Die Funktion von PNPLA1 im Hautlipidstoffwechsel

Die autosomalen rezessiven kongenitalen Ichthyosen (engl. ARCI, autosomal recessive congenital ichthyoses) sind eine heterogene Gruppe von Verhornungsstörungen, die sich durch ein anormales generalisiertes Abschuppen der menschlichen Haut auszeichnen. Kürzlich wurde gezeigt, dass Mutationen im PNPLA1 Gen (engl. patatin-like phospholipase domain-containing protein 1) die Ursache für die Entstehung einer neuen Form von ARCI in Menschen und Golden Retriever Hunden ist. Die Untersuchung betroffener Patienten und Hunde konnte jedoch weder Aufschluss über die enzymatische Funktion des Proteins im epidermalen Stoffwechsel geben noch konnten die genauen Mechanismen, die zur Entstehung der Erkrankung führen, identifiziert werden. Aufgrund des engen phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisses von PNPLA1 mit anderen Mitgliedern der PNPLA Familie, die als Lipidhydrolasen oder Acyltransferasen im Lipidstoffwechsel fungieren, nehmen wir an, dass PNPLA1 eine ähnlich enzymatische Aktivität besitzt. Um die in vivo Funktion von PNPLA1 im epidermalen und nicht-epidermalen Lipidstoffwechsel aufzuklären, werden wir Mausmodelle mit entweder einem generellen oder einem Epidermis- spezifischen Defizit von PNPLA1 generieren und anschließend charakterisieren. Das Vorhandensein von PNPLA1 Nullmäusen ermöglicht es uns, die physiologische und patho-physiologische Rolle von PNPLA1 im Hautstoffwechsel und in der Entstehung von Ichthyose zu untersuchen sowie neue Erkenntnisse der Funktion von PNPLA1 im Lipid- und Energiestoffwechsel zu erhalten. Um unsere Forschungsergebnisse der PNPLA1- defizienten Mäusen zu verifizieren, werden wir die Funktion von PNPLA1 auch in humaner Haut studieren, in dem wir Probenmaterial von Patienten mit PNPLA1 Mutationen analysieren. Die Ergebnisse des beabsichtigten Forschungsvorhabens könnten wertvolle Therapieansätze für die Behandlung von Ichthyosen und möglicherweise anderer Hauterkrankungen mit Störungen im epidermalen Lipidstoffwechsel liefern.

Ichthyosen sind schwerewiegende Verhornungsstörungen, die mit einer verstärkten Korneozyten-Bildung und eine dadurch verbundenen starken Schuppung der Haut, die meist den gesamten Körper betrifft, einhergehen. Die Ursache für die Erkrankung sind meist Gendefekte, die zu einem Funktionsverlust von Proteinen führen, die für die Aufrechterhaltungeiner stabilen Hautbarrierebenötigtwerden.Derartige krankheitsverursachende Mutationen wurden kürzlich in dem PNPLA1 Gen (Patatin-ähnliche Phospholipase-Domäne-enthaltendes Protein 1) von Menschen und Golden Retriever Hunden entdeckt. Untersuchungen der betroffenen Individuen konnten jedoch weder die enzymatische Funktion des Proteins im epidermalen Metabolismus noch die genauen molekularen Mechanismen, die zur Entstehung der Krankheit führen, identifizieren. Um die in vivo Funktion von PNPLA1 im epidermalen Lipidstoffwechsel aufzuklären, haben wir Mäuse mit einem inaktivierten Pnpla1 Gen generiert und anschließend untersucht. Diese sogenannten Pnpla1-Knockout-Mäuse zeigen ebenso wie Menschen und Hunde mit einem mutierten PNPLA1 Gen einen Hautbarrieredefekt. Für die Aufklärung des der Icht- hyose zugrundeliegenden molekularen Mechanismus analysierten wir die Lipidzusammen- setzung von PNPLA1-defizienter Haut. Hierbei stellten wir fest, dass in der erkrankten Haut essentielle Lipidbestandteile der Hautbarriere, sogenannte Omega-O-Acylceramide (AcylCer), fehlen und zugleich deren Vorstufen, bekannt als Omega-Hydroxyceramide, ak- kumulieren. Übereinstimmend mit dem Mausmodell zeigten isolierte Hautzellen (Keratinozy- ten) eines Patienten mit mutiertem PNPLA1 Gen eine kaum nachweisbare AcylCer- Syntheseaktivität. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse, dass PNPLA1 jenes lang- gesuchte Enzym ist, das für den letzten Schritt in der AcylCer-Biosynthese verantwortlich ist. Omega-O-Acylceramide binden in der Hornschicht an bestimmte Strukturproteine der Korneozyten, um die Barrierefunktion der Haut zu gewährleisten. Durch diesen Prozess entsteht eine Schicht aus Protein-gebundenen Omega-Hydroxyceramiden, die essentiell für den Zusammenhalt der Hornzellen und die Undurchlässigkeit der Hautbarriere ist. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten ein vollständiges Fehlen dieser Protein- gebundenen Struktur in der PNPLA1-defizienten Haut. Zur Behandlung dieses Hautbarrieredefekts applizierten wir Hautlipide von gesunden Mäusen auf die PNPLA1- defiziente Haut, wodurch in der erkrankten Haut die fehlenden Protein-gebundenen Omega- Hydroxyceramid-Schicht gebildet und dadurch die Hautbarriere repariert wurde. Die Erkenntnisse in dieser Studie haben gezeigt, dass die Behandlung von Patienten mit synthetisch produzierten AcylCer, verabreicht in Hautcremen, eine erfolgversprechende evidenzbasierte Therapie von Ichthyosen darstellen könnte.