Как ключевые гены взаимодействуют для формирования здоровой кожи

Кожа — это броня организма, защищающая от патогенов, травм, чрезмерной потери влаги, холода и жары. Однако мутации в одном гене, кодирующем белок p63, вызывают многочисленные заболевания и пороки развития самого верхнего слоя кожи — эпидермиса — и других тканей. В эпидермисе это включает как рак кожи, так и дисплазии, приводящие к трещинам, кровотечениям, инфекциям и изменению цвета.

Исследовательская группа из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США под руководством коллег из Университета Брэдфорда (Великобритания) и при участии учёных из Бостонского университета выяснила, что p63 действует, напрямую регулируя другой белок — Satb1. Satb1 является «организатором генома» — он контролирует экспрессию генов в клетках-предшественниках, временно ремоделируя хроматин, структуру, из которой состоят хромосомы и которая содержит плотно упакованную ДНК.

Белок p63 — это «главный регулятор» развития эпидермиса по мере роста эмбриона млекопитающего. Он работает с другими белками, чтобы точно координировать экспрессию и время работы групп генов, контролирующих рост и дифференцировку клеток. Однако то, как p63 выполняет свою сложную роль, долгое время оставалось загадкой.

Значительная часть ответа связана с Satb1. Этот белок, открытый десять лет назад группой под руководством Теруми Кохви-Сигемацу из Отдела наук о жизни Berkeley Lab, действует как молекулярная машина. Он регулирует экспрессию генов, связываясь с хромосомной ДНК в определённых сайтах, изменяя её укладку, чтобы сблизить необходимые гены, и рекрутируя дополнительные белки, нужные для транскрипции этих генов. Ранее было показано, что Satb1 критически важен для развития Т-клеток иммунной системы, их функции и метастазирования рака молочной железы. Однако механизмы, контролирующие экспрессию гена Satb1 в разных типах клеток, были столь же загадочны, как и то, как p63 регулирует развитие кожи.

Владимир Бочкарев, профессор кожной биологии и заместитель директора Центра наук о коже Университета Брэдфорда, предположил, что ключ к роли p63 лежит в факторах ремоделинга хроматина, таких как Satb1. Кожа у мышей, выведенных без гена p63, развивается медленно и заметно тоньше, чем у нормальных мышей. На этих «нокаутных» мышах Бочкарев смог определить, какие другие гены были недостаточно или избыточно экспрессированы при отсутствии p63.

Обнаружив, что Satb1 возглавляет список отсутствующих генов ремоделинга хроматина, Бочкарев связался с Кохви-Сигемацу, чтобы объединить усилия их лабораторий с коллегами из Бостонского университета для совместного изучения потенциальной связи p63 и Satb1 в развитии кожи.

«Экспертиза наших команд в биологии кожи и Satb1 привела к двум важным открытиям: мы установили ключевую роль Satb1 в развитии кожи и впервые идентифицировали белок p63, который регулирует сам Satb1», — говорит Кохви-Сигемацу.

Результаты опубликованы в Journal of Cell Biology.

Механизм в деталях

Эпидермис состоит из пяти подслоев. Самый глубокий содержит клетки-предшественники, которые формируют кератиноциты — самый распространённый тип клеток кожи. Они постепенно мигрируют вверх, дифференцируясь в клетки с различными свойствами в верхних слоях, и в конечном итоге слущиваются. Этот непрерывный процесс у человека занимает две недели или более.

На каждом новом уровне кератиноциты накапливают всё больше прочных кератиновых и других белков, формирующих филаменты, которые начинают сшиваться. Клетки твердеют, теряют ядра и другие внутренние структуры и, наконец, программируют свою гибель. Верхние слои кожи образуют прочный барьер из мёртвых клеток, которые соединяются, как плитки. На каждом этапе процесса соответствующие гены должны быть включены или выключены для регуляции клеточной сигнализации, адгезии, метаболизма и транскрипции генов.

У мышей многие из этих генов сгруппированы в хромосомных регионах, специфичных для экспрессии кератина и родственных белков, а также в сайте, называемом «комплексом дифференцировки эпидермиса». Белки, кодируемые генами в этих кластерах, необходимы для процесса ороговения клеточных оболочек, что критически важно для кожного барьера. Именно такими сборками генов, как было показано ранее, управляет Satb1 в других системах путём ремоделинга хроматина.

Satb1 не всегда связывается с ДНК рядом с местом начала транскрипции гена. Обычно он изгибает и сворачивает хроматин, чтобы сблизить нужные группы генов. Таким образом, когда Satb1 связывается с определённым сайтом, могут активироваться гены, удалённые на расстояние до 200 000 пар оснований.

Два типа нокаутных мышей, лишённых либо гена p63, либо гена Satb1, демонстрировали сходное влияние на экспрессию их кожных генов, а также сниженное количество одних и тех же белков, участвующих в ороговении клеток. У обоих типов мышей кожа была тоньше.

Эффекты отсутствия p63 на экспрессию многих генов были настолько близки к эффектам отсутствия Satb1, что исследователи предположили: Satb1 играет важную роль в развитии кожи как ген, расположенный «ниже по каскаду» от белка p63 — его первичная мишень. Серия тестов действительно подтвердила, что p63 напрямую регулирует ген Satb1.

Самый показательный тест был последним. Если отсутствие p63 вызывает истончение эпидермиса, недостаток роста клеток и снижение уровня критически важных белков, таких как лорикрин (необходимый для формирования прочной оболочки самых внешних клеток кожи), может ли Satb1 обратить этот дегенеративный процесс?

Исследователи использовали вирус для доставки гена Satb1 в образцы кожи нокаутных по p63 мышей. Результатом стало значительное увеличение толщины эпидермиса, пролиферации клеток и уровня лорикрина. Команда пришла к выводу, что Satb1 способен частично восстанавливать нормальный эпидермис у мышей с дефицитом p63.

«Наше сотрудничество с лабораторией Бочкарева, внесшей основной вклад в это исследование, и другими коллегами было захватывающим, потому что мы узнали и о новом ключевом игроке, и о новой стратегии, которую клетки используют для создания кожи: главный регулятор p63 использует способности Satb1 для выполнения большей части своей работы», — говорит Кохви-Сигемацу.

Знание о том, как эти ключевые гены и белки работают вместе, открывает перспективы для лучшего понимания и будущего прогресса в решении широкого спектра кожных заболеваний.