Retrograde signaling responses in extrinsic skin aging
Final Report Abstract
In Vorarbeiten haben wir gezeigt, dass an der extrinsischen Alterung der menschlichen Haut Mechanismen beteiligt sind, die sowohl transient, als auch dauerhaft die mitochondriale (mt) Integrität und Funktion dermaler Fibroblasten stören und so retrograde Signalprozesse auslösen, die stromabwärts zu einer vemehrten Aktivität von Matrixmetalloproteinasen, dem Abbau von kollagenen Fasern in der Haut und damit zur Hautalterung beitragen. In diesem Projekt prüften wir die Hypothese, dass transiente und permanente Störungen der mt Integrität unterschiedliche retrograde Signalprozesse auslösen und in Kombination zu einem verstärkten und beschleunigten extrinsischen Hautalterungsprozess führen. Hierzu verwendeten wir 2 experimentelle Modelle: (i) die IRA-induzierte Aufregulation der MMP-1 Expression in dermalen Fibroblasten, die über eine transiente mt Störung vermittelt wird und für die der retrograde Signalweg zu Projektbeginn bereist sehr gut bekannt war, und (ii) ein auf Kearns-Sayre-Syndrom (KSS) Hautfibroblasten basierendes Modell, in dem eine stark erhöhte Frequenz mt DNS Mutationen vorliegt, die sich auch in extrinsisch gealterter Haut gehäuft nachweisen lassen, und die mit einer vermehrten MMP-1 Aktivität einhergeht. Das letztgenannte Modell war zu Projektbeginn vergleichsweise schlechter untersucht und validiert. Die nähere Charakterisierung dieses Modells ergab sodann, dass KSS Fibroblasten einen Seneszenez assoziierten sekretorischen Phänotyp(SASP) ausbilden, wodurch es sowohl in vitro in 3-D Hautmodellen als auch in vivo in einem neu entwickelten humanisierten Mausmodell zur Ausbildung eines dermalen und epidermalen Phänotyps kam, der der Lichtalterung der menschlichen Haut stark ähnelt. Um unser Modell weiter zu validieren, führten wir Sekretomanalysen von in menschlicher Haut gealterten normalen gesunden Fibroblasten durch. Es zeigte sich, dass auch diese Zellen ein Sekretom ausbilden, das zu einem großen Teil mit einem SASP überlappt. Die anschließende Untersuchung des zugrundeliegenden retrograden Signalweges zeigte, dass die mt Funktionsstörungen der KSS Zellen keine zelluläre Seneszenz verursachen. Sie gehen aber mit einer Störung proteasomaler Aktivitäten und insbesondere einer vermehrten Expression des Sirtuins SIRT 4 einher. Wir konnten zeigen, dass diese funktionell bedeutsam ist, da sie zumindest teilweise die Ausbildung des SASP zu erklären vermag. Es gelang uns zudem, durch eine Beeinflussung der mt Aktivität der KSS Zellen die Ausbildung des SASP in vitrozu reduzieren, die entsprechenden in vivo Experimente, die zudem weiteren Aufschluss über den zu vermutenden Zusammenhang zwischen mt Dysfunktion und der Ausbildung des Hautalterungsphänotyps geben werden,werden aktuell abgeschlossen. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass sich - im Einklang mit der Ursprungshypothese – die retrograden Signalwege in den beiden untersuchten Modellen unterscheiden. Zudem konnten wir zumindest in vitro beobachten, dass beide Mechanismen sich verstärken können, da sich in KSS Zellen durch eine IRA Bestrahlung eine signifikant stärkere MMP-1 Antwort auslösen lässt (die in vivo Untersuchungen sind noch nicht abgeschlossen). Diese Ergebnisse zeigen somit, dass Störungen der mt Integrität dermaler Fibroblasten von großer Relevanz sind für den Alterungsprozess der menschlichen Haut, wobei transiente und permanente Störungen unterschiedliche mechanistische Konsequenzen haben, die sich in ihrer alterungspromovierenden Wirkung verstärken können.
Publications
- A photoaging-like phenotype in dermal equivalents: evidence for proteasomal dysregulation in KSS fibroblasts. J Invest Dermatol 132:S93, 2012
Schürmann B, Götz C, Majora M, Franke S, Schneider M, Bernerd F, Krutmann J
- Downregulation of miR-15b is associated with increased sirtuin 4 (Sirt4) expression in photoaging of human skin. J InvestDermatol 134:S116, 2014
Grether-Beck S, Kuck F, Brenden H, Felsner I, Graffmann N, Schneider M, Lindecke A, Ezzahoini H, Weinhold S, Köhrer K, Urberg M, Marini M, Piekorz R and Krutmann J
- Characterization of skin aging-associated secreted proteins (SAASP) produced by dermal fibroblasts isolated from intrinsically aged human skin. J Invest Dermatol (2015) 135:1954-1986
Waldera-Lupa DM, Kalfalalah F, Safferling K, Boukamp P, Poschmann G, Volpi E, Götz-Rösch C, Bernerd F, Haag L, Huebenthal U, Fritsche E, Boege F, Grabe N, Tigges J, Stühler K, Krutmann J
(See online at https://doi.org/10.1038/jid.2015.120) - MicroRNA-15b regulates mitochondrial ROS production and the senescence-associated secretory phenotype through sirtuin4/SIRT4. Aging (2016) 8:534-559
Lang A, Grether-Beck S, Singh M, Kuck M, Jakob S, Kefalas A, Altinoluck-Hambüchen S, Graffmann N, Schneider M, Lindecke A, Brenden H, Felsner I, Ezzahoini H, Marini A, Weinhold S, Vierkötter A, Tigges J, Schmidt S, Stühler K, Köhrer K, Uhrberg M, Haendeler J, Krutmann J, Piekorz RP
(See online at https://doi.org/10.18632/aging.100905)
