Titelaufnahme

Titel
Molecular evolution of the epidermis in amniotes / submitted by Bettina Strasser
VerfasserStrasser, Bettina
Begutachter / BegutachterinEckhart, Leopold
Erschienen2015
Umfang191 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Epidermis / Haut-Barriere / Stratum Corneum / Evolution
Schlagwörter (EN)epidermis / skin barrier / stratum corneum / evolution
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-3933 Persistent Identifier (URN)
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Molecular evolution of the epidermis in amniotes [5.36 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Barrierefunktion der Epidermis gegenüber der Umwelt ist essentiell für die gesunde Haut des Menschen. Viele Gene, die den Aufbau der epidermalen Barriere bestimmen, sind als Gruppe an einem gemeinsamen Chromosomenort lokalisiert, dem sogenannten epidermalen Differenzierungskomplex (EDC). Das Ziel dieser Arbeit ist es, den evolutionären Ursprung der EDC Gene und die Rolle dieser Gene in der Evolution landlebender Vertebraten zu bestimmen.

Im ersten Teil der Dissertation wird gezeigt, dass es in Vögeln und Reptilien wie in den Säugetieren einen EDC gibt, während dieser in Fischen und Amphibien fehlt. In den Modellorganismen Huhn und Rotkehlanolis werden jeweils mehr als 25 neue EDC Gene beschrieben, die in epidermalen Keratinozyten exprimiert werden. Konservierte Aminosäuresequenzen weisen darauf hin, dass alle EDC Gene von einem gemeinsamen Vorläufer-Gen abstammen.

Der zweite Teil dieser Doktorarbeit beschreibt die Evolution des EDC Gens für das epidermale Strukturprotein Filaggrin in Säugetieren, die vom terrestrischen zum aquatischen Lebensstil übergegangen sind.

Genomanalysen zeigen, dass Filaggrin im Vorfahren aller heute lebenden Säugetiere vorhanden war und in Walen, aber nicht in Delphinen verlorengegangen ist. Trotz Konservierung des Filaggringens verfügen Delphine nicht über die Protease Caspase-14, was darauf hindeutet, dass sich die Prozessierung von Filaggrin in Delphinen von jener in landlebenden Säugetieren unterscheidet.

Im dritten Teil der Arbeit wird die Evolution und Gewebeexpression des EDC Gens EDCRP beschrieben, das ein Protein mit extrem hohem Cysteingehalt kodiert. Dieses Gen ist im Genom von mehr als 30 Vogelarten, aber nicht in den Genomen nahe verwandter Reptilien vorhanden. mRNA in situ Hybridisierung zeigt, dass EDCRP vor allem in den Federn des Huhns exprimiert wird. Unter allen Proteinen der Säugetiere weist EDCRP die höchste Ähnlichkeit zu den Keratin-assoziierten Proteinen auf, welche wichtige Bestandteile der Haare sind. Das lässt vermuten, dass die Evolution von Federn und Haaren durch konvergente Evolution Cystein-reicher Strukturproteine ermöglicht wurde. Die Ergebnisse dieser Dissertation tragen zum besseren Verständnis der Hautbarriere bei und definieren wichtige Schritte in der molekularen Evolution der Amnioten.

Zusammenfassung (Englisch)

An efficient epidermal barrier is one of the key features enabling a fully terrestrial lifestyle. In mammals many of the genes encoding epidermal barrier proteins are located within a gene cluster, the epidermal differentiation complex (EDC). The aim of this thesis is to define the evolutionary origin of the EDC and the diversification of individual EDC genes in amniotes.

The first part of this thesis reports the identification of homologs of the mammalian EDC in birds and reptiles (together referred to as sauropsids), whereas fish and amphibians do not have an EDC. We could show by de novo gene prediction, comparative genomics and BLAST search that all types of EDC gene families, namely those encoding S100A, S100 fused-type proteins (SFTPs), simple EDC (SEDC) genes and peptidoglycan recognition proteins (PGRPs) are present in sauropsids. In total we newly identified 30 and 26 SEDCs in chicken and lizard, respectively. We further confirmed their expression by RT-PCR and could show that all SEDC genes are specifically expressed in tissues that contain keratinocytes in contrast to tissues lacking keratinocytes. SEDC proteins of human, chicken and lizard are enriched in a small set of amino acid residues. Prototypical SEDCs contain glutamine and lysine, the targets of transglutamination, and high numbers of either glycine and serine or cysteine and proline. Conservation of amino acid sequence motifs at the amino- and carboxy-terminus of EDC proteins suggests a common origin of epidermal barrier genes. In the second part of my thesis, the filaggrin and two filaggrin-processing enzymes were investigated in fully aquatic mammals, i.e. dolphins and whales. We show that dolphins but not whales have retained the filaggrin gene which originated in ancestral terrestrial mammals. Surprisingly caspase-14, a protease enzyme implicated in the correct processing of filaggrin, has been lost whereas another filaggrin-targeting protease, namely saspase, has been conserved in all cetaceans investigated. These data suggest that filaggrin, caspase-14 and saspase are not strictly depending on each other and that filaggrin processing in dolphins differs from that in terrestrial mammals.

In the third part of my thesis, the characterization of a newly identified, highly cysteine-rich protein named epidermal differentiation cysteine-rich protein (EDCRP) is reported. By mRNA in situ hybridization and RT-PCRs we could show that EDCRP is expressed in feathers and the embryonic subperiderm of developing chicken embryos but not in the mature epidermis and not in non-integumentary tissues. The amino acid sequence of avian EDCRP is similar to that of cysteine-rich keratin-associated proteins (KRTAPs), major components of mammalian hair. Our data suggest that the cysteine-rich proteins of feathers and hair have originated by convergent evolution.

Taken together the results of this PhD thesis suggest that the origin of the EDC coincided with the acquisition of the fully terrestrial lifestyle of amniotes, a cysteine-rich EDC-encoded protein has contributed to the evolution of feathers and the EDC protein filaggrin has been lost during the adaptation to aquatic life of whales. These results have important implications on the evolution of amniotes and demonstrate the potential contributions of evolutionary genomics to skin biology.