Universität zu Köln

Niessen, Michaela Tosca (2013). Role of aPKCl in epidermal morphogenesis and homeostasis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Cell polarity, defined as the asymmetric distribution of proteins, lipids and structural elements within a cell, is crucial for tissue homeostasis by regulating a variety of functions such as barrier formation, cell fate, migration and cell shape. The overall aim of this study was to examine how polarity pathways regulate epidermal morphogenesis and homeostasis and more specifically, the balance between differentiation and proliferation in a self-renewing stratified epithelium. Atypical protein kinase C (aPKC) is a key player in the regulation of polarity, although most of its functions have been studied in lower organisms or in mammalian simple epithelial cells. In mammals, two aPKC isoforms have been identified, aPKCλ and aPKCζ. To elucidate the role of aPKCλ in the stratifying epithelium of mice, aPKCλ was deleted specifically in all epidermal lineages (aPKCλepi-/- mice). Loss of aPKCλ resulted in a progressive phenotype characterized by a hyperthickened interfollicular epidermis (IFE), enlarged sebaceous glands and deformed hair follicles (HFs). We observed increased differentiation of sebaceous glands and IFE whereas HF differentiation was perturbed after aPKCλ deletion, suggesting cell fate changes within the epidermal lineage. aPKCλepi-/- HFs increasingly failed to enter resting phases of the hair cycle, which was associated with increased proliferation and a loss of quiescence in HF bulge stem cells. Concomitantly with inappropriate HF stem cell activation, immunohistochemical and FACS analyses revealed a gradual loss of bulge stem cell marker expression, indicating a depletion of bulge stem cells over time in aPKCλepi-/- mice. This was accompanied by a gradually increased number of cells expressing markers of more committed progenitors suggesting altered cellular fate of aPKCλ-/- HF stem cells. The gradual loss of stem cell function was confirmed in vitro by a loss of proliferative potential of adult keratinocytes. Moreover, aged mice showed complete alopecia and a premature aging phenotype indicating exhaustion of stem cells. Together, these data demonstrate that loss of aPKCλ exhausts the bulge stem cell compartment over time. Cellular analyses revealed that epidermal deletion of aPKCλ increased the ratio of asymmetric versus symmetric divisions in the IFE as well as HFs providing a mechanistic explanation for how aPKC regulates epidermal cell fate decisions. On the molecular level this was linked to altered Rac1 activation and changes in the expression and in vitro localization of the cell fate protein Numb. Moreover, loss of aPKCλ increased Wnt/β-catenin signaling in keratinocytes, which provides a potential link to altered HF cycling. In summary, this work revealed that aPKCλ is crucial for epidermal homeostasis and HF stem cell maintenance and demonstrates a key role for aPKCλ in the regulation of epidermal cell fate decisions, likely by controlling the balance of asymmetric versus symmetric cell divisions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zellpolarität ist definiert als die asymmetrische Verteilung von Proteinen, Lipiden und strukturellen Elementen in der Zelle und ist eine unerlässliche Bedingung für die Funktionalität von Geweben, zum Beispiel durch die Regulation von Barrierefunktion und Zellschicksal. Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, wie Zellpolarität die Homeostase eines stratifizierten Epitheliums regultiert. Atypical protein kinase C (aPKC) ist ein essentieller Regulator von Zellpolarität, wobei die Funktion von aPKC vor allem in C.elegans, D. melanogaster und in Zellkultur untersucht wurde. In Säugetieren existieren zwei aPKC Isoformen, aPKCλ und aPKCζ. Um die Rolle des Polaritätsproteins aPKCλ in der Epidermis zu charakterisieren, wurde aPKC spezifisch in allen epidermalen Kompartimenten inaktiviert (aPKCλepi-/- Mäuse). Die epidermale Depletion von aPKC resultierte in einem auffälligen Phänotyp. Die interfollikuläre Epidermis von aPKCλepi-/- Mäusen war stark verdickt, die Talkdrüsen vergrößert und die Haarfollikel zeigten eine abnormale Form. Während Talgdrüsen und interfollikuläre Epidermis eine verstärkte Differenzierung zeigten, war die Differenzierung von Haarfollikeln gestört, was auf ein verändertes Zellschicksal in aPKCλ-/- Keratinozyten hindeutet. Weiterhin traten aPKCλ-/- Haarfollikel nicht mehr in Ruhephasen des follikulären Zyklus (Telogen) ein und zeigten eine verstärkte Proliferation. Die Stammzellen der Wulstregion im Haarfollikel befinden sich normalerweise in einem Ruhezustand, in dem sie sich selten teilen. Ruhende Haarfollikelstammzellen konnten in aPKCλepi-/- Mäusen kaum detektiert werden. Weitere Studien mittels FACS und Immunohistochemie zeigten, dass die Zahl der Haarfollikelstammzellen der Wulstregion während des postnatalen Lebens von aPKCλepi-/- Mäusen graduell abnimmt. Gleichzeitig wurde eine Vergrößerung der Population von Progenitorzellen, welche im oberen Teil des Haarfollikels oberhalb der Wulstregion lokalisiert sind, festgestellt, was eine Veränderung des Zellschicksals von Haarfollikelstammzellen der Wulstregion vermuten lässt. Der Verlust der Funktion der Stammzellen wurde durch eine starke Verminderung des proliferativen Potentials von adulten aPKCλ-/- Keratinozyten bestätigt. Ein Jahr alte aPKCλepi-/- Mäuse hatten all ihr Haar verloren. Mittels einer Analyse auf zellulärer Ebene fanden wir heraus, dass der Anteil von asymmetrischer Zellteilung, verglichen mit symmetrischer Zellteilung, in allen epidermalen Kompartimenten erhöht war. Wir detektierten eine verminderte Aktivierung der kleinen GTPase Rac1 und eine reduzierte Expression des Proteins Numb in aPKCλ- negativer Epidermis. Darüber hinaus ist der aPKCλepi-/- Phänotyp mit einer erhöhten Aktivität des Wnt/β-catenin Signalweges assoziiert. Unsere Ergebnisse zeigen, das aPKCλ unerlässlich für epidermale Homeostase und die Erhaltung des Stammzellkompartiments der Wulstregion des Haarfollikels ist. Unsere Analyse demonstriert, dass aPKCλ Zellschicksal in der Epidermis reguliert und eine wichtige Rolle in der Kontrolle der Balance von asymmetrischer gegen symmetrischer Zellteilung spielt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Niessen, Michaela Tosca niessenm@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-50776
Date:	2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language skin English
Date of oral exam:	13 April 2012
Referee:	Name Academic Title Langer, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5077