Universität zu Köln

Stachelscheid, Heike (2010). Role of IGF-1R/IR signaling in epidermal development and morphogenesis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The epidermis protects the organism from external challenges and from dehydration. The establishment, maintenance and restoration of this epithelial barrier are driven by a balance between self-renewal and differentiation of interfollicular epidermal (IFE) progenitor cells. However, the upstream signals that regulate this balance are largely unknown. The major aim of this thesis was to identify and characterize the in vivo role of epidermal insulin/IGF signaling, which have been identified as key regulators of growth, metabolism and stem cell behavior in other tissues. Inactivating the insulin receptor (IR-/-), the IGF-1 receptor (IGF-1R-/-) or both (dko) specifically in the epidermis resulted in a progressive decrease in the number of suprabasal layers, first obvious at E16.5, although differentiation and apoptosis were unaltered. Instead, the phenotype was directly associated with a strong decrease in proliferative potential in vitro and altered IFE progenitor cell behavior in vivo. Furthermore, rescue experiments identified the small GTPase Rac1 as a key target of IGF-1R/IR signaling that regulates epidermal morphogenesis in vivo and proliferative potential in vitro. To address how IR/IGF-1R regulates epidermal morphogenesis, we focused on E16.5 dko embryos, when the phenotype is first obvious. Whereas no change was observed in expression of the proliferation marker Ki67, a reduced number of anaphase spindles and an increased number of metaphase spindles were found in dko mice compared to control, and in vitro in cultured keratinocytes. This indicated an arrest in the spindle check point of the cell cycle in the absence of IR/IGF-1R. This was associated with disturbed spindle formation in IGF-1R-/- metaphase cells and reduced expression of AuroraB, a key regulator of mitosis, as well as other cell cycle regulators, such as p53 and stratifin (14-3-3σ). Interestingly, the reduction in cell divisions upon loss of IR/IGF-R was predominantly on the expense of asymmetric divisions and correlated with reduced p63 expression, a known regulator of this process. Since asymmetric cell divisions have been implicated in regulating epidermal stratification, the results indicate that epidermal Insulin/IGF1 signaling couples cell cycle progression to asymmetric divisions thereby regulating the number of suprabasal layers in the IFE during morphogenesis. In short, the results in this thesis have identified epidermal IR/IGF-1R as key regulators of epidermal morphogenesis, proliferative potential, IFE progenitor cells and asymmetric cell divisions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Die Funktion von IGF-1R/IR Signalweg in der epidermalen Entwicklung und Morphogenese German
Translated abstract:	Abstract Language Die Epidermis schützt den Organismus vor äußeren Einflüssen und vor Austrocknung. Die Anordnung, Aufrechterhaltung und Wiederherstellung der epidermalen Barriere werden durch einen Ausgleich zwischen Selbsterneuerung und Differenzierung von Vorläuferzellen in der interfollikularen Epidermis gesteuert. Die vorgelagerten Signale, die diesen Ausgleich regulieren, sind noch nicht bekannt. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle des Insulin/IGF Signalweg in der Epidermis zu charakterisieren, welcher als Regulator für Wachstum, Stoffwechsel und bei der Stammzellregulierung in anderen Geweben eine große Rolle spielt. Die epidermal-spezifische Inaktivierung des Insulin, des IGF-1 und von beiden Rezeptoren führte zu einer verminderten Anzahl epidermaler, suprabasaler Zellschichten, zuerst sichtbar im embryonalen Stadium E16.5, wobei Differenzierung und Apoptose nicht verändert waren. Stattdessen war der Phänotyp mit einer starken Abnahme des Zellteilungspotentials in Zellen und mit veränderten IFE Vorläuferzellen in der Epidermis verbunden. „Rescue“-Experimente identifizierten die GTPase Rac1 als Ziel von IGF-1R/IR, welcher die epidermale Morphogenese und das Zellteilungspotential regulierte. Um herauszufinden, wie IGF-1R/IR die epidermale Morphogenese reguliert, haben wir uns auf das Embryonenstadium E16.5 konzentriert, der Tag an dem der Phänotyp zuerst auftritt. Während anhand des Markers Ki67 keine Wachstumsveränderungen festgestellt werden konnten, fand sich eine verminderte Anzahl von Anaphasen und eine vermehrte Anzahl von Metaphasen in dko Mäusen und in kultivierten IGF-1R-/- Keratinozyten. Dies deutete auf einen Arrest im Spindel-Kontrollpunkt der Mitose hin. Der Phänotyp war assoziiert mit einer gestörten Spindel Formation in IGF-1R-/- Metaphase Zellen und mit einer verminderten AuroraB Expression, ein wichtiger Regulator in der Mitose. Zugleich waren weitere Zellzyklus Regulatoren wie p53 und Stratifin (14-3-3σ) verändert. Die IGF-1R/IR Inaktivierung beeinträchtigte hauptsächlich die asymmetrische Zellteilung mit einer gleichzeitig verminderten p63 Expression, ein Regulator in asymmetrischer Zellteilung. Unsere Ergebnisse zeigten eine Verbindung des epidermalen IGF-1R/IR Signalweges mit dem Zellzyklus und asymmetrischer Zellteilung, durch welche es die Anzahl der suprabasalen Zellschichten in der IFE regulieren kann. IGF-1R/IR sind folglich wichtige Regulatoren der epidermalen Morphogenese, des Zellteilungspotentials, der IFE Vorläuferzellen und bei asymmetrischer Zellteilung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Stachelscheid, Heike heike_luebken@yahoo.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-43100
Date:	26 August 2010
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language epidermal IGF-1R/IR signaling English
Date of oral exam:	25 October 2010
Referee:	Name Academic Title Brüning, Jens Prof. Dr. Niessen, Carien Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4310