Molekulare Evolution der Epidermis in Amnioten

Die Epidermis (Oberhaut) der Säugetiere, Reptilien und Vögel, also der Amnioten, bildet eine lebenswichtige Barriere zur Umwelt und ist auch für die Ausbildung von Hautanhangsgebilden wie Haaren und Federn zuständig. In der Evolution der Amnioten passte sich die Epidermis an viele unterschiedliche Umweltbedingungen und Lebensstile an. Trotzdem blieben einige Strukturprinzipien wie das Vorhandensein einer oberflächlichen Schicht aus verhornten Zellen erhalten. Die Bildung und Funktion der Epidermis wird von bestimmten Genen kontrolliert, die bisher nur unvollständig charakterisiert sind. Die Verfügbarkeit von Genomsequenzen eines breiten Spektrums von Amnioten erlaubt es erstmals, die genetische Basis für die Evolution der Epidermis zu bestimmen. Das erste Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines Szenarios für den evolutionären Ursprung und die Adaption aller Gene, die hauptsächlich oder ausschließlich in der Epidermis aktiv sind. Zu diesem Zweck werden die Genomsequenzen von Amnioten auf das Vorhandensein und die Sequenzähnlichkeit von Genen untersucht, die homolog zu humanen Genen mit epidermis-spezifischer Funktion sind. Das zweite Ziel ist die detailierte Aufklärung der Evolution und der funktionellen Diversifizierung dreier ausgewählter Gene, nämlich (1) Loricrin, dem Hauptbestandteil der Proteinhülle verhornter Hautzellen, (2) Filaggrin, dem wichtigsten Filament aggregierenden Protein der Oberhaut, und (3) einem neuen Hautprotein der Reptilien, das einen extrem hohen Gehalt der Aminosäure Cystein aufweist. Neben phylogenetischen Analysen werden Genexpressionsstudien und funktionelle Studien durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie werden zu einem besseren Verständnis der epidermalen Barrierefunktion in Reptilien, Vögeln und Säugetieren führen und zur Klärung der Rolle von Genen beitragen, die im Menschen mit Hautkrankheiten assoziert sind.

Die Haut der Säugetiere, Reptilien und Vögel ist lebenswichtiges Schutzorgan, das im Lauf der Evolution eine Anpassung an viele unterschiedliche Umweltbedingungen und Lebensstile ermöglicht hat. Im hier zusammengefassten Projekt wurden Einsichten in die Evolution von Genen gewonnen, die für die Barriereeigenschaften der menschlichen Haut verantwortlich sind. Zusätzlich konnten wichtige Bestandteile von Reptilienschuppen und Federn identifiziert werden. Schließlich wurde ein neues Szenario für die Evolution der Haut in frühen landlebenden, reptilienartigen Tieren und für die evolutionäre Diversifizierung der Haut in den verschiedenen Gruppen der Amnioten entworfen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für die Evolutionsgeschichte interessant, sondern auch für die systembiologische Charakterisierung der humanen Haut.Ausgangspunkt dieses Projekts waren Gene, die für eine gesunde Haut im Menschen notwendig sind und deren Mutationen mit atopischer Dermatitis, Psoriasis und anderen Krankheiten assoziiert sind. In den letzten Jahren publizierte Genomsequenzen zahlreicher Säugetier-, Reptilien- und Vogelarten wurden verwendet, um zu bestimmen, ob ähnliche Gene wie beim Menschen auch in anderen Spezies vorhanden sind. Tatsächlich konnten zum Beispiel Varianten des Gens für das Hautprotein Loricrin in Vögeln und Reptilien gefunden werden, was auf eine Entstehung dieses Gens in einem gemeinsamen Vorfahren der Amnioten (Säugetiere, Reptilien und Vögel) vor mehr als 300 Millionen Jahren hindeutet. Ähnliche Ergebnisse wurden für die Gruppe der filaggrinartigen Gene erzielt. Während der Ursprung dieser Gene in der frühen Evolution der Amnioten auf eine zentrale Rolle in der Haut dieser Landwirbeltieren schliessen läßt, sind Äquivalente anderer humaner Hautgene spezifisch für Säugetiere.Ein überraschendes Ergebnis dieser Studie war die Entdeckung einer großen Zahl neuer Proteinbestandteile der Haut von Reptilien, darunter auch Komponenten des Schildkrötenpanzers. Weiters wurde ein neues cysteinreiches Protein beschrieben, welches für die Bildung der mechanisch stabilen Struktur der Federn mitverantwortlich ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten die Grundlage für ein Folgeprojekt zur Evolution von Kornifizierungsproteinen, das bereits gestartet wurde.