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Stratum corneum keratin structure, function and formation – a comprehensive review

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Synopsis A comprehensive review on stratum corneum keratin organization, largely based on the recently published cubic rod-packing and membrane templating model [, , 2004, 715], is presented. Keratin is the major non-aqueous component (wt/wt) of stratum corneum. As 90–100% of the stratum corneum water is thought to be located intracellularly one may presume that keratin also is a major factor (together with filaggrin-derived free amino acids) determining stratum corneum hydration level and water holding capacity. This water holding capacity depends in turn on the structural organization of the corneocyte keratin intermediate filament network. The cubic rod-packing model for the structure and function of the stratum corneum cell matrix postulates that corneocyte keratin filaments are arranged according to a cubic-like rod-packing symmetry. It is in accordance with the cryo-electron density pattern of the native corneocyte keratin matrix and could account for the swelling behaviour and the mechanical properties of mammalian stratum corneum. The membrane templating model for keratin dynamics and for the formation of the stratum corneum cell matrix postulates the presence in viable epidermal cellular space of a highly dynamic small lattice parameter (<30 nm) membrane structure with cubic-like symmetry, to which keratin is associated. It further proposes that membrane templating, rather than spontaneous self-assembly, is responsible for keratin intermediate filament formation and dynamics. It is in accordance with the cryo-electron density patterns of the native keratinocyte cytoplasmic space and could account for the characteristic features of the keratin network formation process, the dynamic properties of keratin intermediate filaments, the close lipid association of keratin, the insolubility in non-denaturating buffers and pronounced polymorphism of keratin assembled , and the measured reduction in cell-volume and hydration level between stratum granulosum and stratum corneum.

French
Résumé 

La kératine est le composant majeur anhydre de la couche cornée. Etant donné que l'on considère que 90 à 100% de l'eau de la couche cornée est localisée à l'intérieur des cellules, on peut penser que la kératine joue également un rôle important (en association avec les acides aminés libres dérivés de la filagrine) dans le niveau d'hydratation de la couche cornée et sa capacité de rétention de l'eau. Cette capacité de rétention de l'eau dépend elle-même de l'organization structurelle du réseau de filaments intermédiaires de la kératine des cornéocytes. Le modèle de cylindre en réseau cubique appliquéà la structure et aux fonctions de la matrice des cellules de la couche cornée stipule que les filaments de la kératine des cornéocytes sont disposés symétriquement, les paquets de fibrilles formant une structure cubique. Ceci est conforme au modèle de densité cryo-électronique de la matrice kératinique des cornéocytes natifs et pourrait expliquer le comportement de gonflement et les propriétés mécaniques de la couche cornée des mammifères. Le modèle d'assemblage membranaire appliquéà la dynamique de la kératine et à la formation de la matrice cellulaire du stratum cornéum postule la présence dans l'espace cellulaire viable de l’épiderme d'une structure membranaire hautement dynamique présentant un petit paramètre de maille (<30 nm) et une organization en forme de cube, à laquelle la kératine est associée. D'autre part, ce modèle suggère qu'un assemblage membranaire plutôt qu'un auto-assemblage spontané puisse être à l'origine de la formation des filaments intermédiaires de kératine et de leur dynamique. Ceci concorde avec les modèles de densité cryo-électronique du cytoplasme des kératinocytes natifs et pourrait expliquer les caractéristiques du processus de formation du réseau kératinique, les propriétés dynamiques des filaments intermédiaires de kératine, l'association de la kératine avec les lipides, l'insolubilité dans les tampons non dénaturants, le polymorphisme caractéristique de la kératine assemblée in vitro, ainsi que la diminution mesurée du volume cellulaire et du niveau d'hydratation entre le stratum granulosum et le stratum corneum.
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Keywords: blue phases; body-centred cubic cylinder packing; corneocytes; cubic membranes; cubic phases; epidermis; intermediate filaments; skin lipids; skin membranes; sponge phases; tonofilaments

Document Type: Research Article

Publication date: December 1, 2006

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