение регуляции клеточного метаболизма кератинами получены на мышах, лишенных всех генов кератинов, у которых летальные дефекты роста ассоциируют с неправильной локализацией транспортеров глюкозы, приводя в результате к активации AMP киназы и подавлению mTOR мишеней¹¹⁹. Кроме того, воздействие лекарств, которые воспроизводят оксидативные стрессы, модулирует экспрессию K16 и K17, подтверждая, что экспрессия кератинов может динамически регулироваться в ответ на внешенсредовые стимулы¹²⁰. Иммуномодуляторная роль специфических кератинов подтверждается недавней демонстрацией повышенной концентрацией клеток Лангерганса в эпидермисе мышей и пациентов с мутациями в K5, но не в K14 (Ref. 121). K17-нулевые клетки также обнаруживают повышенную чувствительность к tumour necrosis factor (TNF; также известному как TNFα) in vitro, указывая тем самым, что он затрагивает чувствительность к апоптозу¹²². Более того, K17 усиливает передачу хронических про-воспалительных сигналов в эпидермисе, это ведет к образованию базальными клетками карцином и может также вносить вклад в псориаз¹²³. Более того, кератиновый цитоскелет спадается при болезни эпидермальных волдырей, такой как пузырчатка (pemphigus), которая вызывается образованием ауто-антител против десмосомных кадеринов¹²⁴. Одной из интригующих возможностей является то, что этот коллапс вносит вклад в аберрантную передачу сигналов, которая происходит в ответ на патогенные антитела при pemphigus¹²⁵, но этот эффект может также возникать в результате измененной механики цитоплазмы, приводящей к повышенному транспорту в ядро. Более того, фенотипические проявления кожных болезней, затрагивающих компоненты десмосом и keratins, которые могут быть ограничены областями сильных стрессов, таких как ладони и подошвы¹²⁶, могут, пожалуй, быть объяснены измененной механотрансдукцией между десмосомами, кератинами и ядром. Соотв., мутации в K5 и K14, которые вызывают тяжелые кожные волдыри, также подавляют транскрипцию компонентов клеточных соединений в клетках от пациентов и в нормальных кератиноцитах, трансфицированных мутантными кератинами¹²⁷. Desmosomal crosstalk with microtubules и actin. Во время эпидермальной дифференцировки микротрубочки существенно реконструируются¹²⁸. Хотя имеется нормальное звездчатое расположение тубулиновых филамент, исходящих из околоядерных центросом в базальных клетках, микротрубочки концентрируются в кортикальной области супрабазальных клеток и колокализуются с межклеточными соединениями (Fig. 4). Продемонстрирована связь между слипчивыми соединениями и динамикой микротрубочек¹²⁹. Недавно десмосомный белок DPкак было установлено, необходим для реорганизации микротрубочек супрабазальных кератиноцитов мышей¹²⁸. Здесь, DP колокализуется в межклеточных соединениях с ninein (белком, закрепляющим микротрубочки, который обычно обнаруживается в центросоме¹³⁰), который может рекрутировать и/или закреплять микротрубочки на десмосомах. Интересно, что организация микротрубочек с помощью DP не нужна для его взаимодействия с промежуточными филаментами¹²⁸. Компоненты десмосом также функционально связаны с актиновым цитоскелетом. Фактически, p120-родственный десмосомный белок PKP1 ассоциирует с актином и может индуцировать образование филоподий¹³¹. Кроме того, PKP2 регулирует активность RHO и организацию актина во время сборки межклеточных соединений в кератиноцитах¹³². Реорганизация актина и пониженная актиность RHOA, как было предположено, лежат в основе патогенеза пузырчатки¹³³, это заставляет подразумевать, что связь между десмосомной адгезией и актиновым цитоскелетом существенна для поддержания целостности эпидермиса ^{in vivo}. Эти исследования установили, что хотя десмосомы традиционно ассоциированы с промежуточными филаментами, они более широко регулируют актин и микротрубочки в эпидермальных кератиноцитах. Tight junctions in the epidermis Когда кератиноциты перемещаются в гранулярные слои, плотные соединения помогают созданию внешнесредового барьера¹³⁴. Плотные соединения скрепляют многоклеточные листки, образуя язык-подобные адгезии между клетками, делая возможным прохождение только мелких молекул и ионов¹³⁵. Несколько семейств трансмембранных белков вносят вклад в плотные соединения, включая claudins, молекулы слипчивых соединений, occludins и tricellulin, occludin-подобный белок, обнаруживаемый при срезах трех клеток¹³⁴ (Box 1). Внутриклеточные компоненты плотных соединений включают каркасные белки семейства zonula occludens (ZO), которые образуют кластеры трансмембранных белков и делают возможным соединение с актином. В простых эпителиальных слоях плотные соединения располагаются на апикальной области поляризованных клеток. Однако в эпидермисе, хотя claudins экспрессируются в нижних слоях клеток, функциональные плотные соединения формируются только в гранулярных слоях. Это, по-видимому, управляется зависимой от дифференцировки экспрессией ZO белков¹³⁶ и базируетя на E-cadherin, который необходим для локализации claudins и на ZO1 в гранулярных слоях⁵⁹. Здесь мы обсудим, как gknyst соединения делают возможным одновременное функционирование эпидермиса в качестве как щита от внешней среды, и как места, где внешние антигены 'собираются' с помощью иммунных клеток. Tight junctions provide an epidermal barrier. В эпидермисе регулируемая экспрессия множественных генов claudin, как полагают, обеспечивают избирательность барьера^{134, 137}. Первым доказательством in vivo , демонстрирующим, что плотные соединения важны для функции эпидермального барьера, получены от мышей, лишенных claudin 1 (Ref. 138), которые погибают вскоре после рождения из-за выраженной трансэпидермальной потери воды (trans-epidermal water loss (TEWL)). Желудочно-кишечный синдром у человека ассоциирован эпидермальным шелушением (ichthyosis) был впоследствии связан с мутациями в claudin 1 (Ref. 139). У др. животных моделей эктопическая экспрессия claudin 6 в супрабазальном компартменте приводила к дозово-зависимым дефектам барьерной функции эпидермиса, подтверждая, что нарушение соотношения claudins в эпидермисе может нарушать морфогенез эпидермиса¹⁴⁰. Было предположено, что уникальная роль разных claudins (напр., в передаче внутриклеточных сигналов) может возникать в результате их дивергентных цитоплазматических хвостов. В подтверждение этого эктопическая экспрессия мутантного claudin 6, лишенного полностью цитоплазматического хвоста, приводит к эпидермальной гиперпролиферации и летальной дисфункции кожного барьера или к связанному с возрастом дерматиту и повышенной TEWL, в зависимости от степени делеции^{141, 142}. Dynamic tight junctions permit immune sampling. Эпидермис является также местом активного иммунного надзора с помощью многочисленных антиген-презентирующих клеток¹⁴³. Клетки Ларгенганса, в частности, располагаются в нижних слоях эпидермиса, но их цитоплазматические проекции образуют обширную сеть, которая пронизывает верхние слои несмотря на присутствие плотных соединений (Fig. 5). Успехи в получении трехмерных изображений выявили механизм, с помощью которого эпидермис делает возможным сборку антигенов, сохраняя кожный барьер¹⁴⁴: клетки Ларгенганса образуют плотные соединения с кератиноцитами в эпидермисе и плотные соединения подвергаются сложной реорганизации, чтобы сделать возможным надзор за эпидермальными антигенами. Эта локальная перестройка позволяет дендритным отросткам клеток Лангерганса собирать антигены за пределами плотных соединений между кератиноцитами, при этом в целом эпидермальный барьер сохраняется с помощью уникальных трехклеточных плотных соединений между двумя соседними кератиноцитами и пенетрирующей клеткой Лангерганса. В самом деле, клетки Ларгенганса экспрессируют claudin 1 и ZO1 на своих клеточных мембранах, это позволяет формировать плотные соединения между их дендритами и кератиноцитами гранулярного слоя. Верхние кончики проекций клеток Лангерганса также действуют как места эндоцитоза для поглощения антигенов в Birbeck гранулы, это делает возможным преобразование и презентацию наружных антигенов иммунной системе хозяина¹⁴⁴. Т.о., это исследование выявило динамичную природу плотных соединений и важную роль этой реорганизации для иммунного надзора. Сигнальные пути, которые управляют этой реорганизацией, неизвестны, но они могут лежать в основе кожных патологий, таких как атопические дерматиты, которые вызываются нарушением барьерной функции и усиленным потреблением антиогенов¹⁴⁵. Интересно, что организация плотных соединений нарушается в раннем развитии псориатических эпидермальных повреждений¹⁴⁶. Дальнейшие исследования улучшат наше понимание роли плотных соединений при др. кожных болезнях, вызываемых с помощью или в результате дефектов барьерной функции и хронического воспаления. Filaggrin in barrier function. Помимо плотных соединений др. ключевым морфологическим свойством гранулярного слоя являются keratohyalin гранулы, мультибелковые комплексы, которые в основном состоят из profilaggrin¹⁴⁷. Profilaggrin состоит из 10 - 12 повторяющихся единиц и расщепляется, чтобы дать зрелый filaggrin, который соединяется с и способствует агрегации промежуточных филамент в верхних слоях. Т.