Die Rolle von DNase1L2 im epidermalen DNA Abbau

Die Keratinozyten der Epidermis bilden epidermale Anhanggebilde wie Haare und Nägel sowie die Hornschicht der Haut, welche als Barriere zur Umwelt fungiert. Während dieser Differenzierungsprozesse wird die Kern-DNA der Keratinozyten abgebaut. Vor kurzem konnten wir die Desoxyribonuclease DNase1L2 als die erste hautspezifische Endonuklease identifizieren und durch RNA Interferenz-Unterdrückung von DNase1L2 in humanen Hautäquivalenten zeigen, dass DNase1L2 für die Bildung einer normalen Hornschicht in vitro erforderlich ist. Um Untersuchungen von DNase1L2 im lebenden Organismus zu ermöglichen, haben wir in einem Vorgängerprojekt ein Mausmodell hergestellt, in dem das DNase1L2 Gen inaktiviert ist. Im nun vorgeschlagenen Projekts verfolgen wir die Hypothesen, dass DNase1L2 für den Abbau der DNA in wenigstens einem Keratinozytendifferenzierungsprodukt in vivo verantwortlich ist und dass das fehlerhafte Verbleiben der DNA die Funktion dieser Differenzierungsprodukte, also der Hornschicht, der Haare oder der Nägel, beeinträchtigt. Um diese Hypothesen zu überprüfen, werden die Epidermis, die Haare und Nägel von DNase1L2-defizienten und normalen, DNase1L2-exprimierenden Mäusen hinsichtlich ihrer Morphologie und Funktion verglichen, wobei sowohl homöostatische als auch gestreßte Bedingungen untersucht werden. Diese Studie wird erstmalig Einsichten in den Mechanismus und die physiologische Rolle des DNA-Abbaus in differenzierten Keratinozyten liefern. Die Resultate werden dazu beitragen, strukturelle Eigenschaften von Haaren und Nägeln zu erklären, und unser Verständnis jener molekularen Vorgänge verbessern, die eine gestörte Keratinozytendifferenzierung in Krankheiten wie der Psoriasis verursachen.

Die äußerste Schicht der Haut sowie Haare und Nägel bestehen aus abgestorbenen, verhornten Zellen. Während der Bildung und laufenden Erneuerung dieser Hautstrukturen kommt es zum fast vollständigen Abbau der DNA im Zellkern der Keratinozyten, die den Hauptzelltyp der Epidermis darstellen. Weder der molekulare Mechanismus noch die physiologische Funktion des DNA Abbaus sind bisher bekannt. In einer früheren Studie konnten wir zeigen, dass Keratinozyten das zelltypspezifische, DNA abbauende Enzym DNase1L2 enthalten. Um die Funktion von DNase1L2 in vivo zu klären, wurde DNase1L2 durch Geninaktivierung in einem Mausmodell ausgeschaltet und die resultierenden Änderungen der Haut bestimmt. DNase1L2-defiziente Mäuse konnten die DNA in den Haaren und Nägeln sowie in den Epithelien der Zunge und der Speiseröhre nicht abbauen, sehr wohl aber in der Epidermis. Die fehlerhafte Anwesenheit von DNA im Haar störte die normale Anordnung der Strukturproteine des Haares und verursachte eine deutliche Reduktion der Widerstandsfähigkeit des Haares gegen mechanischen Stress. Im Zuge der Untersuchungen der DNase1L2-mutierten Mäuse etablierten wir eine neue Methode, um DNA in Haaren mittels eines Fluoreszenzfarbstoffs zu markieren. Diese Methode wandten wir auch an, um menschliche Haare für gerichtsmedizinische Fragestellungen zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass sich einzelne Personen hinsichtlich des Grads der Vollständigkeit des DNA Abbaus im Haar stark unterscheiden. Die individuelle Effizienz des DNA Abbaus erwies sich als der entscheidende Faktor für die Erfolgsrate forensischer Untersuchungen von ausgefallenen Haaren. Versuche mit organotypischen Modellen menschlicher Haut und Studien an weiteren genmutierten Mäusen zeigten, dass neben DNase1L2 auch andere DNasen in der Haut aktiv sind. Unter diesen wurde DNase 2 als jenes Enyzm identifiziert, das DNA auf der Hautoberfläche abbaut. Da DNase 2 in Keratinozyten und anderen Körperzellen in Lysosomen aktiv ist, deutet das auf einen funktionelle Verwandtschaft dieser Zellorganellen und der sauren Oberfläche der Haut hin. Die Ergebnisse dieser Studie belegen einen unerwarteten Zusammenhang zwischen dem DNA Abbau in Keratinozyten und der mechanischen Widerstandsfähigkeit von Hautanhangsgebilden und zeigen, dass ein lysosomales Enzym den Transfer von DNA durch die Haut blockiert. Die neu entwickelte Methode des DNA Nachweises in Haaren wird für routinemäßige Anwendungen in der Gerichtsmedizin weiterentwickelt.