Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease
The epidermis forms the protective barrier that is essential for survival. Stratum corneum (SC) is the outermost layer of the epidermis, which provides resistance to mechanical stress, while it prevents exposure to chemicals and allergens, entry of microbes and water loss. The SC is composed of mult...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2022
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | https://nemertes.library.upatras.gr/handle/10889/23332 |
id |
nemertes-10889-23332 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Peeling skin disease Corneodesmosin Ασθένειες της επιδερμίδας Κορνεοδεσμοσώματα |
spellingShingle |
Peeling skin disease Corneodesmosin Ασθένειες της επιδερμίδας Κορνεοδεσμοσώματα Τσιαούση, Ελένη Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
description |
The epidermis forms the protective barrier that is essential for survival. Stratum corneum (SC) is the outermost layer of the epidermis, which provides resistance to mechanical stress, while it prevents exposure to chemicals and allergens, entry of microbes and water loss. The SC is composed of multiple layers of terminally differentiated keratinocytes that are embedded in a lipid matrix. Cohesion of corneocytes is achieved via the corneodesmosomes that are specialized structures composed of the corneodesmosomal proteins desmoglein 1 (DSG1), desmocollin 1 (DSC1) and corneodesmosin (CDSN).
Skin desquamation is a physiological process during which the corneocytes of the outer layer of the SC are detached (shed) and replaced by new corneocytes. This process depends on the tightly regulated activity of serine proteases expressed in the epidermis. Serine proteases like the KLK5, KLK7 and KLK14 of the kallikrein-related peptidases (KLKs) family cleave desmosomal proteins, thus, providing the proteolytic activities that regulate the process of skin desquamation (Sotiropoulou et al., 2009; Borgoño et al., 2007; Brattsand et al., 2005; Caubet et al., 2004). In particular, KLK5 is the upstream activator of a regulatory proteolytic cascade in the epidermis, since it is able to autoactivate (Michael et al., 2005). Subsequently, mature (active) KLK5 activates other downstream KLK pro-enzymes, like the KLK7 and KLK14 (Sotiropoulou et al., 2009; Michael et al., 2005; Brattsand et al., 2005).
Peeling Skin Disease (PSD) is a rare autosomal recessive form of congenital ichthyosis, caused by inactivating mutations in the gene encoding CDSN. PSD patients present extensive skin peeling, inflammation, and allergies (Oji et al., 2010; Hacham-Zadeh and Holubar, 1985). Histological examination of skin biopsies reveals acanthosis, hyperkeratosis, parakeratosis, and extensive detachment of the SC from the subjacent stratum granulosum (SG).
Examination of the skin of PSD patients revealed that KLK5 is highly expressed and potentially activated (Oji et al., 2010; Komatsu et al., 2006). The abnormally high KLK5 activity could lead to unregulated cleavage of corneodesmosomes and create the overdesquamating phenotype. Further, it has been suggested that CDSN protects corneodesmosomes from premature proteolysis (Lundström et al., 1994). Therefore, CDSN deficiency, in addition to elevated proteolysis, could account for the pathological overdesquamation in PSD.
Many of the PSD symptoms are reproduced by the mouse model that lacks the Cdsn gene (Cdsn-/-). As in many cases of invalidation of genes expressed in late differentiation of epidermis, Cdsn-/- mice die soon after birth due to extensive desquamation and severe skin barrier defect leading to severe dehydration (Leclerc et al., 2009; Matsumoto et al., 2008). However, Cdsn-/- mice do not recapitulate all major pathological features of the disease, like the epidermal inflammation observed in PSD patients (Zaafouri et al., 2017).