о., filaggrin помогает стабилизировать кератиновую сеть, которая служит в качестве критического каркаса для др. компонентов слущивающихся покровов². In vitro исследования показали, что filaggrin может также способствовать коллапсу цитоскелета из промежутоных филамент во время поздних стадий дифференцировки, это может облегчать компакцию клеток верхней части эпидермиса¹⁴⁸. Этот структурный белок также помогает поддерживать кожный барьер. Генетические исследования подтвердили, что мутация гена filaggrin лежит в основе фенотипа чешуйчатая кожа, наблюдаемого при ichthyosis vulgaris и является основым фактором риска для атопического дерматита (eczema), преобладающее состояние, характеризующее кожное воспаление^149-151. Мыши, обладающие мутацией гена filaggrin обнаруживают повышенную иммунологическую реакцию на топические антигены, указывая тем самым на дефекты кожного барьера¹⁵². Более того, преобразование filaggrin влияет на гидратацию кожи: мыши, лишенные протеазы, которая расщепляет profilaggrin, обнаруживают обезвоженный stratum corneum¹⁵³. Более того, мутации этой протеазы обнаруживаются у определенных пациентов с атопическим дерматитом, это может объяснить хроническую сухую кожу, типичную ддля этой болезни. Эти исследования продвинули наше понимание патогенеза атопического дерматита и могут иметь дальнейшие последствия для лечения широко распространенной болезни, такой как астма, сенная лихорадка и даже аллергия к пище^{147, 154, 155}. Cornified envelopes и corneodesmosomes Когда кератиноциты прогрессируют в направлении своего окончательного предназначения в верхней части эпидермиса, они подвергаются уникальному процессу клеточной гибели, обозначаемой ороговением (cornification), которая отличается от апоптоза². Ороговение использует биохимические поперечные связи различных белков кератиноцитов, таких как loricrin и involucrin посредством transglutaminases (TGases), но оно в конечном итоге завершается разрывом ядер и органелл с помощью внутриклеточных и секретируемых протеаз, включая специализированные каспазы^{156, 157}. Однако перед гибелью эти кератиноциты продуцируют специализированные белки и липиды, чтобы сконструировать ороговевшую оболочку, которая крепко поперечно привязана к субмембранозному слою, который составляет структуру верхнего эпидермиса и действует как водонепроницаемый барьер². В этом барьере компоненты десмосом поперечно связаны с ороговевшей оболочкой, чтобы сформировать corneodesmosomes, которые связывают ороговевшие клетки вместе и важны для образования барьера¹⁵⁸. Однако эти сцепления должны быть обратимыми, чтобы позволить слущивание ороговевших клеток (desquamation) во время обычного оборота эпидермиса^{159, 160}. The cornified envelope promotes barrier function. Поперечное связывание involucrin и loricrin с помощью TGase 1 способствует их инкорпорации в субмембранозный матрикс из тесно связанных белков, формируемых кератиновыми филаментами и filaggrin в гранулярном слое². TGase 1 активируется в верхних слоях и важна для функционирования эпидермального барьера in vivo^{161, 162}. Помимо этих компонентов специализированные белки plakin, наз. envoplakin и periplakin, и секретируемый десмосомный белок corneodesmosin (CDSN) включаются в ороговевшую оболочку^{2, 163, 164}. Envoplakin и periplakin являются белками, связывающими промежуточные филаменты, которые локализуются в десмосомах верхних слоёв, где они, как полагают, интегрируют кератиновые цитоскелеты рогового слоя^{165, 166}. Неожиданно, делеция индивидуальных компонентов ороговевшей оболочки, таких как loricrin, involucrin, periplakin и envoplakin, дают минимальные фенотипические отклонения, указывая, что эти составляющие могут компенсировать один другого в барьерной функции^167-170. В более агрессивном подходе, тройные нокаутные мыши, лишенные periplakin, envoplakin и involucrin обнаруживали нарушение барьерной функции и нарушение десквамации ороговевших слоёв, возможно благодаря аномальному процессингу и fmthhfynyjve сохранению corneodesmosomes в дополнение к дефектам деградации DSG1 во время десквамации¹⁷¹. Мутации компонентов ороговевшей оболочки могут вносить вклад в генетическую чувствительность к хроническим дефектам барьера, как при атопическом дерматите^{172, 173}. Corneodesmosomes in barrier formation и desquamation. Corneodesmosomes содержат кадерины DSG1 и DSC1, которые д. быть расщеплены с помощью сериновых протеаз, чтобы позволить надлежащее слущивание наружного эпидермиса¹⁶⁰. Фактически, дефицит SPINK5 (также известного как LEKT1), ингибитора сериновой протеазы приводит к ослаблению адгезии ороговевших слоёв, преждевременной десквамации и нарушению барьерной функции у мышей¹⁶⁰. SPINK5 мутации также сцеплены с синдромом Netherton, болезнью человека со сходным фенотипом¹⁷⁴. CDSN является важным компонентом corneodesmosomes, который секретируется в верхнем гранулярном слое во время финальных стадий дифференцировки¹⁶⁴. Он, как полагают, действует в качестве межклеточного 'клея', который помогает затвердению сцепления эктодоменов десмосомного кадерина между кератиноцитами в stratum corneum, но он может обладать наследуемыми адгезивными свойствами¹⁷⁵. CDSN является также важным для десквамации¹⁷⁶. Его целенаправленное устранение из эпидермиса ведет к гибели вскоре после рождения вследствие отторжения наружных эпидермальных слоёв, сопровождаемого появлением расщепленных corneodesmosomes¹⁷⁷. У человека мутации в CDSN вызывают хроническое воспаление кожи и шелушение из-за нарушения десквамации эпителия и дисфункции кожного барьера¹⁷⁸и может также ассоциировать с врожденной потерей волос¹⁷⁹. Т.о., структурные связи, которые формируют ороговевшие кератиноциты, являются динамичными и д. подвергаться тонко настроенному циклу агрегации и десквамации в точном балансе с пролиферацией базальных клеток, чтобы одновременно сохранять эпидермальный гомеостаз и создавать внешнесредовой барьер . Conclusions In this Review we have traced the journey of the keratinocyte as it progresses outwards through the epidermal layers, a process that is paralleled by key alterations in adhesive junctions и their associated cytoskeletal elements. These cytoarchitectural elements are far from passive scaffolds — they actively cooperate with transcriptional и translational pathways to establish cell и tissue polarity, guide differentiation и regulate cutaneous responses to environmental insults и pathogens. For instance, stratification-associated alterations in integrin- и cadherin-based adhesions are important for balancing proliferation и differentiation. Although tight junctions are crucial for preventing water loss, their remodelling also has an active role in antigen sampling. The proper construction of corneodesmosomes makes an essential contribution to the skin barrier, but their timely breakdown is necessary for normal epidermal turnover. Our increased understanding of these processes has in turn provided insights into the dysfunction of adhesive и cytoskeletal proteins that leads to epidermal pathology in humans и has suggested potential therapeutic avenues for cutaneous disease. However, many questions remain about the detailed mechanisms by which cytoskeletal и adhesive proteins directly contribute to epidermal morphogenesis и disease. These mechanisms are likely to hinge on interconnections between keratinocytes и the cytoskeletal scaffolding that connects the cell surface with the nucleus. This scaffold could contribute to various functions ranging from mechanosensing to regulation of the diffusion или nuclear import of signalling proteins¹⁸⁰. Differentiation-dependent remodelling of this scaffold could coordinate changes in morphology with altered signalling и transcription. Moreover, the ability of adhesive junctions to interconnect the cells of the epidermis may regulate communication among layers и allow coordinated responses to pathogenic insults или mechanical strain. It has been suggested that the meshwork of interlaced cytoskeletons that fill the cytoplasm may globally regulate cell plasticity и signalling during dynamic processes such as tissue stratification или cell migration^{90, 113, 181}. However, we still have much to learn about the specific contributions of epidermal cytoskeletal elements. For instance, the significance of microtubule redistribution during stratification¹²⁸ is completely unknown. In addition, junction proteins themselves, including catenins, PKPs и even cadherin fragments, can enter the nucleus и affect transcription^{182, 183}. This dual localization at junctions и in transcriptional complexes places these versatile proteins in a prime position to orchestrate alterations in adhesion with changes in signalling during epidermal morphogenesis. In fact, PKP1 can control cell size и proliferation through the regulation of protein translation¹⁸⁴. How are the mechanical cues borne by epidermal cytoskeletal scaffolds translated into chemical information? One can envision that signal transmission occurs through a series of molecular sensors и actuators present in cell junctions и cortical cytoskeletal attachments, и that information is communicated through alterations in protein conformation и protein–protein interactions. To illuminate exactly how these cell elements translate environmental cues, strategies will be needed that directly couple the delivery и measurement of mechanical forces with molecular probes that report how information is perceived и processed. The development of molecular fluorescent sensors is still in its infancy, but one example is a biosensor that assesses tension in the actin-binding protein vinculin, which is found in both focal contacts и adherens junctions¹⁸⁵. This sensor has provided insights into the relationship between force transmission и junction assembly и size. Combining the use of these probes with super-resolution microscopy, intravital imaging techniques и physiologically relevant models of epidermal morphogenesis will be needed to directly assess how endogenous contractile forces или environmentally applied stress is transmitted through the epidermal cell architecture. Applications of these strategies could be used, for instance, to understand how genetic deficiencies impair the coupling of contractile forces with the differentiation programme that normally directs stratification. Although cell biologists have for years promoted the idea that cytoarchitecture governs cell fate^{186, 187}, we still have a lot to learn about how this occurs at a molecular level. The next decade holds much promise for grappling with these complex questions. We are now in a new era of interdisciplinary cooperation, with teams bringing to bear their combined expertise in bioengineering и materials science, quantitative biology, optical imaging, cell и molecular biology. Advances resulting from these interdisciplinary teams promise to illuminate how the hard-wiring of cells transforms their behaviour и fate.

