EGFR-abhängige epigenetische Muster in der epidermalen Differenzierung

Zelltyp-spezifische Genexpression bestimmt zelluläre Identität. Während Zelltyp-spezifische Transkriptionsfaktoren ein Aspekt dieser Diversität der Genexpession sind, stellt die "epigenetische" Identität eine grundlegendere Form der Information dar, gemäss derer transkprionelle Programme ausgeführt werden. Das letzte Jahrzehnt hat signifikante Erkenntnisse zum Thema der epigenetische Genregulation gebracht. Hingegen ist wenig darüber bekannt wie externe Signale, welche für zelluläre Differenzierung verantwortlich sind, Genom-weite Änderungen im Chromatin bewirken, die zu erblichen Änderungen der Genexpression führen. Ein Verständnis davon zu erlangen, wie Rezeptor-Signaltransduktion ein die zelluläre Identität definierendes "Epigenom" festlegt, stellt eine der grossen Herausforderungen im Feld der Chromatin Forschung dar. Der Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) ist ein wichtiger Regulator der epidermalen Homeostase und Differenzierung. EGFR-Signaltransduktion inhibiert die prämature Differenzierung epidermaler Zellen in der Haut, ein Phänomen das durch das Kultivieren von EGFR-defizienten Keratinozyten in vitro rekapituliert werden kann. Unlängst wurde gezeigt dass epigenetische Mechanismen die Differenzierung von epidermalen Zellen, ähnlich wie EGFR, regulieren. Die Frage, die wir im Rahmen dieses Antrags beantworten wollen, ist daher ob, und zu welchem Ausmass, EGFR die epigenetischen Mechanismen, die der epidermalen Stammzell-Differenzierung zugrunde liegen, steuert. Wir werden dies mittels Chromatin Immunopräzipitation gefolgt von Genom-weiter Sequenzierung analysieren um "epigenomische" Karten von normalen und EGFR-defizienten Zellen zu erstellen und somit den Einfluss von EGFR auf epigentische Muster, welche für die Differenzierung epidermaler Stammzellen wichtig sind, zu verdeutlichen. Zusätzlich werden wir den Differenzierungsdefekt EGFR-defizienter Zellen im Detail analysieren und uns auf eine Verbindung zwischen EGFR, Dnmt1 und DNA Methylierung konzentrieren.

Die letzte Dekade hat signifikante Fortschritte beim Verständnis der biochemischen Mechanismen epigenetische Regulation von Genen gebracht. Jedoch ist noch wenig darüber bekannt, wie externe Signale zelluläre Differenzierung über die Veränderung von genomweiten Veränderungen der Chromatin-Konfiguration steuern und damit erbliche Veränderungen der Genexpression weitergegeben werden können. Wir konnten zeigen, dass der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor (=Epidermal Growth Factor Rezeptor (EGFR)) ein wichtiger Regulator der Homöostase und Differenzierung in der Haut ist und dass Signale über den EGFR Signalweg eine vorzeitige Differenzierung von epidermalen Zellen der Haut verhindern. Wir haben weiter analysiert, ob der EGFR diese wichtige Funktion über eine Veränderung der Chromatin Struktur in der differenzierenden Haut ausübt und damit die zelluläre Identität von epidermalen Zellen während der Stammzellerneuerung, Differenzierung und Gewebehomöostase kontrolliert. Mittels Chromatin Immunopräzipitation (ChIP) und nachfolgender Next Generation Sequencing (NGS) wurde analysiert, ob Signale über den EGFR bei der Differenzierung von Keratinozyten das epigenetische Muster verändern und damit die zelluläre Identität steuern. Dabei wurden EGFR-defiziente Keratinozyten mit EGFR-kompetenten Keratinocyten in Differenzierungsexperimenten verglichen und der Fokus auf eine mögliche Steuerung der DNA (cytosine-5)-methyltransferase 1 (Dnmt1) durch den EGFR gelegt.Hauptergebnisse:1) Umfangreiche Analysen von proliferierenden und differenzierenden Keratinozyten durch RNAseq ergaben, dass das Abschalten des EGFR Signalweges das Expressionsprofil in proliferierenden Keratinozyten stark beeinflusst. Diese Veränderung bleibt während der Differenzierung erhalten, wobei relativ wenige zusätzliche Veränderungen beobachtet werden. Allgemein lässt sich eine anormale Expression von Keratingenen feststellen, was sich auch in Veränderungen des epigenetischen Musters am Keratin-Multigenlokus zeigt. Weiter zeigen EGFR-defiziente Keratinozyten ein verstärkt mesenchymales Genexpressionsmuster.2) Um die mögliche Regulation von Dnmt1 durch den EGFR in einem genetischen Mausmodel zu testen wurden transgenen Mäusen, die Dnmt1 in der Haut überexprimieren, hergestellt. Durch Kreuzung konnte gezeigt werden, dass Dnmt1 Überexpression epidermale Defekte von EGFR-Knock-out Mäusen nicht korrigieren kann. Weiter konnte mittels genomweiter Bisulfitsequenzierung gezeigt werden, dass die DNA-Methylierung in epidermalen EGFR Knock-out Mäusen unverändert ist. Gemeinsam zeigen diese Daten, dass der EGFR die epidermale Differenzierung nicht über die Beeinflussung des DNA-Methylierungsmusters steuert.