FORSCHUNGSGRUPPE WICKSTRÖM

Hauthomöostase und Altern

Adulte, im Gewebe vorliegende Stammzellen treiben die Erneuerung, Reparatur und Umgestaltung von Geweben voran, damit Organe ihre Struktur und Funktion behalten1. Angesichts der Leistungsfähigkeit von Stammzellen könnten selbst inkrementelle Veränderungen ihres Verhaltens zu erheblichen Veränderungen der Gewebegröße und -architektur führen. Dennoch treten derartige Auswirkungen erstaunlich selten auf, was eindeutig darauf schließen lässt, dass Stammzellen einer strikten homöostatischen Regulierung unterliegen, die es dem System ermöglicht, auf Störungen rasch zu reagieren und die ordnungsgemäßen Funktionen effizient wiederherzustellen. Die Mechanismen einer solchen Regulierung auf Populationsebene versteht man bisher jedoch kaum.

Stammzellen befinden sich in bestimmten Nischen, welche die ausgewogene Reaktion der Stammzellen auf die Bedürfnisse des Gewebes steuern, eine Stammzellschwund verhindern und die Stammzellexpansion beschränken. Zwar gilt die Bedeutung der Nischen für die Stammzellregulierung als gesichert, die Komplexität der Nischen von Säugetierstammzellen hat jedoch bislang eine Bestimmung der genauen Beschaffenheit der von den Nischen stammenden Signale verhindert und mechanistische Studien zur Regulierung adulter Stammzellen erschwert. Als sich selbst erneuerndes Organ, das durch zahlreiche unterschiedliche Stammzellpopulationen aufrechterhalten wird, stellt die Epidermis ein ausgezeichnetes Paradigma für die Erforschung von Stammzellen und ihren Wechselwirkungen mit der Nische dar. Die Säugetierepidermis besteht aus der sogenannten Haartalgdrüseneinheit, d. h. dem Haarfollikel (HF), der Talgdrüse und der sie umgebenden interfollikulären Epidermis (IFE). Jede Einheit enthält bestimmte Stammzellpopulationen, welche die konstante Erneuerung der interfollikulären Epidermis sowie der Haarfollikel während der postnatalen Gewebehomöostase und -regeneration vorantreiben. Interessanterweise bleibt die strikte Kompartimentierung der speziellen Stammzellenpools innerhalb der Epidermis im Falle einer Begrenzung durch die Gewebearchitektur erhalten. Bei einer Gewebeverletzung oder -transplantation weisen die spezialisierten Stammzellen jedoch in ihrer neuen Mikroumgebung eine größere Potenz auf. Dies legt nahe, dass die molekulare Zusammensetzung und möglicherweise die ausgeprägte Topologie und/oder Mechanik der HF- und IFE-Nischen das Verhalten der Stammzellen lenken. Diese Mechanismen aufzudecken und ihre Relevanz für die Physiologie, den Alterungsprozess und Krebs zu etablieren, ist Schwerpunkt unserer Forschung.

Einige unserer jüngsten Forschungshöhepunkte:

  • Identifizierung eines Chaperone-abhängigen Mechanismus, mit dessen Hilfe die Integrin-Aktin-Verbindung die Erzeugung von Zellkräften, die Umgestaltung der extrazellulären Matrix und die Fibrose der Haut reguliert (Radovanac et al, EMBOJ 2013)

  • Aufdeckung der Schlüsselfunktion der lokalen Remodellierung der extrazellulären Matrix innerhalb der Stammzellennische als treibende Kraft der Stammzellaktivierung und Gewebehomöostase in der Epidermis (Morgner et al, Nat Commun 2015)

  • Entdeckung eines neuartigen Mechanismus, mit dessen Hilfe die mechanische Kraft die Zellkernarchitektur und Chromatinstruktur reguliert und damit das epigenetische Silencing von Genen zur Determination der epidermalen Stammzelllinien beeinflusst (Le et al. Nat Cell Biol, 2016)

