DNA Abbau in epidermalen Keratinozyten

Die äußerste Schicht der Haut, das Stratum corneum, schützt den Körper gegen Austrocknung und fungiert als Barriere gegen den Eintritt von toxischen Substanzen und Mikroben aus der Umwelt. Das Stratum corneum wird gebildet durch kontinuierliche Umwandlung der vorherrschenden Zellen der Epidermis, nämlich der Keratinozyten, in sogenannte Korneozyten, starre organellenlose Zellreste. Während dieses Umwandlungsprozesses wird die DNA des Keratinozytenzellkerns vollständig abgebaut. Fehlerhaftes Verbleiben von Kern-DNA in Korneozyten ist charakteristisch für Krankheiten wie Psoriasis und bestimmte Formen der Ichthyose. Obwohl der Abbau des Zellkerns ein zentrales Ereignis in der Bildung des Stratum corneums ist, sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen derzeit unklar. In einer früheren Studie haben wir das Protein DNase1L2 als ein Keratinozyten-spezifisches DNA-abbauendes Enzym identifiziert. DNase1L2 wird in grosser Menge gebildet, bevor sich Keratinozyten in die toten Bestandteile des Stratum corneums, des Talgs, der Haare oder der Nägel umwandeln. In vitro konnten wir zeigen, dass DNase1L2 für den Abbau der Keratinozytenkern-DNA in einem humanen Hautmodell unbedingt erforderlich ist. Weiters fanden wir, dass DNase1L2 in seiner enzymatisch aktiven Form im Stratum corneum vorliegt und die Bildung von bakteriellen Biofilmen in vitro unterdrückt, was eine zusätzliche Rolle von DNase1L2 als Komponente der antimikrobielle Abwehr der Haut nahelegt. Die Ziele des vorliegenden Projektes sind nun 1. zu bestimmen, welche Rolle DNase1L2 im Rahmen des DNA Abbaus in differenzierten Keratinozyten in vivo spielt, 2. zu eruieren, wie sich unvollständiger Abbau des Kerns auf die Bildung und die Funktion des Stratum corneums auswirkt, und 3. herauszufinden, wie die Aktivierung von DNase1L2 auf molekularer Ebene kontrolliert wird. Um aussagekräftige Untersuchungsmodelle herzustellen, wird in der Maus das DNase1L2 Gen deletiert und in einem humanem Hautmodell die Bildung von DNase1L2 durch RNA Interferenz unterdrückt. Die Auswirkungen der DNase1L2 Elimination werden dann auf der molekularen, der zellulären und der histologischen Ebene untersucht. Die hier angestrebte Klärung des Mechanismus und der physiologischen Rolle des DNA Abbaus in der Haut wird wesentlich dazu beitragen, das Verständnis und die Behandlung von krankhaften Defekten der Hautbarriere zu verbessern.

Die Hornschicht der Haut schützt den Körper gegen Austrocknung und verhindert den Eintritt von toxischen Substanzen und von Mikroben aus der Umwelt. Ebenso wie Haare und Nägel, wird die Hornschicht von Zellen der Epidermis, den Keratinozyten gebildet, die dabei absterben und die DNA im ihrem Zellkern abbauen. Das Ziel unserer Forschung ist, die molekularen Mechanismen des DNA Abbaus in epidermalen Keratinozyten aufzuklären. Im vorliegenden Projekt wurde das Gen des DNA abbauenden Enzyms DNase1L2, welches praktisch nur in der Epidermis vorkommt, in einem Mausmodell ausgeschaltet. Histologische und biochemische Untersuchungen zeigten, dass das Fehlen von DNase1L2 mit einem unvollständigen Abbau der DNA in den Haaren und Krallen verbunden ist, während in der Hornschicht der Haut, zumindest im homöostatischen Zustand, keine Änderungen auftraten. In einer weiteren Studie wurden aus der Hornschicht des Menschen und der Maus mehrere DNasen isoliert, die dort neben DNase1L2 aktiv sind. Durch die Herstellung der DNase1L2 Knockoutmaus und die vorläufige Charakterisierung weiterer epidermaler DNasen liefert dieses Projekt die Basis für das vom FWF-geförderten Folgeprojekt P21312. In diesem wird untersucht, wie die nicht abgebaute DNA physiologisch relevante Eigenschaften von Haaren und Krallen beeinflusst, welche Rolle DNase1L2 in der physiologischen Antwort auf Störungen der Hornschicht hat, und welche molekulare Identität die anderen DNasen der Epidermis haben. Das abgeschlossene Projekt und das Folgeprojekt tragen dazu bei, die strukturelle Eigenschaften von Haaren und Nägeln zu erklären, und verbessern unser Verständnis jener molekularen Vorgänge, die dem gestörten epidermalen DNA Abbau in Krankheiten wie der Psoriasis zugrunde liegen.