Эпидермис является высоко эпителием, участвующим в осуществлении множественных важных защитных функций: она предупреждает потерю воды, не впускает токсины, устойчива к механическим воздействиям и участвует в иммунных реакциях. Чтобы установить барьер между организмом и окружающей его средой, кератиноциты, основные клетки эпидермиса, формируют адгезивную сеть, организованную во множественные слои или 'strata' (Refs 1, 2) (Fig. 1). Это предоставляет нам парадокс: хотя ткань обладает невероятной стабильностью, что защищает лежащие ниже органы от внешних воздействий, её клеточные компоненты д. оставаться динамичными, это делает возможной регенерацию ткани и реакцию на повреждения кожи.

Кератиноциты подвергаются драматическим трансформациям, когда они дифференцируются и мигрируют, чтобы заместить клетки, теряемые с поверхности кожи¹. Поскольку базальные клетки 'stratum basale' остаются прикрепленными к подлежащему матриксу и пролиферируют, некоторые из их дочерних кератиноцитов вступают в шиповатый слой эпидермиса (или 'stratum spinosum') в результате асимметричных митозов, где они выходят из клеточного цикла, укрупняются и устанавливают крепкие межклеточные соединения. Клетки гранулярного слоя ('stratum granulosum') уплощены и собираются в водонепроницаемую ороговевающую оболочку, расположенной под плазматической мембраной. Наконец, в роговом слое (или 'stratum corneum') кератиноциты высвобождают лизосомные энзимы, чтобы деградировать основные органеллы, и становятся полностью слущивающимися и тесно поперечно связаны вместе, чтобы завершить кожный барьер². Т.о., взрослый эпидермис обнаруживает поляризацию на тканевом уровне с асимметричным распределением сигнальных активностей, экспрессии белков и цитоархитектурной организации, это отражает уникальные функции её множественных слоёв.

Эмбриональный эпидермис начинается как одиночный слой эктодермальных клеток, который затем подвергается стратификации, чтобы создать многослойный эпителий в ответ на специфические транскрипционные факторы³. Будучи сконструирован эпидермис поддерживается за счет постоянной стратификации и дифференцировки кератиноцитов в течение всей жизни. Ряд выдающихся статей анализируют факторы, которые обеспечивают развитие и гомеостаз эпидермиса^{1, 4}. Эти факторы включают цитоскелетные строительные блоки и ассоциированные с ними межклеточные соединения, которые служат в качестве каркаса и заклепок, чтобы обеспечить структурную целостность эпидермиса. Однако эти элементы клеточной архитектуры сами по себе начинают рассматриваться как активные участники эпидермального морфогенеза.

Различные соединительные и цитоскелетные белки контролируют способность к регенерации эпидермиса, влияя на поддержание популяции стволовых клеток, которые располагаются прежде всего в волосяных фолликулах и базальном слое (rev. Ref. 5).

Adhesion at the basement membrane

Граница между эпидермисом и подлежащей дермой устанавливается за счет отложения специализированного слоя внеклеточного матрикса (ECM), наз. базальной мембраной⁶. Кератиноциты базального слоя от природы поляризованы,т.к их нижняя поверхность закреплена на базальной мембране с помощью интегринов (Fig. 2). Эти гетеродимерные трансмембранные рецепторы, состоящие из α- и β-интегриновых субъединиц, связывают специфические компоненты ECM посредством своих внеклеточных доменов⁷. По крайней мере, 11 димеров интегринов было описано в эпидермальных кератиноцитах⁸. На внутриклеточной стороне большинство интегриновых хвостов ассоциирует с актином посредством адапторных белков. Однако , α6β4 выполняет уникальную роль в организации крупных интегриновых комплексов, наз. полудесмосомами, которые закрепляются на промежуточных филаментах с помощью цитолинкерных белков plectin и bullous pemphigoid antigen 1e (BPAG1e; также известный как BP230 и dystonin)⁶. Ряд нарушений у человека связан с нарушениями адгезии, обусловленной мутациями интегринов, или аутоантителами, которые направлены на специфические интегрины, интегрин-ассоциированные белки или матричные компоненты; такие нарушения характеризуются варьирующей степенью ломкости и образования волдырей эпидермиса (Table 1 и Supplementary information S1 (table)).

Table 1 | Human diseases of the epidermis*

Интересно, что интегриновые комплексы также содержат сигнальные белки и удачно расположены, чтобы переводить внешние воздействия во внутриклеточные сигналы. Исследования были начаты с предположения о широкой роли интегринов и ассоциированных с ними белков в регуляции эпидермального гомеостаза и организации базальной мембраны. Однако степень, с которой функции интегринов в тканях, связанные с целостностью ткани, может быть действительно отделена от их роли в морфогенезе и гомеостазе, всё ещё спорна ⁸.

Integrins in epidermal homeostasis. Гомеостаз эпидермиса нуждается в точной регуляции пролиферации базальных клеток, чтобы возмещать потерю кератиноцитов через слущивание ороговевшего слоя⁴. Ранние in vitro эксперименты указывают на то, что высвобождение кератиноцитов от подлежащего матрикса индуцирует выход из клеточного цикла и экспрессию маркеров дифференцировки^{9, 10}. В интактном эпидермисе пролиферация кератиноцитов затухает, как только они покидают базальный слой, это совпадает с потерей контакта с базальной мембраной и супрессией экспрессии интегринов. Т.о., было предположено, что ассоциированное со стратификацией подавление интегринов тушит пролиферацию в супрабазальных эпидермальных слоях^{7, 8}. В нормальных условиях передача митогенных сигналов от epidermal growth factor receptor (EGFR) посредством mitogen-activated protein kinase (MAPK) пути ограничена базальными кератиноцитами, которые экспрессируют многочисленные интегрины^{11, 12} (Fig. 2). Интегрины могут перекрестно мешать рецепторным тирозин киназам, включая EGFR, предоставляя возможный механизм того, как они могут регулировать пролиферацию^{8, 13, 14}. Фактически, связывание интегринов определенными молекулами ECM приводит к активации MAPK in vitro^{12, 15}.

У мышей делеция β4 интегрина делает невозможным образование полудесмосом, приводя к образованию тяжелых волдырей^{16, 17}. Потеря β4 интегрина также, по-видимому, индуцирует апоптоз базальных клеток¹⁶, тогда как делеция цитоплазматического хвоста β4 ослабляет пролиферацию¹⁸, заодно подтверждает, что полудесмосомы регулируют тканевой гомеостаз. Напротив, tamoxifen-индуцированная делеция α6 интегрина, партнера β4 в полудесмосомах, увеличивает пролиферацию и воспаление кожи¹⁹. Тем не менее все эти эффекты может быть просто вторичными по отношению к дефектам адгезии с базальной мембраной. В соответствии с этим, мыши, лишенные α6 и α3 интегрина в коже, обнаруживают нормальный морфогенез и дифференцировку всех эпидермисов, не дающих волдырей²⁰. Сходным образом, мозаичная эпидермальная делеция β4 интегрина нарушает пролиферацию только в областях отсоединения базальной мембраны²¹.