According to all the above, elimination of Klk5 in Cdsn-/- mice could provide evidence regarding the functional role(s) of KLK5 in the pathophysiology of PSD. If KLK5 drives the symptoms of PSD, Cdsn-/-Klk5-/- double knockout (DKO) mice would be expected to show signs of alleviation of the severe PSD symptoms, when compared to Cdsn-/- mice. Nevertheless, it was found that ablation of Klk5 is not sufficient to rescue the lethal desquamating phenotype of the Cdsn-/- mice and Cdsn-/-Klk5-/- mice still exhibited neonatal lethality (Sotiropoulou et al., unpublished results) The macroscopic appearance of Cdsn-/-Klk5-/- mice showed extensive SC detachment with red, shiny, and sticky peeled skin. Histological examination of skin tissue sections from Cdsn-/-Klk5-/- mice revealed persistent SC detachment with no other microscopic alterations. In addition, the function of the epidermal barrier was examined by analyzing the epidermal differentiation profile. It was shown that differentiation markers, such as the involucrin, is normalized in Cdsn-/-Klk5-/- mice, nonetheless, the expression of Dsg1 was not altered in Cdsn-/-Klk5-/- mice.
As ablation of Klk5 reduces the overall proteolytic activity in the epidermis relative to wt mice (Pampalakis et al., 2019), while KLK5 activity is elevated in PSD, we analyzed the proteolytic activities of Cdsn-/-Klk5-/- epidermis by in situ zymography, which revealed that elastinolytic and gelatinolytic activities were increased in the epidermis of Cdsn-/-Klk5-/- mice, while RT-qPCR showed overexpression of Elane. Therefore, deletion of KLK5 does not suppress the abnormally increased overall epidermal proteolysis in Cdsn-/- epidermis. It is hypothesized that other proteolytic enzymes may be activated and cause overdesquamation and enhanced proteolysis in Cdsn-/-Klk5-/- epidermis.
On the other hand, lipids constitute the other major component of the SC that is necessary for maintenance of a normal skin barrier. Abnormal lipid composition and/or organization has been linked to diseased skin (Elias et al., 2014). Here, 1H-NMR spectroscopy and TLC were used to determine qualitative and quantitative lipid alterations in Cdsn-/- and Cdsn-/-Klk5-/- mouse models. Lipid profile analyses revealed abnormal contents of total cholesterol (CH) and free fatty acids (FFAs) in Cdsn-/- that were normalized in Cdsn-/-Klk5-/- neonatal epidermis comparably to wt epidermis.
Finally, analysis of the lipid content was performed in clinical specimens. Specifically, SC flakes from healthy individuals and lesional and non lesional skin from one PSD patient were obtained and their lipid contents were compared. It was found that the lesional skin contained increased FFAs and CH, while the non lesional skin showed expression of FFAs and CH between healthy and lesional SC. These results suggest that CDSN deficiency is linked with alterations in epidermal lipids that become more pronounced in epidermal lesions. |
author2 |
Tsiaousi, Eleni |
author_facet |
Tsiaousi, Eleni Τσιαούση, Ελένη |
author |
Τσιαούση, Ελένη |
author_sort |
Τσιαούση, Ελένη |
title |
Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
title_short |
Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
title_full |
Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
title_fullStr |
Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
title_full_unstemmed |
Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