  • Entwicklung einer ex vivo-Nische, welche die Anreicherung und dynamische, bidirektionale Umprogrammierung von Haarfollikel-Stammzellen (HFSCs) (Chacón-Martínez et al, EMBOJ 2016) und Krebsstammzellen (Tumor-induzierenden Zellen) aus Plattenepithelkarzinomen ermöglicht und jetzt als Hochdurchsatz-Screening-Tool für die Erforschung der Biologie von adulten Stammzellen und Krebs eingesetzt werden kann (angemeldetes Patent EP15188393.1)

Aktuelle Projekte

Nischen sind für die Funktion von Stammzellen (SC) entscheidend, es ist jedoch unklar, wie sie entstehen und welchen Einfluss die Nischenarchitektur auf die Organisation und das Schicksal der darin befindlichen Stammzellen und ihrer Nachkommen hat. Haarfollikel-Stammzellen (HFSC) von Mäusen stellen eines der erfolgreichsten genetischen Modellsysteme für die Erforschung der biologischen Grundlagen von Stammzellen in adultem Gewebe dar. Das Fehlen eines Systems, das ihre native Nische rekapituliert – was die Aufrechterhaltung der HFSC in Abwesenheit anderer heterologer Zelltypen erlaubt – und eine präzise Manipulation und Überwachung der HFSC-Schicksalsentscheidungen ermöglicht, war bislang eines der Haupthindernisse beim Verständnis der Regulierung und Funktion von HFSC. Wir haben diese Barriere nun durchbrochen, indem wir die entscheidenden Komponenten der Nische dekonstruiert haben, was uns die Entwicklung eines ex vivo-Kultursystems ermöglichte, das erstmals die Anreicherung und Aufrechterhaltung von HFSC ohne Verlust ihrer Multipotenz erlaubt (Chacón-Martínez et al., EMBOJ 2016).

Interessanterweise haben Studien, bei denen dieses System eingesetzt wurde, gezeigt, dass sich epidermale Zellgemische von selbst in einen Zustand des Populationsgleichgewichts aus HFSC und differenzierten Nachkommen entwickeln. Erstaunlicherweise beobachten wir zudem, dass die dynamische, bidirektionale Interkonversion von HFSC und differenzierten Zellen die treibende Kraft dieses Selbstorganisationsprozesses ist. Darüber hinaus können HFSC selbst aus gereinigten Populationen von Nicht-HFSC vollständig de novo abgeleitet werden. Aufgrund der einmaligen definierten und anpassbaren Beschaffenheit des Kultursystems können wir:

a) durch biotechnologische Herstellung der Nische in Kombination mit Mikroskopie, Lineage Tracing und Molekularbiologie darstellen, wie Zusammensetzung, Mechanik und Topologie der Nische das Schicksal und die Umprogrammierung der Stammzellen regulieren

b) die genetischen und epigenetischen Anforderungen der beobachteten phänotypischen Plastizität mittels zeitaufgelöster Next-Generation-Sequenzierung des Selbstorganisierungsprozesses der Nische analysieren

c) Signalwege, welche die Plastizität des Stammzellschicksals auf der Populationsebene regulieren, anhand von Drug Screens chemischer Inhibitor-Bibliotheken identifizieren

Eine grundlegende, noch nicht beantwortete Frage lautet, wie die genaue dynamische Koordination der Position und des Schicksals der Zelle in Säugetierorganen erreicht und aufrechterhalten wird. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, verwenden wir Säugetier-Epidermis, ein hochstereotypisch organisiertes mehrschichtiges Epithel, dessen Selbsterneuerung durch Stammzellen aufrechterhalten wird, die auf ihrem Weg nach oben durch die Zellschichten definierte Differenzierungsstadien durchlaufen. Gemäß unserer Hypothese integrieren biomechanische Signalwege das Verhalten der einzelnen Zelle, um deren Proliferation, Schicksal und Positionierung zu kombinieren und so globale Muster eines vielzelligen Gewebes zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
Unsere aktuelle Forschung weist folgende Schwerpunkte auf:

  1. Bestimmung quantitativer Grundlagen des Stratifizierungsprozesses durch Kombination von biomechanischen Analysen, in vivo-Bildgebung und mathematischen Modellen

  2. Darstellung der Rolle, welche die kortikale Spannung und Actomyosin-Kontraktilität bei der Stratifizierung und Funktionalität der Hautbarriere in vivo spielen, anhand von NMIIA-defizienten Mäusen

  3. Aufdeckung der epigenetischen Mechanismen, mit deren Hilfe altersbedingte Veränderungen der Gewebemechanik zur Abnahme der Stammzellfähigkeit während des Alterns beitragen

Zwar sind Gewebemechanik und zelluläre Wechselwirkungen die treibende Kraft der Morphogenese, über die physikalische Kräfte wahrnehmenden Mechanismen und die Art und Weise, wie sie das Wachstum und die Strukturierungdes Organs über das Schicksal und die Selbstorganisation der Stammzellen steuern, ist jedoch nur wenig bekannt. Um zu entschlüsseln, wie mechanische Kräfte die Identität der Stammzellen regulieren, versuchen wir auf Kraft reagierende Signalwege zu identifizieren und ihre funktionelle Bedeutung für die Determination des Stammzellschicksals zu ermitteln.

Wir zeigen, dass ein mechanosensorischer Komplex aus Emerin (Emd), Non-muscle-Myosin IIA (NMIIA) und Aktin, von außen wirkende mechanische Kräfte durch Steuerung des Gen-Silencing und der Chromatinverdichtung übertragen und auf diese Weise die Kinetik des Lineage Commitment regulieren. Eine durch Kräfte angetriebene Anreicherung von Emd an der äußeren Kernmembran epidermaler Stammzellen führt zu einer defekten Heterochromatin-Verankerung an der Kernlamina und einem Wechsel von einer H3K9me2,3- zu einer H3K27me3-Belegung bei konstitutivem Heterochromatin. Die Emd-Anreicherung an der äußeren Kernmembran geht zudem mit der Rekrutierung von NMIIA zur Unterstützung der lokalen Aktinpolymerisation einher, was den nukleären Aktinspiegel senkt, und eine Schwächung der Transkription sowie eine daran anschließende Akkumulation von H3K27me3 bei fakultativem Heterochromatin zur Folge hat. Die Wiederherstellung des nukleären Aktinspiegels in Anwesenheit von mechanischen Stress wirkt dem PRC2-vermittelten Silencing von transkribierten Gene entgegen (Le et al., Nat Cell Biol 2016).

Zusammengenommen zeigen unsere Ergebnisse, wie mechanische Signale die transkriptionelle Regulierung, Chromatinorganisation und Kernarchitektur für eine Steuerung des Lineage Commitment und der Gewebemorphogenese integrieren.

Unsere Arbeit wird in Zukunft folgende Schwerpunkte haben:

  1. Charakterisierung der Auswirkung einer von außen wirkenden Kraft auf die dreidimensionale Chromatinorganisation mit hoher raumzeitlicher Auflösung anhand von Hi-C-Technologien

  2. Identifizierung der molekularen Mechanismen, mit deren Hilfe die Aktindynamik und nukleäres Aktin die Genexpression und das Schicksal der Stammzellen in vitro und in vivo regulieren

  3. Aufdeckung der molekularen Mechanismen, mit deren Hilfe die Kernhülle mechanische Signale an das Chromatin weiterleitet, und Charakterisierung der funktionellen Relevanz dieser Signalgebung bei mechanischer Beanspruchung und während des Alterns

  4. Entschlüsselung, wie verschiedene Heterochromatinformen als rheologische Elemente des Zellkerns fungieren und welche Funktion sie bei der mechanischen Reaktion des Zellkerns haben, anhand von Rasterkraftmikroskop und ähnlichen biophysikalischen Verfahren in Kombination mit biochemischen und zellbiologischen Methoden

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