Экспрессия интегрина наблюдается и за пределами базального слоя в гиперпролиферативной коже у людей, напр., при псориазе и карциномах^{14, 22, 23}. Соответственно эктопическая экспрессия интегрина у мышей повышает пролиферацию и ослабляет дифференцировку. Напр., эктопическая экспрессия, β1 интегрина супрабазальных клеток ведет к фенотипу, напоминающему псориаз²⁴, а экспрессия α6β4 или α5β1 интегрина супрабазального компартмента увеличивает чувствительность к эпидермальному канцерогенезу^{25, 26}. Напротив, делеция β1 интегрина в коже дает гиперпролиферативный эпидермис со множеством дифференцирующихся кератиноцитов по сравнению с нормой^{27, 28}, хотя это также приводит к обширному образованию волдырей. Индуцибельная делеция β1 интегрина во взрослом эпидермисе приводит к гиперпролиферации в затронутых областях кожи²⁹. Итак, хотя делеция интегрина или неправильная экспрессия могут нарушать пролиферацию, остается затруднительным вычленить потенциальную гомеостатическую функцию интегринов из их роли поддержания целостности кожи.

Forming the basement membrane. Кератиноциты могут секретировать компоненты ECM, включая collagen IV и laminin 5, чтобы помочь установить и организовать матрикс, способность, которая зависит от самих интегринов^{6, 30}. Тотальная потеря α3 интегрина приводит гибели новорожденных и субэпидермальным пузырям из-за прерывистости базальной мембраны между полудесмосомами³¹. Специфичная для эпидермиса делеция α3 интегрина приводит к удвоению областей базальной мембраны и к микроволдырям между stratum basale и дермой (dermal-epidermal соединение)³². Хотя эти животные дифференцируются и пролиферируют нормально, потеря α3 интегрина действительно ускоряет заживление ран, указывая, что адгезия дефектной базальной мембраны делает возможной более эффективную миграцию кератиноцитов в ложе раны. Кроме того, вызывая истончение эпидермиса и образование волдырей делеция β1 интегрина у мышей дает дефектную базальную мембрану с крупными областями кожи, лишенной субэпидермального матрикса²⁷. Мыши, дефицитные по integrin-linked kinase (ILK), цитоплазматической псевдокиназе, ассоциированной с интегринами, имеют сходные аномалии³³. Помимо эпидермальной гиперплазии и ослабленной дифференцировки, ILK-дефицитные мыши обладают прерывистой базальной мембраной. Т.о., комплексы интегринов являются критическими для собственно морфогенеза базальной мембраны.

Kindlin 1 регулирует целостность и гомеостаз эпидермиса. Новая эпидермальная функция была открыта для kindlins, которые являются β-integrin-связывающими белками, которые, как полагают. кооперируют с talin, чтобы регулировать базирующуюся на интегринах адгезию³⁴ (Fig. 2). Kindlin 1 (также известен как FERMT1),экспрессируется на высоком уровне в эпидермисе³⁵, затронут при Kindler синдроме, аутосомно рецессивной болезни, характеризующейся образованием временных перинатальных волдырей в дермально-эпидермальном соединении, сопровождаемых долговременной атрофией кожи³⁶. У пациентов с синдромом Kindler, базальная мембрана сильно дезорганизована с аберрантными утолщениями и существенными пробелами в матриксе (или lamina densa) между базальными кератиноцитами и дермой³⁷. Т.о., kindlin 1, по-видимому, важен для организации эпидермального ECM. Хотя он не обладает внутренне присущей ферментативной активностью, kindlin 1, по-видимому, действует как каркас в интегриновых комплексах и может реорганизовывать микрофиламенты посредством их ассоциации с α-actinin и migfilin, двумя актин-связывающими белками^{38, 39}.

Генетическое устранение kindlin 1 у мышей вызывает атрофию кожи с пониженной пролиферацией эпидермиса и толщиной⁴⁰. Кератиноциты, выделенные от пациентов с синдромом Kindler обнаруживают автономные клеточные дефекты в пролиферации и апоптозе, указывая тем самым, что kindlin 1 может непосредственно участвовать в передаче сигналов signalling⁴¹. Пациенты с синдромом Kindler также более склонны к эпидермальному канцерогенезу в поздние периоды жизни, указывая тем самым, что kindlin 1 может влиять на долговременный гомеостаз кожи³⁴. Неожиданно, мыши, лишенные kindlin 1 не давали эпидермальных волдырей, хотя кератиноциты от таких мышей обнаруживали пониженную адгезию к субстрату in vitro⁴⁰. Вместо этого животные погибали от смывания кишечного эпителия из-за несовершенной слипчивости с субстратом; т.о., kindlin 1 может играть дополнительную роль в поддержании целостности кишечника, др. высоко регенеративного органа. Интересно, что kindlin 2 (также известный как FERMT2), который также экспрессируется в эпидермисе, колокализуется с эпителиальным кадерином (E-cadherin; также известным как cadherin 1) в межклеточных контактах³⁵ и необходим для подвижности и межклеточной адгезии кератиноцитов⁴². Потенциальная функция kindlin 2 в целостности и морфогенезе эпидермиса пока неизвестна.

Serum response factor promotes differentiation. Во время стратификации базальные кератиноциты продуцируют супрабазальные клетки, которые больше не имеют адгезий клетка-матрикс, процесс, который полностью меняет клеточную полярность и архитектуру цитоскелета^{7, 43}. В изолированных кератиноцитах актин ассоциирует с базирующимися на интегрине адгезиями, но затем собирается в мощное кортикальное актиновое кольцо во время стратификации in vitro^44-46. Более того, манипуляции с областью или формой адгезий кератиноцитов на micropatterned субстратах, покрытых молекулами ECM, влияли на их дифференцировку⁴⁷, и этот эффект не менялся в зависимости от использованного компонента ECM.

Передача сигналов Serum response factor (SRF), как полагают, предоставляет потенциальный механизм механотрансдукции, который может объяснить этот зависимы от формы эффект⁴⁷. SRF управляет транскрипцией с помощью своего кофактора MAL (также известного как MRTF), который может быть связан и секвестрирован с помощью глобулярного актина (G-actin)⁴⁸. Когда область субстрата ограничена, уровни G-actin снижаются, это позволяет SRF-MAL активировать транскрипцию и инициировать дифференцировку⁴⁷. Это предоставляет ключевой пример обратных взаимоотношений между адгезией субстрата и дифференцировкой и должно побудить к дальнейшему исследованию, как передача механических сигналов и ассоциированные со стратификацией изменения формы клеток непосредственно регулируют дифференцировку.

In vivo целенаправленное устранение SRF вызывает гиперпролиферацию эпидермиса, сопровождаемую дефектами в организации актина, снижением адгезии из-за десмосом и полудесмосом и нарушением компакции эпидермальных слоёв⁴⁹. Было также установлено, что делеция SRF в эпидермисе коррелирует с подавлением транскрипции как актина, так и его регуляторов и блокирует обогащение кортекса актином и myosin IIA во время митозов кератиноцитов⁵⁰. Эти дефекты кортикального цитоскелета нарушают апикальные комплексы полярности базальных клеток, вызывая аберрантную ориентацию митотического веретена и дезорганизацию эпидермальной архитектуры. Эти исследования указывают на интригующую модель, согласно которой адгезия субстрата и actin могут непосредственно влиять на передачу сигналов SRF, чтобы регулировать эпидермальный морфогенез. Эта сигнальная сеть может открыть новые пути лечения кожных болезней, характеризующихся аберрантной морфологией и дифференцировкой. Напр., уровни SRF и его гена мишени, JUNB, снижены при псориазе^{51, 52}, и этот путь может иметь отношение к терапевтическим мишеням.

Adherens junctions, actin и polarity

Перемещаясь вверх от базальной мембраны базирующиеся на кадерине соединения, включая слипчивые соединения и десмосомы, первыми собираются в латеральной области между базальными кератиноцитами (Fig. 1). Щелевые соединения в эпидермисе делают возможным прямое цитоплазматическое общение между кератиноцитами и участвуют в эпидермальном морфогенезе и болезнях (Box 1, Table 1 и Supplementary information S1 (table); for excellent review articles, see Refs 53, 54). Различия в типе или в уровнях кадеринов являются критическими для эпителиального морфогенеза, поскольку они позволяют клеткам рассортировываться на дискретные эпителиальные слои^{55, 56}. Эпидермальные слипчивые соединения состоят из классических кадеринов - E-cadherin и плацентного кадерина (P-cadherin; также известного как cadherin 3) - оба важны для морфогенеза кожи: целенаправленное устранение E-cadherin вызывает гиперпролиферацию, дефекты дифференцировки и нарушение образования барьера с рыхлыми плотными соединениями^57-59, тогда как истощение и E- и P-cadherin вызывает летальное образование волдырей⁶⁰. Потеря E-cadherin может нарушить морфогенез без очевидной потери целостности, это указывает на дополнительные эффекты помимо адгезии. Фактически, цитоплазматические домены классических кадеринов взаимодействуют с различными компетентными к передаче сигналов партнерами, включая p120 catenin и β-catenin, последний из которых ассоциирует с α-catenin (также известным как αE-catenin), с actin-связывающим белком⁶¹ (Box 1). Однако, компоненты слипчивых соединений затрагивают не только адгезию, но и также эпидермальную полярность, стратификацию и передачу воспалительных сигналов.

