Nrf2 links epidermal barrier function with antioxidant defense.

The skin provides an efficient permeability barrier and protects from microbial invasion and oxidative stress. Here, we show that these essential functions are linked through the Nrf2 transcription factor. To test the hypothesis that activation of Nrf2 provides skin protection under stress conditions, we determined the consequences of pharmacological or genetic activation of Nrf2 in keratinocytes. Surprisingly, mice with enhanced Nrf2 activity in keratinocytes developed epidermal thickening, hyperkeratosis and inflammation resembling lamellar ichthyosis. This resulted from upregulation of the cornified envelope proteins small proline-rich proteins (Sprr) 2d and 2h and of secretory leukocyte peptidase inhibitor (Slpi), which we identified as novel Nrf2 targets in keratinocytes. Since Sprrs are potent scavengers of reactive oxygen species and since Slpi has antimicrobial activities, their upregulation contributes to Nrf2's protective function. However, it also caused corneocyte fragility and impaired desquamation, followed by alterations in the epidermal lipid barrier, inflammation and overexpression of mitogens that induced keratinocyte hyperproliferation. These results identify an unexpected role of Nrf2 in epidermal barrier function, which needs to be considered for pharmacological use of Nrf2 activators.

Toll-Interacting Protein Modulates Gut Flora Composition, Epithelial Barrier Integrity and Susceptibility to Colitis

Toll-like receptor ( TLR) s ignals are key to maintaining hostmicrobial i nteractions. T he T oll-interacting-protein (Tollip) is a ubiquitously-expressed inhibitor of inflammasome a nd TLR signaling. W e hypothesized that T ollip might control g ut homeostasis. G enetic ablation of T ollip d id not lead to spontaneous colitis b ut h ad d ramatic c onsequences on t he intestinal expression of the α-defensin cryptidin 4 and the C-type lectin R EGIIIβ. These c hanges were associated with intestinal dysbiosis a nd e nhanced colonization b y segmented filamentous bacteria - a k ey p ro-inflammatory component of the microbiota. Tollip deficiency increased susceptibility to dextran sulfate sodium (DSS) colitis and aggravated chronic Th17-driven colitis in IL-10-/- mice. Flora d epletion w ith a ntibiotics in T ollip-/- mice w as not sufficient to restore DSS colitis susceptibility and deletion of Tollip in n on-hematopoietic c ells using bone-marrow chimeras w as sufficient to increase s usceptibility t o DSS colitis. After D SS administration, we o bserved several e pithelial defects i n Tollip-/- mice including early tight junctions disruption, increased epithelial apoptosis, and increased intestinal permeability. Overall, our data show that T ollip significantly impacts intestinal h omeostasis by controlling b acterial ecology and intestinal r esponse to chemical and immunological stresses.

Characterization of insulators and barrier elements for gene therapy

Gene transfer that relies on integrating vectors often suffers from epigenetic or regulatory effects that influence the expression of the therapeutic gene and=or of cellular genes located near the vector integration site in the chromosome. Insulator elements act to block gene activation by enhancers, while chromatin domain boundary or barrier sequences prevent gene-silencing effects. At present, the modes of action of insulator and barriers are poorly understood, and their use in the context of gene therapies remains to be documented. Using combinations of reporter genes coding for indicator fluorescent proteins, we constructed assay systems that allow the quantification of the insulator or barrier activities of genetic elements in individual cells. This presentation will illustrate how these assay systems were used to identify short DNA elements that insulate nearby genes from activation by viral vector elements, and=or that block the propagation of a silent chromatin structure that leads to gene silencing. We will show that some barrier elements do not merely block repressive effects, but that they can act to stabilize and sustain transgene expression. We will illustrate that this may be beneficial when transgenes are introduced into stem or precursor cells using non-viral vectors, where later differentiation may lead to the silencing of the therapeutic gene. We will show that these elements can be used to maintain efficient transgene expression upon the differentiation of murine precursor cells towards myofibers, in a model of cell therapy for muscle dystrophies.

A receptor-like kinase mutant with absent endodermal diffusion barrier displays selective nutrient homeostasis defects.

The endodermis represents the main barrier to extracellular diffusion in plant roots, and it is central to current models of plant nutrient uptake. Despite this, little is known about the genes setting up this endodermal barrier. In this study, we report the identification and characterization of a strong barrier mutant, schengen3 (sgn3). We observe a surprising ability of the mutant to maintain nutrient homeostasis, but demonstrate a major defect in maintaining sufficient levels of the macronutrient potassium. We show that SGN3/GASSHO1 is a receptor-like kinase that is necessary for localizing CASPARIAN STRIP DOMAIN PROTEINS (CASPs)--major players of endodermal differentiation--into an uninterrupted, ring-like domain. SGN3 appears to localize into a broader band, embedding growing CASP microdomains. The discovery of SGN3 strongly advances our ability to interrogate mechanisms of plant nutrient homeostasis and provides a novel actor for localized microdomain formation at the endodermal plasma membrane.

