Kontrolle der Stratifizierung und terminalen Differenzierung von Keratinozyten durch dermale Faktoren

Abstract

Dermal-epidermale Interaktionen, bei denen Keratinozyten und Fibroblasten über lösliche Faktoren miteinander kommunizieren, sind ein wesentlicher Bestandteil der Regulation des Wundheilungsprozesses der Haut (Fusenig, 1994). Über die genauen molekularen Mechanismen in Fibroblasten die diese Interaktion steuern ist wenig bekannt. In Fibroblasten nimmt die AP-1 Transkriptionsfaktor-Untereinheit c-Jun und die von ihr regulierten löslichen Faktoren eine Schlüsselrolle in der Regulation der epidermalen Proliferation ein (Szabowski et al., 2000). Die Aktivierung von c-Jun wird durch die Jun-aminoterminale Kinase JNK reguliert. Erstaunlicherweise ist in heterologen Cokulturen mit JNK-defizienten Fibroblasten nicht die Proliferation sondern der Eintritt in die terminale Differenzierung der Keratinozyten unvollständig bzw. blockiert. Vorarbeiten haben gezeigt, dass dieser Phänotyp auf der fehlenden Expression eines oder mehrerer löslicher JNK-abhängiger, c-Jun unabhängiger Faktoren beruht. Daher war es Ziel der vorliegenden Arbeit diese Faktoren zu identifizieren und zu charakterisieren. Mit Hilfe einer Proteom-Analyse wurden "pigment epithelium derived factor" (PEDF) und "bone morphogenetic protein-4" (BMP-4) als lösliche JNK-abhängige, c-jun unabhängigen Faktoren identifiziert. Diese beiden Faktoren werden sowohl in vitro als auch in vivo von dermalen Fibroblasten exprimiert. Während der in vivo Wundheilung weisen sie eine differenzielle Expression mit einer distinkten Lokalisation innerhalb der Wunde auf. Funktionelle Analysen im heterologen Cokultur-System ergaben, dass PEDF und BMP-4 die Proliferation von Keratinozyten inhibieren, die Stratifizierung des Epithels durch eine kombinatorische Wirkungsweise initiieren und für das vollständige Durchlaufen des terminalen Differenzierungsprogramms der Keratinozyten notwendig sind. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass der Eintritt der Keratinozyten in die terminale Differenzierung ein regulierter Prozess ist. Die Proliferation und die Differenzierung von Keratinozyten sind zwei entkoppelte Prozesse, die über PEDF und BMP-4 gesteuert werden. Somit kann die Epitheldicke unabhängig von der Proliferationsrate der Keratinozyten reguliert werden. Regeneration of the skin after wounding is modulated to a large extend by dermal-epidermal interactions (Fusenig, 1994) but little is known about the exact molecular mechanisms. A missing c-Jun activity in fibroblasts leads in heterologous cocultures to a decreased keratinocyte proliferation and modulation of late differentiation (Szabowski et al., 2000). In contrast, inactivation of the upstream kinase of c-Jun namly the c-Jun amino terminal kinase (JNK) in fibroblasts leads to enhanced keratinocyte proliferation and a missing entry to terminal differentiation. This JNK-dependent phenotype can be rescued by conditioned media derived from cultures containing c-Jun-deficient fibroblasts, indicating that the observed alterations are due to a missing or reduced expression of JNK-dependent but c-Jun-independent, soluble fibroblasts-derived factors, which regulate keratinocyte proliferation and stratification. Aim of this study was to identify and characterize these JNK-dependent, soluble factors. Using a proteomic screen "pigment epithelium derived factor" (PEDF) and bone morphogenetic protein-4 (BMP-4) were identified as JNK-dependent, but c-Jun independent factors. Further characterisation revealed that both factors are expressed during skin homeostasis in vivo preferentially in the dermal compartment and are in vivo wound regulated. Functional analysis of either single application of one factor or the combination of both in the heterologous coculture model revealed on the one hand an anti-proliferative effect of PEDF and BMP-4 on keratinocytes. Most interestingly, the combined action of both factors is necessary for initiation of stratification and a sufficient entry to terminal differentiation. These data indicate that entry to terminal differentiation is a regulated process modulated by PEDF and BMP-4. Proliferation and differentiation of keratinocytes are therefore two uncoupled genetic processes which can be modulated separately. Thereby epithelial thickness can be modified independently from the proliferation rate of keratinocytes.