title_sort |
identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease |
publishDate |
2022 |
url |
https://nemertes.library.upatras.gr/handle/10889/23332 |
work_keys_str_mv |
AT tsiaousēelenē identificationandpreclinicalvalidationofnewdrugtargetsforpeelingskindisease AT tsiaousēelenē tautopoiēsēkaiproklinikēaxiologēsēneōnpharmakologikōnstochōngiatēnosopeelingskindisease |
_version_ |
1771297185785184256 |
spelling |
nemertes-10889-233322022-10-06T17:53:45Z Identification and preclinical validation of new drug targets for peeling skin disease Ταυτοποίηση και προκλινική αξιολόγηση νέων φαρμακολογικών στόχων για τη νόσο peeling skin disease Τσιαούση, Ελένη Tsiaousi, Eleni Peeling skin disease Corneodesmosin Ασθένειες της επιδερμίδας Κορνεοδεσμοσώματα The epidermis forms the protective barrier that is essential for survival. Stratum corneum (SC) is the outermost layer of the epidermis, which provides resistance to mechanical stress, while it prevents exposure to chemicals and allergens, entry of microbes and water loss. The SC is composed of multiple layers of terminally differentiated keratinocytes that are embedded in a lipid matrix. Cohesion of corneocytes is achieved via the corneodesmosomes that are specialized structures composed of the corneodesmosomal proteins desmoglein 1 (DSG1), desmocollin 1 (DSC1) and corneodesmosin (CDSN). Skin desquamation is a physiological process during which the corneocytes of the outer layer of the SC are detached (shed) and replaced by new corneocytes. This process depends on the tightly regulated activity of serine proteases expressed in the epidermis. Serine proteases like the KLK5, KLK7 and KLK14 of the kallikrein-related peptidases (KLKs) family cleave desmosomal proteins, thus, providing the proteolytic activities that regulate the process of skin desquamation (Sotiropoulou et al., 2009; Borgoño et al., 2007; Brattsand et al., 2005; Caubet et al., 2004). In particular, KLK5 is the upstream activator of a regulatory proteolytic cascade in the epidermis, since it is able to autoactivate (Michael et al., 2005). Subsequently, mature (active) KLK5 activates other downstream KLK pro-enzymes, like the KLK7 and KLK14 (Sotiropoulou et al., 2009; Michael et al., 2005; Brattsand et al., 2005). Peeling Skin Disease (PSD) is a rare autosomal recessive form of congenital ichthyosis, caused by inactivating mutations in the gene encoding CDSN. PSD patients present extensive skin peeling, inflammation, and allergies (Oji et al., 2010; Hacham-Zadeh and Holubar, 1985). Histological examination of skin biopsies reveals acanthosis, hyperkeratosis, parakeratosis, and extensive detachment of the SC from the subjacent stratum granulosum (SG). Examination of the skin of PSD patients revealed that KLK5 is highly expressed and potentially activated (Oji et al., 2010; Komatsu et al., 2006). The abnormally high KLK5 activity could lead to unregulated cleavage of corneodesmosomes and create the overdesquamating phenotype. Further, it has been suggested that CDSN protects corneodesmosomes from premature proteolysis (Lundström et al., 1994). Therefore, CDSN deficiency, in addition to elevated proteolysis, could account for the pathological overdesquamation in PSD. Many of the PSD symptoms are reproduced by the mouse model that lacks the Cdsn gene (Cdsn-/-). As in many cases of invalidation of genes expressed in late differentiation of epidermis, Cdsn-/- mice