Evolution epidermaler Kornifizierungsproteine

Die Oberschicht der Haut (Epidermis) und Hautanhangsgebilde (Haare, Federn, Krallen, Schuppen und andere) landlebender Wirbeltiere sind höchst widerstandsfähig gegen mechanische und chemische Beanspruchung. Diese Widerstandsfähigkeit wird durch die Verhornung (Kornifizierung) von Keratinozyten, also des vorherrschenden Zelltyps der Epidermis, erreicht. Auf molekularer Ebene wird dieser Prozess durch die Quervernetzung von Proteinen bewirkt, wobei vor allem Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten wichtig sind. Dem entsprechend enthalten Epidermis und Hautanhangsgebilde Proteine mit besonders hohem Cysteingehalt. Die Evolution der Gene, die diese cysteinreichen Strukturproteine kodieren, und der molekulare Aufbau der Hautanhangsgebilde von Säugetieren, Reptilien und Vögeln sind nur unvollständig bekannt. In vorangehenden Studien konnten wir zeigen, dass viele Komponenten der kornifizierten Keratinozyten schon in einem gemeinsamen Vorfahren aller heute lebenden Amnioten (Säugetiere, Reptilien und Vögel) entstanden sind, während sich die Gene für Keratinozytenproteine spezifisch in Untergruppen der Amnioten entwickelt haben. In der jetzigen Studie wird die Evolution von bisher nicht charakterisierten cysteinreichen epidermalen Kornifizierungsproteinen mittels vergleichender Genomanalysen, molekularer Phylogenetikund Genexpressionsanalysenuntersucht. Aufgrundder Ergebnisse vorbereitender Versuche wurde Proteine, die von Genen des epidermalen Differenzierungskomplexes kodiertwerden,undIntermediärfilamentproteineder Keratinfamilie für eingehende Untersuchungen ausgewählt. Ziel dieses Projekt ist die umfassende Charakterisierung der Rolle dieser Proteine in der Evolution von Reptilien und Vögeln. Die Ergebnisse werden neue Aspekte der Funktion der Haut als Barriere des Körpers zur Umwelt aufzeigen und wesentlich zu einem besseren Verständnis der Morphogenese von Schuppen, Krallen und Federn beitragen.

Säugetiere, Reptilien und Vögel sind durch eine widerstandsfähige Hautschicht sowie durch Haare, Schuppen und Federn gegen viele Umwelteinflüsse geschützt. Die Widerstandsfähigkeit dieser Hautstrukturen wird durch die Verhornung (Kornifizierung) von Zellen der Epidermis erreicht. Auf molekularer Ebene wird dieser Prozess durch die Quervernetzung von Proteinen bewirkt, wobei vor allem Proteinverbindungen über die Aminosäure Cystein wichtig sind. In diesem Projekt wurden zuvor unbekannte Kornifizierungsproteine in Säugetieren, Reptilien und Vögeln identifiziert und deren Evolution untersucht. Die Projektergebnisse zeigen, dass Keratine mit hohem Cysteingehalt unabhängig voneinander als Bestandteile von Haaren in Säugetieren und als Bestandteile von Federn in Vögeln entstanden sind. Der im Vergleich zur Epidermis hohe Cysteingehalt der Federproteine unterstützt die Hypothese, dass die Cysteinverbindungen essenziell für diese Hautanhangsgebilde sind. In Säugetieren sind cysteinreiche Proteine vor allem in Haaren und Nägeln zu finden, während zwei unterschiedliche Arten von Keratinen die Schutzschicht der Haut im Ruhezustand und während der Regeneration nach Verwundung bilden. Unsere Studie zeigt, dass Vorfahren der Wale während des evolutionären Übergangs vom Leben an Land zum Leben im Wasser die Keratine des Ruhezustands der Haut verloren haben. Dagegen wurden Keratine, die ursprünglich spezifisch für schnell wachsende Haut waren, zu den normalen Bestandteilen der extrem verdickten Haut von Walen und Delfinen. Weiters deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass ein für die menschiche Hautbarriere wichtiges Protein, Filaggrin, aus einem Vorläufer entstanden ist, der schon in der Haut unserer amphibischer Vorfahren vorhanden war. Die neuen Erkenntnisse der Struktur und Evolution der Kornifizierungsproteine ermöglichen ein besseres Verständis des Aufbaus und der Funktion der Haut landlebender Vertebraten.