Box 1 | Intercellular junctions of the epidermis Full box

Клеточная адгезия является существенной для полярности кератиноцитов. Хотя эмбриональный эпидермис начинается как одиночный слой, приблизительно на ст. Е12.5 кератиноциты подвергаются стратификации, чтобы создать множественные слои, необходимые для создания барьера от среды^{3, 62}. Эта вертикальная экспансия, как полагают, происходит благодаря переориентации митотических веретен в базальном слое⁶³. Поскольку горизонтальная ось деления (параллельно базальной мембране) продуцирует две базальные клетки, вертикальное митотическое веретено делает возможной стратификацию благодаря продукции одной из дочерних клеток, которая занимает супрабазальный компартмент (Fig. 3a). Комплекс polarity protein partitioning defective 3 (PAR3), mouse inscuteable (MINSC) и LGN рекрутируются в апикальную область базальных клеток, подвергающихся митозу⁶³ (Fig. 3b). Комплекс PAR3-MINSC-LGN также ассоциирует с nuclear mitotic apparatus protein 1 (NUMA1), регулятором митотического веретена, и dynactin, микротубулярным мотор-ассоциированным белком, указывая на механизм, с помощью которого этот комплекс полярности может непосредственно облегчать переориентацию веретена, чтобы способствовать асимметричному делению^{64, 65}. Фактически, LGN, NUMA1 и dynactin являются важными для собственно позиционирования веретена и асимметричных клеточных делений во время стратификации эпидермиса⁶⁴. Более того, нарушения компонентов этого апикального комплекса полярности нарушает передачу сигналов Notch, которая являются критическим регулятором дифференцировки в супрабазальном компартменте⁶⁴.

Клеточные соединения имеют поляризованную организацию в базальных кератиноцитах и вносят вклад в ориентацию митотического веретена во время стратификации⁶⁶(Fig. 3b). Мыши, лишенные β1 интегрина, неспособны рекрутировать комплекс полярности на верхушку делящихся кератиноцитов и имеют случайно расположение митотических осей⁶³. Сходным образом в эпидермисе, лишенном α-catenin, полюса веретена расположены случайно и это коррелирует с потерей полярности, присутствием супрабазальных митозов и склонностью к возникновению карцином^{67, 68}. Неожиданно, делеция в эпидермисе др. компонента слипчивых соединений, p120 catenin, не влияет на адгезию⁶⁹. Однако, потеря p120 catenin нарушает цитокинез и дает двуядерные клетки в супрабазальных слоях, возможно благодаря нарушениям митозов⁷⁰. p120 catenin регулирует передачу сигналов RHO , которая непосредственно влияет на организацию актина^{44, 71, 72}, и это может объяснить, почему p120 catenin может механически ориентировать митотические веретена.

Как эпителиальные клетки интегрируют формирование адгезивных соединений и устанавливают клеточную полярность? Истощение компонента слипчивых соединений E-cadherin нарушает локализацию atypical protein kinase C (aPKC), которая является критическим регулятором клеточной полярности⁷³, в верхней части эпидермиса⁵⁹; это указывает на то, что E-cadherin может рекрутировать aPKC в адгезивные комплексы в супрабазальных слоях. Поскольку асимметричные деления в базальном слое зависят от α-catenin⁶³, в точности, как ассоциируют слипчивые соединения с комплексом полярности PAR3-MINSC-LGN, неясно. FERM (4.1 protein, ezrin, radixin, moesin) доменовый белок merlin, который располагается в слипчивых соединениях и способствует их образованию⁷⁴, может выполнять такую же роль⁷⁵. В митотических базальных кератиноцитах, merlin связывает как PAR3 так и α-catenin и необходим для их ассоциации⁷⁵. Соотв. потеря эпидермисом merlin приводит к нарушению полярности базальных клеток, к рандомизированной ориентации митотических веретен и разрушению эпителиального барьера из-за недостатков плотных соединений. Т.о., благодаря своей ассоциации со слипчивыми соединениями, merlin способствует сборке комплексов апикальной полярности, чтобы ориентировать клеточные деления во время эпидермального морфогенеза.

Поскольку апикально-базальная полярность существенна для стратификации эпидермиса между фолликулами, кератиноциты также обладают планарной клеточной полярностью, которая делает возможными скоординированные движения клеток в эпителиальном слое⁷⁶. Сигнальные белки пути планарной клеточной полярности, включая frizzled 6 (FZD6) рецептор и его эффекторы VANGL2 и CELSR1, необходимы для формирования паттерна клеток вдоль поверхности кожи, который управляет ориентацией волосяных фолликулов и делает возможной заживление эпидермальных ран у мышей^{77, 78}. Влияют ли компоненты соединений и цитоскелета в базальных клетках на передачу сигналов посредством белков планарной клеточной полярности, чтобы регулировать заживление эпидермальных ран или морфогенез, пока неясно.

Actin dynamics during keratinocyte stratification. В то время как актиновые филаменты сильно ассоциированы с соединениями между клетками и матриксом в недифференцированных кератиноцитах, actin iв дифференцированных кератиноцитах оказывается связанным с межклеточными соединениями^{44, 46, 79}. Во время стратификации кератиноцитов in vitro, cadherin-catenin комплексы в слипчивых соединениях сцеплены в кортикальное кольцо собранных в пучки микрофиламент, которые эффективно соединяют актиновые цитоскелеты соседних клеток⁸⁰. Благодаря ассоциации с двигательными белками, такими как myosin, эти сцепленные с актином адгезии, как полагают, генерируют натяжение, необходимое, чтобы кератиноциты двигались поверх соседних клеток^{44, 46}. Др. in vitro исследование выявило, что RHO actin модуляторы и их эффекторы, RHO-associated protein kinase 1 (ROCK1) и ROCK2, необходимы для стратификации и дифференцировки кератиноцитов^{46, 81}. RHOE, в частности, непосредственно способствует стратификации кератиноцитов⁸². Более того, ROCK1 и ROCK2 выполняют противоположные роли в балансе компромиса между адгезией с матриксом и дифференцировкой⁸³. Принимая во внимание идентификацию SRF как actin-регулируемого транскрипционного фактора, который является критическим для морфогенеза кожи^{47, 49, 50}, хорошо бы установить, как эти actin регуляторные белки могут быть связаны с путями передачи механических сигналов, управляющих сокращениями актомиозина во время стратификации, с событиями ядерной транскрипции, которые инициируют дифференцировку.

Catenin control of epidermal inflammation. Помимо своей традиционной роли в адгезии, компоненты слипчивых соединений регулируют передачу воспалительных сигналов в эпидермисе⁸⁴. Делеция в эпидермисе α-catenin вызывает гиперпролиферацию трансплантатов кожи у мышей и это зависит от повышения передачи сигналов митогенной MAPK^{68, 85}. Более того, дефицит α-catenin также нарушает полярность кератиноцитов и способствует формированию эпидермальных опухолей посредством p53-обеспечиваемой передачи апоптических сигналов^{68, 86}. Хотя нарушение адгезии, как полагают, может быть первичным триггером канцерогенеза, передача сигналов nuclear factor-κB (NF-kappa;B) заметно разрегулирована в α-catenin-нулевых опухолях. Повышенная активность NF-kappa;B также обнаруживается в кератиноцитах, лишенных α-catenin, которые культивируются при низком уровне кальция (без сильной межклеточной адгезии), указывая тем самым, что потеря α-catenin вызывает дефекты внутренне присущей передачи сигналов, которые не являются вторичными для тканевой инфильтрации иммунными клетками или потери адгезии. p120 catenin сходным образом влияет на передачу воспалительных сигналов в эпидермисе⁶⁹. Делеция в эпидермисе p120 catenin приводит к увеличению активности RHOA, но также аномально усиливает передачу сигналов NF-kappa;B. Как результат потеря p120 catenin в коже ведет к гиперпролиферации и усилению передачи сигналов MAPK с выраженным воспалением кожи. Потеря p120 catenin также ведет к усилению образования эпидермальных опухолей⁷⁰. Интересно, что способность p120 catenin регулировать передачу сигналов NF-kappa;B не зависит от его способности связывать и стабилизировать E-cadherin, опять же подозревается supra-adhesive функция. Итак, эти исследования показали, что скорее, чем просто гарантия целостности эпителия, α-catenin и p120 catenin обнаруживают недооцененную роль в супрессии воспалительного каскада, который способствует туморогенезу.

