Steuerung von Keratinozytenmustern in der Haut

Die Zell-Zell-Adhäsion-induzierte Musterung in Keratinozyten kann durch Hungern und starke Adhäsion erklärt werden, finden Forscher der Hokkaido Universität.

Fingerabdrücke sind eines der bekanntesten Beispiele für die Musterbildung. Die primären Zellen des Epithels sind die Keratinozyten, und es ist bekannt, dass sie Muster auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene bilden. Die genauen Mechanismen, die diesem Prozess zugrunde liegen, waren bisher noch nicht vollständig verstanden.

Ein Team unter der Leitung von Ken Natsuga von der Medizinischen Fakultät der Universität Hokkaido in Japan hat nun herausgefunden, dass die Zell-Zell-Adhäsion die Musterbildung in Keratinozyten bestimmt. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Life Science Alliance veröffentlicht.

„In der Studie haben wir eine immortalisierte Keratinozyten-Zelllinie namens HaCaT verwendet, die alle Eigenschaften normaler Keratinozyten beibehält“ erklärt Natsuga. „Um sicherzustellen, dass unsere Ergebnisse korrekt sind, haben wir von dieser Zelllinie Einzelzellkulturen angelegt.“

Das Team beobachtete die Musterbildung sowohl in der ursprünglichen heterogenen Zelllinie als auch in den aus Einzelzellen gewonnenen Kulturen. Während der Kultivierung bewegten sich die Keratinozyten willkürlich und bildeten spontan Regionen mit hoher und niedriger Dichte, was zur Musterbildung führte.

Die Musterbildung wurde durch eine Hungersnot deutlich beeinflusst. Wurde das Kulturmedium erneuert, verschwanden die Muster, tauchten aber wieder auf, wenn die Nährstoffe im Kulturmedium von den Keratinozyten verbraucht wurden.

Das Team untersuchte dann die Genexpression in den Keratinozyten, wobei sich herausstellte, dass Zelladhäsionsproteine und Keratinozyten-Differenzierungsproteine in Regionen mit hoher Dichte hochreguliert waren. „Da die Zelladhäsion für die Entwicklung von Regionen mit hoher Zelldichte notwendig ist, haben wir speziell die Expression von Adherens-Junction(AJ)-Molekülen wie E-Cadherin und Aktin untersucht“, erklärte Natsuga. „Wir fanden heraus, dass diese Moleküle an den interzellulären Übergängen der Regionen mit hoher Zelldichte lokalisiert sind.“

Mithilfe eines mathematischen Modells konnten die Autoren dann bestätigen, dass eine starke Zelladhäsion bei räumlich gleichmäßiger Dichte und Stress zur Bildung von Dichtemustern führt. Sie konnten auch zeigen, dass die Keratinozytenmuster die Zellproliferation und -differenzierung beeinflussen und dass Serummangel die epidermale Schichtung in Hautzellen von Mäusen beeinflusst.

„Unsere Studie stellt ein neues und robustes Modell der Zell-Zell-Adhäsions-induzierten Musterbildung (CAIP) vor“, so Natsuga. „Wir haben unseren mechanistischen Einblick in die zelluläre Organisation und ihre Konsequenzen für Entscheidungen über das Zellschicksal und die epitheliale Schichtung vertieft.“

Das Team hat gezeigt, dass die Zell-Zell-Adhäsion von Epithelzellen für die Musterbildung wesentlich und ausreichend ist. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, das Modell um weitere Variablen zu ergänzen, um andere Prozesse zu verstehen, die während der Entwicklung gleichzeitig ablaufen.