die soon after birth due to extensive desquamation and severe skin barrier defect leading to severe dehydration (Leclerc et al., 2009; Matsumoto et al., 2008). However, Cdsn-/- mice do not recapitulate all major pathological features of the disease, like the epidermal inflammation observed in PSD patients (Zaafouri et al., 2017). According to all the above, elimination of Klk5 in Cdsn-/- mice could provide evidence regarding the functional role(s) of KLK5 in the pathophysiology of PSD. If KLK5 drives the symptoms of PSD, Cdsn-/-Klk5-/- double knockout (DKO) mice would be expected to show signs of alleviation of the severe PSD symptoms, when compared to Cdsn-/- mice. Nevertheless, it was found that ablation of Klk5 is not sufficient to rescue the lethal desquamating phenotype of the Cdsn-/- mice and Cdsn-/-Klk5-/- mice still exhibited neonatal lethality (Sotiropoulou et al., unpublished results) The macroscopic appearance of Cdsn-/-Klk5-/- mice showed extensive SC detachment with red, shiny, and sticky peeled skin. Histological examination of skin tissue sections from Cdsn-/-Klk5-/- mice revealed persistent SC detachment with no other microscopic alterations. In addition, the function of the epidermal barrier was examined by analyzing the epidermal differentiation profile. It was shown that differentiation markers, such as the involucrin, is normalized in Cdsn-/-Klk5-/- mice, nonetheless, the expression of Dsg1 was not altered in Cdsn-/-Klk5-/- mice. As ablation of Klk5 reduces the overall proteolytic activity in the epidermis relative to wt mice (Pampalakis et al., 2019), while KLK5 activity is elevated in PSD, we analyzed the proteolytic activities of Cdsn-/-Klk5-/- epidermis by in situ zymography, which revealed that elastinolytic and gelatinolytic activities were increased in the epidermis of Cdsn-/-Klk5-/- mice, while RT-qPCR showed overexpression of Elane. Therefore, deletion of KLK5 does not suppress the abnormally increased overall epidermal proteolysis in Cdsn-/- epidermis. It is hypothesized that other proteolytic enzymes may be activated and cause overdesquamation and enhanced proteolysis in Cdsn-/-Klk5-/- epidermis. On the other hand, lipids constitute the other major component of the SC that is necessary for maintenance of a normal skin barrier. Abnormal lipid composition and/or organization has been linked to diseased skin (Elias et al., 2014). Here, 1H-NMR spectroscopy and TLC were used to determine qualitative and quantitative lipid alterations in Cdsn-/- and Cdsn-/-Klk5-/- mouse models. Lipid profile analyses revealed abnormal contents of total cholesterol (CH) and free fatty acids (FFAs) in Cdsn-/- that were normalized in Cdsn-/-Klk5-/- neonatal epidermis comparably to wt epidermis. Finally, analysis of the lipid content was performed in clinical specimens. Specifically, SC flakes from healthy individuals and lesional and non lesional skin from one PSD patient were obtained and their lipid contents were compared. It was found that the lesional skin contained increased FFAs and CH, while the non lesional skin showed expression of FFAs and CH between healthy and lesional SC. These results suggest that CDSN deficiency is linked with alterations in epidermal lipids that become more pronounced in epidermal lesions. Η επιδερμίδα αποτελεί έναν προστατευτικό φραγμό απαραίτητο για την επιβίωση του ανθρώπου. Η κεράτινη στιβάδα είναι ο κύριος φραγμός, που παρέχει αντοχή