Diverse roles for desmosomes и keratins

Хотя десмосомы присутствуют в базальных кератиноцитах, стратификация вызывает заметное увеличение в концентрации этих адгезивных структур⁸⁷ и реорганизует ассоциированные с ними цитоскелетные элементы⁸⁸. Десмосомы строятся из собранных в кластеры трансмембранных кадеринов, наз. desmogleins (DSGs) и desmocollins (DSCs). Они соединяются с plakoglobin (PG) и plakophilins (PKPs), которые являются членами внутриклеточного семейства белков armadillo. В свою очередь, это связывание рекрутирует cytolinker desmoplakin (DP), который связывает кератиновые промежуточные филаменты ⁸⁹ (Box 1). Благодаря этой цепочке взаимодействий, компоненты десмосом непосредственно связывают межклеточные соединения и цитоскелет из промежуточных филамент, которые заполняют цитоплазму цитоплазму и окружают ядро. Дифференцировка эпидермиса вызывает драматические изменения в экспрессии десмосомных кадеринов и в распределении PKPs между ядром и клеточными соединениями. Супрабазальные кератиноциты также изменяют свой набор кератинов⁸⁸, это важно для регуляции клеточного роста и метаболизма в дополнение к поддержке цитоархитектуры эпидермиса^{90, 91}. Десмосомные белки также обладают supra-adhesive эффектами в эпидермисе, включая эффекты на реорганизацию микротрубочек во время дифференцировки.

Desmosomal cadherins regulate differentiation. Десмосомы in vivo очень слипчивы и обнаруживают свойства, наз. гиперадгезией, отражающие нечувствительность в внеклеточному кальцию⁹². Однако эти межклеточные заклепки могут также возвращаться к более пластичному состоянию во время заживления ран благодаря активности PKC⁹³. Фактически, PKC может управлять стабильностью десмосом путем регуляции взаимодействий с кератином, поскольку мутации консенсусного сайта PKC в DP повышают сродство к промежуточным филаментам и способствуют гиперадгезии in vitro⁹¹. Набор десмосомных компонентов экстенсивно модифицируется по мере перехода кератиноцитов вверх в дермис, подчеркивая ещё больше их динамичную природу^{89, 94} (Fig. 1). Напр., DSG2 обычно ограничен низкой экспрессией в пролиферативном базальном слое, но она оказывается повышенной в эпидермальных карциномах^{95, 96}. Повышенные PG, PKP1 и DP в супрабазальных слоях сопровождаются активацией специфических кадеринов, начиная с DSG1, экспрессируемого, как только клетки выходят из базального слоя, вместе с DSC1 в spinous слоях и DSG4 в granular слоях^96-98.

Помимо поддержания целостности эпидермиса, регулируемая экспрессия этих десмосомных компонентов является критической для изменения морфологии кератиноцитов и передачи сигналов для управления эпидермальным морфогенезом^{89, 99, 100}. В частности, десмосомные кадерины модулируют внутриклеточную передачу сигналов и контролируют дифференцировку^101-105. Эктопическая экспрессия DSG2 в супрабазальном эпидермисе мышей прибавляет различные сигнальные пути, стоящие ниже EGFR, приводя к супрессии дифференцировки, ослаблению апоптоза и к pre-malignant папиломам¹⁰⁶. В противовес DSG2, экспрессия DSG1 возрастает по мере подавления активности EGFR (Fig. 1). DSG1 важен для супрессии передачи сигналов EGFR к MAPKs, чтобы сделать возможной дифференцировку органотипического эпидермиса¹⁰⁷. DSG1 может способствовать дифференцировке независимо от функционального адгезивного эктодомена, допуская независимый от адгезии эффект. Итак, эти данные указывают, что десмосомные кадерины могут осуществлять противоположные роли в передаче сигналов кератиноцитами, возможно способствуя переключению с пролиферации на дифференцировку после стратификации. Это подтверждается др. in vivo моделями, которые показывают измененный эпидермальный морфогенез и гомеостаз после делеции или аберрантной экспрессии десмосомных кадеринов^{89, 99}.

The expanding role of epidermal keratins. Эпидермис представляет великолепную демонстрацию разнообразия функции различных изоформ кератинов, экспрессия которых в высокой степени регулируется в этой ткани. Хотя кератины являются критическими в волосяных фолликулах¹⁰⁸, здесь мы сфокусируемся на их значении для эпидермиса между фолликулами, которое недооценено из-за мутаций, которые вызывают болезни от гиперутолщения ладоней и стоп (мутации keratin 1 (K1), K2e, K6, K9 или K10) до летальных волдырей (K5 или K14 мутации)^{109, 110}. Др. эпидермальные роли кератинов связаны с регуляцией передачи сигналов, роста и апоптоза^{90, 91}.

В эпидермальных кератиноцитах промежуточные филаменты заполняют цитоплазму и механически связывают полудесмосомы на базальной мембране и десмосомы на латеральной мембране с клеточным ядром. Белок, ассоциированный с промежуточными филаментами, plectin связывает α6β4 интегрин с полудесмосомами, но также ассоциирует с nesprin 3, белком, внедренным в наружную ядерную мембрану¹¹¹ (Fig. 2). Nesprin 2 регулирует толщину ткани и морфологию ядра в эпидермисе¹¹². Т.о., соединение desmosome-nesprin д. создавать уникальный механосенсорный аппарат в кератинах, который позволяет воспринимать механические силы на периферии, оказывая непосредственное влияние на ядерную активность во время эпидермального морфогенеза. Было также предположено, что регуляция цитоплазматической вязкости за счет экспрессии специфических кератинов может регулировать подвижность кератиноцитов, напр., во время стратификации или заживления ран^{90, 113}. Подтверждением этой модели является, что K6 и K16 активируются в базальных клетках, т.к. они скрепляют кожные раны и они, по-видимому, вносят вклад в миграцию этих клеток¹¹⁴.

Кератиноциты уплощаются, когда они перемещаются вверх в эпителий, а keratins, как полагают, вносят вклад в морфологическую трансформацию этих клеток благодаря своим прирожденным свойствам давать пучки, своей ассоциации с filaggrin и их поперечным связям с десмосомами и ороговевшими оболочками^{2, 115}. В супрабазальном компартменте экспрессия K5 и K14 замещается экспрессией K1 и K10, а также K9 в ладонях и подошвах^{88, 110}. Мыши, лишенные K10, обладают более крупными по сравнению с нормальными супрабазальными кератиноцитами и дефектами уплощения¹¹⁶. Потеря K10 в эпидермисе также запускает гиперпролиферацию с аномальной активацией MAPKs и передачей сигналов каркасного белка 14-3-3σ¹¹⁷.

Кератины могут непосредственно контролировать размер клеток путем регуляции передачи метаболических сигналов. Делеция K17, который обычно экспрессируется только в активированном эпидермисе (напр., во время повреждений или при псориазе), уменьшает размер кератиноцитов¹¹⁸. Потеря K17 также уменьшает общий белковый синтез посредством передачи сигналов AKT и mammalian target of rapamycin (mTOR); эта функция K17 зависит от его ассоциации с цитозольным 14-3-3σ, чтобы ингибировать его транслокацию в ядро. Кератины могут также взаимодействовать с аппаратом транслокции белка, включая рибосомы, которые подтверждают, что регулируемая экспрессия кератинов может модулировать глобальный синтез белков, чтобы сделать возможной собственно эволюцию клеточной морфологии в сложных тканях, таких как эпидермис⁹⁰. Дальнейшее подтверждение регуляции клеточного метаболизма кератинами получены на мышах, лишенных всех генов кератинов, у которых летальные дефекты роста ассоциируют с неправильной локализацией транспортеров глюкозы, приводя в результате к активации AMP киназы и подавлению mTOR мишеней¹¹⁹. Кроме того, воздействие лекарств, которые воспроизводят оксидативные стрессы, модулирует экспрессию K16 и K17, подтверждая, что экспрессия кератинов может динамически регулироваться в ответ на внешенсредовые стимулы¹²⁰.

Иммуномодуляторная роль специфических кератинов подтверждается недавней демонстрацией повышенной концентрацией клеток Лангерганса в эпидермисе мышей и пациентов с мутациями в K5, но не в K14 (Ref. 121). K17-нулевые клетки также обнаруживают повышенную чувствительность к tumour necrosis factor (TNF; также известному как TNFα) in vitro, указывая тем самым, что он затрагивает чувствительность к апоптозу¹²². Более того, K17 усиливает передачу хронических про-воспалительных сигналов в эпидермисе, это ведет к образованию базальными клетками карцином и может также вносить вклад в псориаз¹²³. Более того, кератиновый цитоскелет спадается при болезни эпидермальных волдырей, такой как пузырчатка (pemphigus), которая вызывается образованием ауто-антител против десмосомных кадеринов¹²⁴. Одной из интригующих возможностей является то, что этот коллапс вносит вклад в аберрантную передачу сигналов, которая происходит в ответ на патогенные антитела при pemphigus¹²⁵, но этот эффект может также возникать в результате измененной механики цитоплазмы, приводящей к повышенному транспорту в ядро. Более того, фенотипические проявления кожных болезней, затрагивающих компоненты десмосом и keratins, которые могут быть ограничены областями сильных стрессов, таких как ладони и подошвы¹²⁶, могут, пожалуй, быть объяснены измененной механотрансдукцией между десмосомами, кератинами и ядром. Соотв., мутации в K5 и K14, которые вызывают тяжелые кожные волдыри, также подавляют транскрипцию компонентов клеточных соединений в клетках от пациентов и в нормальных кератиноцитах, трансфицированных мутантными кератинами¹²⁷.

