Barrierefunktion von Tight Junctions in Keratinocyten, Hautäquivalenten und in der Haut

• Antragstellerin: Professorin Dr. Johanna Maria Brandner
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 21131654

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Aufklärung der Barrierefunktion von Tight Junctions (TJs) in Keratinocyten, Hautäquivalenten und in der Haut. Wir konnten im Rahmen des bewilligten Projekts zum ersten Mal zeigen, dass TJs in adulter humaner Haut tatsächlich eine Barriere für molekulare Tracer bilden. Bis dahin war dies nur in neugeborenen Mäusen bekannt und in menschlicher Haut sehr umstritten. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass diese Barriere in der entzündlichen Hauterkrankung Psoriasis nach wie vor vorhanden ist, dass aber ihre Lokalisation innerhalb der Epidermis verändert ist. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass die Haut einen sehr hohen Ionenwiderstand aufweist, und dass dieser nach dem Entfernen des SCs deutlich sinkt, aber immer noch so substantielle Werte zeigt, dass dies auf eine funktionelle TJ-Barriere für Ionen – zumindest in Barrieremanipulierter Haut – hinweist. Für die Messung an intakter Haut fehlt bislang die nötige Technik. In kultivierten Keratinocyten konnten wir klären, dass die von Keratinocyten ausgebildete Barriere für Ionen hauptsächlich durch die parazelluläre Barriere der Tight Junctions und nur zu einem untergeordneten Teil durch die transzelluläre Barriere der Zellmembran aufgebaut wird. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass Keratinoyten speziell eine TJ Barriere für Ca2+, Na+ und Cl- ausbilden. Schließlich konnten wir auch demonstrieren, dass TJs in Keratinocyten eine Barriere für Wasser und für intermediäre und größere Moleküle bilden. Durch selektive Verminderung der Expression von TJ Proteinen konnten wir den Einfluss von Claudin-1, Claudin-4, Occludin und ZO-1 auf die verschiedenen TJ-Barrieren aufklären. Diese vier Proteine sind bei entzündlichen Hauterkrankungen oder Tumoren verändert. Mit diesen Studien konnten wir zeigen, dass der Verlust von Claudin-1 und ZO-1 die Barrierefunktion von TJs für größere Moleküle, u.a. in der Größe von Allergenen, vermindert und somit eine Rolle bei der verstärkten Aufnahme von Allergenen über die Haut spielen könnte. Überraschenderweise konnten wir keinen Einfluss der Herabregulation von Claudin-1 auf die Wasserbarrierefunktion von TJs finden, obwohl Mäuse, denen Claudin-1 fehlt, am ersten Tag nach der Geburt an erhöhtem transepidermalen Wasserverlust sterben. Wir konnten aber zeigen, dass die Herabregulation von Claudin-1 Bestandteile des Stratum corneums, einer wichtigen Wasserbarriere der Haut, beeinflusst. Für diese Arbeiten wurden wir mit dem Heinz-Maurer Preis für Dermatologische Forschung 2014 ausgezeichnet. Schließlich konnten wir nachweisen, dass in Kultur gezüchtete Haut bzw. Epidermisäquivalente ebenfalls eine TJ-Barriere bilden, und dass an dieser Barriere dieselben Proteine beteiligt sind wie in adulter humaner Haut. Die Hautäquivalente stellen somit ein gutes Werkzeug für die weitere Untersuchung der Rolle von TJs in der Barrierefunktion der Haut dar, da sie die einfache Möglichkeit der (genetischen) Manipulation bieten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2010) Tight junctions form a barrier in human epidermis. Eur. J. Cell Biol. 89(11): 839-842
  Kirschner N, Houdek P, Fromm M, Moll I, Brandner JM
  
• (2011) CD44 regulates tight junction assembly and barrier function. J. Invest. Dermatol. 131(4): 932-943
  Kirschner N, Haftek M, Niessen CM, Behne MJ, Furuse M, Moll I, Brandner JM
  
• (2012) Barriers and more: functions of tight junction proteins in the skin. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1257: 158-166
  Kirschner N, Brandner JM
  
• (2012) Tight junctions and differentiation – a chicken or the egg question? Exp. Dermatol. 21(3): 171-175
  Kirschner N, Rosenthal R, Günzel D, Moll I, Brandner JM
  
• (2013) Contribution of tight junction proteins to ion, macromolecule, and water barrier in keratinocytes. J. Invest. Dermatol. 133(5): 1161-1169. [Heinz-Maurer Award for Dermatological Science 2014]
  Kirschner N, Rosenthal R, Furuse M, Moll I, Fromm M, Brandner JM
  
• (2013) Occludin is involved in adhesion, apoptosis, differentiation and Ca2+-homeostasis of human keratinocytes: implications for tumorigenesis. PLoS One 8(2): e55116
  Rachow S, Zorn-Kruppa M, Ohnemus U, Kirschner N, Vidal-y-Sy S, von den Driesch P, Eberle J, Mildner M, Vettorazzi E, Rosenthal R, Moll I, Brandner JM