στην μηχανική καταπόνηση, αποτρέπει την έκθεση σε χημικά και αλλεργιογόνα και την είσοδο μικροβίων και ελέγχει την απώλεια νερού. Αποτελείται από πολλαπλά στρώματα τελικώς διαφοροποιημένων κερατινοκυττάρων, η συνοχή των οποίων επιτυγχάνεται με τα κορνεοδεσμοσώματα που αποτελούνται από δεσμογλεΐνη 1 (DSG1), δεσμοκολλίνη 1 (DSC1) και κορνεοδεσμοσίνη (CDSN). Η απολέπιση του δέρματος είναι μια φυσιολογική διαδικασία κατά την οποία τα κερατινοκύτταρα αποσπώνται (αποπίπτουν) και αντικαθίστανται από νέα. Αυτή η διαδικασία εξαρτάται από την δράση των πρωτεασών σερίνης που εκφράζονται στην επιδερμίδα. Οι πρωτεάσες KLK5, KLK7 και KLK14 της οικογένειας των καλλικρεϊνών διασπούν τις πρωτεΐνες των κορνεοδεσμοσωμάτων (Sotiropoulou et al., 2009; Borgoño et al., 2007; Brattsand et al., 2005; Caubet et al., 2004). Η KLK5 ενεργοποιεί έναν πρωτεολυτικό καταρράκτη στην επιδερμίδα, αφού είναι σε θέση να αυτοενεργοποιείται (Michael et al., 2005), καθώς και να ενεργοποιεί και άλλες πρωτεάσες, όπως την pro-KLK7 και την pro-KLK14 (Sotiropoulou et al., 2009; Michael et al., 2005; Brattsand et al., 2005). Η νόσος peeling skin disease (PSD) είναι μια σπάνια αυτοσωμική υπολειπόμενη νόσος, η οποία οφείλεται σε μεταλλάξεις στο ανθρώπινο γονίδιο που κωδικοποιεί την κορνεοδεσμοσίνη. Οι ασθενείς με PSD εμφανίζουν υπεραποφολίδωση, φλεγμονή και τροφικές αλλεργίες (Oji et al., 2010; Hacham-Zadeh and Holubar, 1985). Η ιστολογική εξέταση βιοψιών δέρματος αποκαλύπτει ακάνθωση, υπερκεράτωση, παρακεράτωση και εκτεταμένη αποκόλληση της κεράτινης στιβάδας από την κοκκώδη στιβάδα. Εξέταση του δέρματος ασθενών με PSD αποκάλυψε ότι η KLK5 εκφράζεται και ενεργοποιείται σε μεγάλο βαθμό στο δέρμα των ασθενών αυτών (Oji et al., 2010; Komatsu et al., 2006). Η αυξημένη έκφραση της KLK5 θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανεξέλεγκτη διάσπαση των κορνεοδεσμοσωμάτων και να δημιουργήσει τον φαινότυπο της υπεραποφολίδωσης. Επιπλέον, έχει προταθεί ότι η κορνεοδεσμοσίνη προστατεύει τα κορνεοδεσμοσώματα από την πρόωρη πρωτεόλυση (Lundström et al., 1994), επομένως η ανεπάρκειά της ταυτόχρονα με την αυξημένη πρωτεόλυση, μπορεί να προκαλεί την υπεραποφολίδωση. Τα συμπτώματα της νόσου PSD αναπαράγονται σε γενετικά τροποποιημένα ποντίκια (Cdsn-/- ), τα οποία φέρουν αδρανοποιημένο το γονίδιο Cdsn, ωστόσο τα ποντίκια Cdsn- /- πεθαίνουν σύντομα μετά την γέννησή τους (Leclerc et al., 2009; Matsumoto et al., 2008). Βέβαια, οι ποντικοί Cdsn-/- δεν αναπαράγουν όλα τα τυπικά παθολογικά χαρακτηριστικά της νόσου, όπως η επιδερμική φλεγμονή που παρατηρείται σε ασθενείς με PSD (Zaafouri et al., 2017). Σύμφωνα με τα παραπάνω, η αδρανοποίηση του γονιδίου Klk5 στα Cdsn-/- ποντίκια θα μπορούσε να αποσαφηνίσει τον ρόλο της KLK5 στην παθοφυσιολογία της νόσου PSD. Πριν από την μελέτη, είχαν δημιουργηθεί γενετικά (διττά) τροποποιημένοι ποντικοί Cdsn-/-Klk5-/- που φέρουν από κοινού αδρανοποιημένα τα γονίδια Cdsn και Klk5, για να αξιολογηθεί η αναστολή της ενζυμικής ενεργότητας της KLK5 στον φαινότυπο PSD. Το αποτέλεσμα έδειξε ότι η εξάλειψη της KLK5 στο υπόβαθρο της νόσου PSD δεν επαρκεί για την αποτροπή του θανατηφόρου φαινοτύπου στα ποντίκια Cdsn-/- , καθώς και τα Cdsn-/-Klk5-/- ποντίκια εξακολουθούν να εμφανίζουν νεογνική θνησιμότητα λόγω εκτεταμένης απολέπισης και σοβαρής βλάβης του επιδερμικού φραγμού, η οποία οδηγεί σε αφυδάτωση. Στο πλαίσιο της μελέτης, πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός των ποντικών