Desmosomal crosstalk with microtubules и actin. Во время эпидермальной дифференцировки микротрубочки существенно реконструируются¹²⁸. Хотя имеется нормальное звездчатое расположение тубулиновых филамент, исходящих из околоядерных центросом в базальных клетках, микротрубочки концентрируются в кортикальной области супрабазальных клеток и колокализуются с межклеточными соединениями (Fig. 4). Продемонстрирована связь между слипчивыми соединениями и динамикой микротрубочек¹²⁹. Недавно десмосомный белок DPкак было установлено, необходим для реорганизации микротрубочек супрабазальных кератиноцитов мышей¹²⁸. Здесь, DP колокализуется в межклеточных соединениях с ninein (белком, закрепляющим микротрубочки, который обычно обнаруживается в центросоме¹³⁰), который может рекрутировать и/или закреплять микротрубочки на десмосомах. Интересно, что организация микротрубочек с помощью DP не нужна для его взаимодействия с промежуточными филаментами¹²⁸.

Компоненты десмосом также функционально связаны с актиновым цитоскелетом. Фактически, p120-родственный десмосомный белок PKP1 ассоциирует с актином и может индуцировать образование филоподий¹³¹. Кроме того, PKP2 регулирует активность RHO и организацию актина во время сборки межклеточных соединений в кератиноцитах¹³². Реорганизация актина и пониженная актиность RHOA, как было предположено, лежат в основе патогенеза пузырчатки¹³³, это заставляет подразумевать, что связь между десмосомной адгезией и актиновым цитоскелетом существенна для поддержания целостности эпидермиса ^{in vivo}.

Эти исследования установили, что хотя десмосомы традиционно ассоциированы с промежуточными филаментами, они более широко регулируют актин и микротрубочки в эпидермальных кератиноцитах.

Tight junctions in the epidermis

Когда кератиноциты перемещаются в гранулярные слои, плотные соединения помогают созданию внешнесредового барьера¹³⁴. Плотные соединения скрепляют многоклеточные листки, образуя язык-подобные адгезии между клетками, делая возможным прохождение только мелких молекул и ионов¹³⁵. Несколько семейств трансмембранных белков вносят вклад в плотные соединения, включая claudins, молекулы слипчивых соединений, occludins и tricellulin, occludin-подобный белок, обнаруживаемый при срезах трех клеток¹³⁴ (Box 1). Внутриклеточные компоненты плотных соединений включают каркасные белки семейства zonula occludens (ZO), которые образуют кластеры трансмембранных белков и делают возможным соединение с актином. В простых эпителиальных слоях плотные соединения располагаются на апикальной области поляризованных клеток. Однако в эпидермисе, хотя claudins экспрессируются в нижних слоях клеток, функциональные плотные соединения формируются только в гранулярных слоях. Это, по-видимому, управляется зависимой от дифференцировки экспрессией ZO белков¹³⁶ и базируетя на E-cadherin, который необходим для локализации claudins и на ZO1 в гранулярных слоях⁵⁹. Здесь мы обсудим, как gknyst соединения делают возможным одновременное функционирование эпидермиса в качестве как щита от внешней среды, и как места, где внешние антигены 'собираются' с помощью иммунных клеток.

Tight junctions provide an epidermal barrier. В эпидермисе регулируемая экспрессия множественных генов claudin, как полагают, обеспечивают избирательность барьера^{134, 137}. Первым доказательством in vivo , демонстрирующим, что плотные соединения важны для функции эпидермального барьера, получены от мышей, лишенных claudin 1 (Ref. 138), которые погибают вскоре после рождения из-за выраженной трансэпидермальной потери воды (trans-epidermal water loss (TEWL)). Желудочно-кишечный синдром у человека ассоциирован эпидермальным шелушением (ichthyosis) был впоследствии связан с мутациями в claudin 1 (Ref. 139). У др. животных моделей эктопическая экспрессия claudin 6 в супрабазальном компартменте приводила к дозово-зависимым дефектам барьерной функции эпидермиса, подтверждая, что нарушение соотношения claudins в эпидермисе может нарушать морфогенез эпидермиса¹⁴⁰. Было предположено, что уникальная роль разных claudins (напр., в передаче внутриклеточных сигналов) может возникать в результате их дивергентных цитоплазматических хвостов. В подтверждение этого эктопическая экспрессия мутантного claudin 6, лишенного полностью цитоплазматического хвоста, приводит к эпидермальной гиперпролиферации и летальной дисфункции кожного барьера или к связанному с возрастом дерматиту и повышенной TEWL, в зависимости от степени делеции^{141, 142}.

Dynamic tight junctions permit immune sampling. Эпидермис является также местом активного иммунного надзора с помощью многочисленных антиген-презентирующих клеток¹⁴³. Клетки Ларгенганса, в частности, располагаются в нижних слоях эпидермиса, но их цитоплазматические проекции образуют обширную сеть, которая пронизывает верхние слои несмотря на присутствие плотных соединений (Fig. 5).

Успехи в получении трехмерных изображений выявили механизм, с помощью которого эпидермис делает возможным сборку антигенов, сохраняя кожный барьер¹⁴⁴: клетки Ларгенганса образуют плотные соединения с кератиноцитами в эпидермисе и плотные соединения подвергаются сложной реорганизации, чтобы сделать возможным надзор за эпидермальными антигенами. Эта локальная перестройка позволяет дендритным отросткам клеток Лангерганса собирать антигены за пределами плотных соединений между кератиноцитами, при этом в целом эпидермальный барьер сохраняется с помощью уникальных трехклеточных плотных соединений между двумя соседними кератиноцитами и пенетрирующей клеткой Лангерганса. В самом деле, клетки Ларгенганса экспрессируют claudin 1 и ZO1 на своих клеточных мембранах, это позволяет формировать плотные соединения между их дендритами и кератиноцитами гранулярного слоя.

Верхние кончики проекций клеток Лангерганса также действуют как места эндоцитоза для поглощения антигенов в Birbeck гранулы, это делает возможным преобразование и презентацию наружных антигенов иммунной системе хозяина¹⁴⁴. Т.о., это исследование выявило динамичную природу плотных соединений и важную роль этой реорганизации для иммунного надзора. Сигнальные пути, которые управляют этой реорганизацией, неизвестны, но они могут лежать в основе кожных патологий, таких как атопические дерматиты, которые вызываются нарушением барьерной функции и усиленным потреблением антиогенов¹⁴⁵. Интересно, что организация плотных соединений нарушается в раннем развитии псориатических эпидермальных повреждений¹⁴⁶. Дальнейшие исследования улучшат наше понимание роли плотных соединений при др. кожных болезнях, вызываемых с помощью или в результате дефектов барьерной функции и хронического воспаления.

Filaggrin in barrier function. Помимо плотных соединений др. ключевым морфологическим свойством гранулярного слоя являются keratohyalin гранулы, мультибелковые комплексы, которые в основном состоят из profilaggrin¹⁴⁷. Profilaggrin состоит из 10 - 12 повторяющихся единиц и расщепляется, чтобы дать зрелый filaggrin, который соединяется с и способствует агрегации промежуточных филамент в верхних слоях. Т.о., filaggrin помогает стабилизировать кератиновую сеть, которая служит в качестве критического каркаса для др. компонентов слущивающихся покровов². In vitro исследования показали, что filaggrin может также способствовать коллапсу цитоскелета из промежутоных филамент во время поздних стадий дифференцировки, это может облегчать компакцию клеток верхней части эпидермиса¹⁴⁸. Этот структурный белок также помогает поддерживать кожный барьер. Генетические исследования подтвердили, что мутация гена filaggrin лежит в основе фенотипа чешуйчатая кожа, наблюдаемого при ichthyosis vulgaris и является основым фактором риска для атопического дерматита (eczema), преобладающее состояние, характеризующее кожное воспаление^149-151. Мыши, обладающие мутацией гена filaggrin обнаруживают повышенную иммунологическую реакцию на топические антигены, указывая тем самым на дефекты кожного барьера¹⁵². Более того, преобразование filaggrin влияет на гидратацию кожи: мыши, лишенные протеазы, которая расщепляет profilaggrin, обнаруживают обезвоженный stratum corneum¹⁵³. Более того, мутации этой протеазы обнаруживаются у определенных пациентов с атопическим дерматитом, это может объяснить хроническую сухую кожу, типичную ддля этой болезни. Эти исследования продвинули наше понимание патогенеза атопического дерматита и могут иметь дальнейшие последствия для лечения широко распространенной болезни, такой как астма, сенная лихорадка и даже аллергия к пище^{147, 154, 155}.

Cornified envelopes и corneodesmosomes

Когда кератиноциты прогрессируют в направлении своего окончательного предназначения в верхней части эпидермиса, они подвергаются уникальному процессу клеточной гибели, обозначаемой ороговением (cornification), которая отличается от апоптоза². Ороговение использует биохимические поперечные связи различных белков кератиноцитов, таких как loricrin и involucrin посредством transglutaminases (TGases), но оно в конечном итоге завершается разрывом ядер и органелл с помощью внутриклеточных и секретируемых протеаз, включая специализированные каспазы^{156, 157}. Однако перед гибелью эти кератиноциты продуцируют специализированные белки и липиды, чтобы сконструировать ороговевшую оболочку, которая крепко поперечно привязана к субмембранозному слою, который составляет структуру верхнего эпидермиса и действует как водонепроницаемый барьер². В этом барьере компоненты десмосом поперечно связаны с ороговевшей оболочкой, чтобы сформировать corneodesmosomes, которые связывают ороговевшие клетки вместе и важны для образования барьера¹⁵⁸. Однако эти сцепления должны быть обратимыми, чтобы позволить слущивание ороговевших клеток (desquamation) во время обычного оборота эпидермиса^{159, 160}.

The cornified envelope promotes barrier function. Поперечное связывание involucrin и loricrin с помощью TGase 1 способствует их инкорпорации в субмембранозный матрикс из тесно связанных белков, формируемых кератиновыми филаментами и filaggrin в гранулярном слое². TGase 1 активируется в верхних слоях и важна для функционирования эпидермального барьера in vivo^{161, 162}. Помимо этих компонентов специализированные белки plakin, наз. envoplakin и periplakin, и секретируемый десмосомный белок corneodesmosin (CDSN) включаются в ороговевшую оболочку^{2, 163, 164}. Envoplakin и periplakin являются белками, связывающими промежуточные филаменты, которые локализуются в десмосомах верхних слоёв, где они, как полагают, интегрируют кератиновые цитоскелеты рогового слоя^{165, 166}.

Неожиданно, делеция индивидуальных компонентов ороговевшей оболочки, таких как loricrin, involucrin, periplakin и envoplakin, дают минимальные фенотипические отклонения, указывая, что эти составляющие могут компенсировать один другого в барьерной функции^167-170. В более агрессивном подходе, тройные нокаутные мыши, лишенные periplakin, envoplakin и involucrin обнаруживали нарушение барьерной функции и нарушение десквамации ороговевших слоёв, возможно благодаря аномальному процессингу и fmthhfynyjve сохранению corneodesmosomes в дополнение к дефектам деградации DSG1 во время десквамации¹⁷¹. Мутации компонентов ороговевшей оболочки могут вносить вклад в генетическую чувствительность к хроническим дефектам барьера, как при атопическом дерматите^{172, 173}.

Corneodesmosomes in barrier formation и desquamation. Corneodesmosomes содержат кадерины DSG1 и DSC1, которые д. быть расщеплены с помощью сериновых протеаз, чтобы позволить надлежащее слущивание наружного эпидермиса¹⁶⁰. Фактически, дефицит SPINK5 (также известного как LEKT1), ингибитора сериновой протеазы приводит к ослаблению адгезии ороговевших слоёв, преждевременной десквамации и нарушению барьерной функции у мышей¹⁶⁰. SPINK5 мутации также сцеплены с синдромом Netherton, болезнью человека со сходным фенотипом¹⁷⁴.

CDSN является важным компонентом corneodesmosomes, который секретируется в верхнем гранулярном слое во время финальных стадий дифференцировки¹⁶⁴. Он, как полагают, действует в качестве межклеточного 'клея', который помогает затвердению сцепления эктодоменов десмосомного кадерина между кератиноцитами в stratum corneum, но он может обладать наследуемыми адгезивными свойствами¹⁷⁵. CDSN является также важным для десквамации¹⁷⁶. Его целенаправленное устранение из эпидермиса ведет к гибели вскоре после рождения вследствие отторжения наружных эпидермальных слоёв, сопровождаемого появлением расщепленных corneodesmosomes¹⁷⁷. У человека мутации в CDSN вызывают хроническое воспаление кожи и шелушение из-за нарушения десквамации эпителия и дисфункции кожного барьера¹⁷⁸и может также ассоциировать с врожденной потерей волос¹⁷⁹.

Т.о., структурные связи, которые формируют ороговевшие кератиноциты, являются динамичными и д. подвергаться тонко настроенному циклу агрегации и десквамации в точном балансе с пролиферацией базальных клеток, чтобы одновременно сохранять эпидермальный гомеостаз и создавать внешнесредовой барьер .

Conclusions

In this Review we have traced the journey of the keratinocyte as it progresses outwards through the epidermal layers, a process that is paralleled by key alterations in adhesive junctions и their associated cytoskeletal elements. These cytoarchitectural elements are far from passive scaffolds — they actively cooperate with transcriptional и translational pathways to establish cell и tissue polarity, guide differentiation и regulate cutaneous responses to environmental insults и pathogens. For instance, stratification-associated alterations in integrin- и cadherin-based adhesions are important for balancing proliferation и differentiation. Although tight junctions are crucial for preventing water loss, their remodelling also has an active role in antigen sampling. The proper construction of corneodesmosomes makes an essential contribution to the skin barrier, but their timely breakdown is necessary for normal epidermal turnover. Our increased understanding of these processes has in turn provided insights into the dysfunction of adhesive и cytoskeletal proteins that leads to epidermal pathology in humans и has suggested potential therapeutic avenues for cutaneous disease.

However, many questions remain about the detailed mechanisms by which cytoskeletal и adhesive proteins directly contribute to epidermal morphogenesis и disease. These mechanisms are likely to hinge on interconnections between keratinocytes и the cytoskeletal scaffolding that connects the cell surface with the nucleus. This scaffold could contribute to various functions ranging from mechanosensing to regulation of the diffusion или nuclear import of signalling proteins¹⁸⁰. Differentiation-dependent remodelling of this scaffold could coordinate changes in morphology with altered signalling и transcription. Moreover, the ability of adhesive junctions to interconnect the cells of the epidermis may regulate communication among layers и allow coordinated responses to pathogenic insults или mechanical strain. It has been suggested that the meshwork of interlaced cytoskeletons that fill the cytoplasm may globally regulate cell plasticity и signalling during dynamic processes such as tissue stratification или cell migration^{90, 113, 181}. However, we still have much to learn about the specific contributions of epidermal cytoskeletal elements. For instance, the significance of microtubule redistribution during stratification¹²⁸ is completely unknown. In addition, junction proteins themselves, including catenins, PKPs и even cadherin fragments, can enter the nucleus и affect transcription^{182, 183}. This dual localization at junctions и in transcriptional complexes places these versatile proteins in a prime position to orchestrate alterations in adhesion with changes in signalling during epidermal morphogenesis. In fact, PKP1 can control cell size и proliferation through the regulation of protein translation¹⁸⁴.

How are the mechanical cues borne by epidermal cytoskeletal scaffolds translated into chemical information? One can envision that signal transmission occurs through a series of molecular sensors и actuators present in cell junctions и cortical cytoskeletal attachments, и that information is communicated through alterations in protein conformation и protein–protein interactions. To illuminate exactly how these cell elements translate environmental cues, strategies will be needed that directly couple the delivery и measurement of mechanical forces with molecular probes that report how information is perceived и processed. The development of molecular fluorescent sensors is still in its infancy, but one example is a biosensor that assesses tension in the actin-binding protein vinculin, which is found in both focal contacts и adherens junctions¹⁸⁵. This sensor has provided insights into the relationship between force transmission и junction assembly и size. Combining the use of these probes with super-resolution microscopy, intravital imaging techniques и physiologically relevant models of epidermal morphogenesis will be needed to directly assess how endogenous contractile forces или environmentally applied stress is transmitted through the epidermal cell architecture. Applications of these strategies could be used, for instance, to understand how genetic deficiencies impair the coupling of contractile forces with the differentiation programme that normally directs stratification.

Although cell biologists have for years promoted the idea that cytoarchitecture governs cell fate^{186, 187}, we still have a lot to learn about how this occurs at a molecular level. The next decade holds much promise for grappling with these complex questions. We are now in a new era of interdisciplinary cooperation, with teams bringing to bear their combined expertise in bioengineering и materials science, quantitative biology, optical imaging, cell и molecular biology. Advances resulting from these interdisciplinary teams promise to illuminate how the hard-wiring of cells transforms their behaviour и fate.

Deconstructing the skin: cytoarchitectural determinants of epidermal morphogenesisCory L. Simpson, Dipal M. Patel & Kathleen J. Green Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 565-580 (September 2011) | doi:10.1038/nrm3175

Deconstructing the skin: cytoarchitectural determinants of epidermal morphogenesis
Cory L. Simpson, Dipal M. Patel & Kathleen J. Green
Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 565-580 (September 2011) | doi:10.1038/nrm3175