Cdsn-/- Klk5-/- , μακροσκοπικά και ιστολογικά. Η μακροσκοπική ανάλυση έδειξε αποκόλληση της κεράτινης στιβάδας, ενώ η ιστολογική εξέταση επιβεβαίωσε την εκτεταμένη αποκόλληση της κεράτινης στιβάδας, χωρίς επιπλέον αλλοιώσεις. Επιπροσθέτως, η λειτουργία του επιδερμικού φραγμού εξετάσθηκε με την ανάλυση του προφίλ παραγόντων διαφοροποίησης της επιδερμίδας και έδειξε ότι δείκτες διαφοροποίησης, όπως η ινβολουκρίνη, εκφράζονται σε φυσιολογικά επίπεδα στα ποντίκια Cdsn-/-Klk5- /- . Τέλος, η απαλοιφή του γονιδίου Klk5 δεν μετέβαλλε την έκφραση της δεσμογλεΐνης 1 στα ποντίκια Cdsn-/-Klk5-/- . Εφόσον, η απαλοιφή του γονιδίου Klk5 αναμένεται να μειώσει την συνολική πρωτεολυτική ενεργότητα στην επιδερμίδα σε σχέση με ποντικούς αγρίου τύπου (wt) (Pampalakis et al., 2019), αλλά και η ενεργότητα της KLK5 είναι αυξημένη σε ασθενείς με PSD, προσδιορίσθηκαν οι πρωτεολυτικές ενεργότητες στο δέρμα ποντικών Cdsn-/- Klk5-/-. Αντίθετα προς την αρχική υπόθεση εργασίας, διαπιστώθηκε ότι η συνολική πρωτεόλυση είναι αυξημένη, συγκεκριμένα, η ελαστινολυτική και η ζελατινολυτική ενεργότητα αυξήθηκαν στην επιδερμίδα των ποντικών Cdsn-/-Klk5-/-. Ως εκ τούτου, όταν δεν εκφράζεται η KLK5 δεν παρατηρείται μείωση της πρωτεόλυσης στην επιδερμίδα των ποντικών Cdsn-/- , έτσι, άλλα πρωτεολυτικά ένζυμα είναι πιθανόν να ενεργοποιούνται και να προκαλούν την υπεραποφολίδωση λόγω της μη φυσιολογικά αυξημένης επιδερμικής πρωτεόλυσης. Ένα άλλο σημαντικό συστατικό της κεράτινης στιβάδας που συνεισφέρει στην λειτουργία του επιδερμικού φραγμού είναι τα λιπίδια, τα οποία ελέγχουν την σωστή λειτουργία φραγμού και την απώλεια ύδατος (Elias et al., 2014). Η μη φυσιολογική λιπιδική σύνθεση ή/και διάταξη και οργάνωση των λιπιδίων είναι γνωστόν ότι συσχετίζεται με παθολογίες του δέρματος (Elias et al., 2014). Η φασματοσκοπία 1ΗΝΜR και η χρωματογραφία λεπτής στιβάδας εφαρμόσθηκαν για την μελέτη των πιθανών ποιοτικών και ποσοτικών μεταβολών των λιπιδίων στα ζωικά μοντέλα ποντικών Cdsn-/- και Cdsn-/-Klk5-/- σε παράλληλη σύγκριση με ποντίκια αγρίου τύπου και Klk5 -/- . Η ανάλυση του προφίλ των λιπιδίων αποκάλυψε μεταβολές στην ολική χοληστερόλη και στα ελεύθερα λιπαρά οξέα της επιδερμίδας στα ποντίκια Cdsn-/- . Παρόμοιες μεταβολές δεν παρατηρούνται στα ποντίκια Cdsn-/-Klk5-/- , στα οποία τα λιπίδια της επιδερμίδας δεν διαφέρουν συγκριτικά με τα wt ποντίκια. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάλυση της σύστασης λιπιδίων σε κλινικά δείγματα. Συγκεκριμένα, συγκρίθηκαν δείγματα κεράτινης στιβάδας από υγιή άτομα και από φυσιολογικό και παθολογικό δέρμα από έναν ασθενή με νόσο PSD. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το παθολογικό δέρμα περιέχει περισσότερα ελεύθερα λιπαρά οξέα και χοληστερόλη. Επίσης, με φασματοσκοπία 1Η-ΝΜR διεξήχθη η ποσοτικοποίηση συγκεκριμένων κορυφών που μπορούν να αποδοθούν σε κεραμίδια, μία συγκεκριμένη ομάδα λιπιδίων της κεράτινης στιβάδας. Διαπιστώθηκε ότι το παθολογικό δέρμα του ασθενούς περιείχε αυξημένα ελεύθερα λιπαρά οξέα και χοληστερόλη, ενώ το φυσιολογικό δέρμα του ασθενούς παρουσίασε μία ενδιάμεση έκφραση αυτών των λιπιδίων σε σύγκριση με το υγιές και το παθολογικό δέρμα. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι η ανεπάρκεια CDSN συνδέεται με μεταβολές στα επιδερμικά λιπίδια που γίνονται πιο έντονες στις περιοχές με περισσότερη αποφολίδωση. 2022-10-05T11:19:09Z 2022-10-05T11:19:09Z 2021-09-01 https://nemertes.library.upatras.gr/handle/10889/23332 en application/pdf |