The optimal dividend barrier in the Gamma-Omega model

In the traditional actuarial risk model, if the surplus is negative, the company is ruined and has to go out of business. In this paper we distinguish between ruin (negative surplus) and bankruptcy (going out of business), where the probability of bankruptcy is a function of the level of negative surplus. The idea for this notion of bankruptcy comes from the observation that in some industries, companies can continue doing business even though they are technically ruined. Assuming that dividends can only be paid with a certain probability at each point of time, we derive closed-form formulas for the expected discounted dividends until bankruptcy under a barrier strategy. Subsequently, the optimal barrier is determined, and several explicit identities for the optimal value are found. The surplus process of the company is modeled by a Wiener process (Brownian motion).

Compétences en santé déficientes: obstacle à une prise en charge optimale [Low health literacy: barrier to optimal care].

Les carences en compétences en santé touchent principalement certaines populations à risques en limitant l'accès aux soins, l'interaction avec les soignants et l'autoprise en charge. L'utilisation systématique d'instruments de dépistage n'est pas recommandée et les interventions préconisées en pratique consistent plutôt à diminuer les obstacles entravant la communication patient-soignant. Il s'agit d'intégrer non seulement les compétences de la population en matière de santé mais aussi les compétences communicationnelles d'un système de santé qui se complexifie. Health literacy is defined as "the degree to which individuals have the capacity to obtain, process, and understand basic health information and services needed to make appropriate health decisions." Low health literacy mainly affects certain populations at risk limiting access to care, interaction with caregivers and self-management. If there are screening tests, their routine use is not advisable and recommended interventions in practice consist rather to reduce barriers to patient-caregiver communication. It is thus important to include not only population's health literacy but also communication skills of a health system wich tend to become more complex.

VEGF is a mediator of retinal pigment epithelium permeability leading to photoreceptor cell death in light-induced retinal degeneration : gene therapy strategy to prevent AMD-disorders

ABSTRACTIn normal tissues, a balance between pro- and anti-angiogenic factors tightly controls angiogenesis. Alterations of this balance may have pathological consequences. For instance, concerning the retina, the vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent pro-angiogenic factor, and has been identified has a key player during ocular neovascularization implicated in a variety of retinal diseases. In the exudative form (wet-form) of age-related macular degeneration (AMD), neovascularizations occurring from the choroidal vessels are responsible for a quick and dramatic loss of visual acuity. In diabetic retinopathy and retinopathy of prematurity, sprouting from the retinal vessels leads to vision loss. Furthermore, the aging of the population, the increased- prevalence of diabetes and the better survival rate of premature infants will lead to an increasing rate of these conditions. In this way, anti-VEGF strategy represents an important therapeutic target to treat ocular neovascular disorders.In addition, the administration of Pigmented Epithelial growth factor, a neurotrophic and an anti- angiogenic factor, prevents photoreceptor cell death in a model of retinal degeneration induced by light. Previous results analyzing end point morphology reveal that the light damage (LD) model is used to mimic retinal degenerations arising from environmental insult, as well as aging and genetic disease such as advanced atrophic AMD. Moreover, light has been identified as a co-factor in a number of retinal diseases, speeding up the degeneration process. This protecting effect of PEDF in the LD retina raises the possibility of involvement of the balance between pro- and anti-angiogenic factors not only for angiogenesis, but also in cell survival and maintenance.The aim of the work presented here was to evaluate the importance of this balance in neurodegenerative processes. To this aim, a model of light-induced retinal degeneration was used and characterized, mainly focusing on factors simultaneously controlling neuron survival and angiogenesis, such as PEDF and VEGF.In most species, prolonged intense light exposure can lead to photoreceptor cell damage that can progress to cell death and vision loss. A protocol previously described to induce retinal degeneration in Balb/c mice was used. Retinas were characterized at different time points after light injury through several methods at the functional and molecular levels. Data obtained confirmed that toxic level of light induce PR cell death. Variations were observed in VEGF pathway players in both the neural retina and the eye-cup containing the retinal pigment epithelium (RPE), suggesting a flux of VEGF from the RPE towards the neuroretina. Concomitantly, the integrity of the outer blood-retinal-barrier (BRB) was altered, leading to extravascular albumin leakage from the choroid throughout the photoreceptor layer.To evaluate the importance of VEGF during light-induced retinal degeneration process, a lentiviral vector encoding the cDNA of a single chain antibody directed against all VEGF-A isoforms was developed (LV-V65). The bioactivity of this vector to block VEGF was validated in a mouse model of laser-induced choroidal neovascularization mediated by VEGF upregulation. The vector was then used in the LD model. The administration of the LV-V65 contributed to the maintenance of functional photoreceptors, which was assessed by ERG recording, visual acuity measurement and histological analyses. At the RPE level, the BRB integrity was preserved as shown by the absence of albumin leakage and the maintenance of RPE cell cohesion.These results taken together indicate that the VEGF is a mediator of light induced PR degeneration process and confirm the crucial role of the balance between pro- and anti-angiogenic factors in the PR cell survival. This work also highlights the prime importance of BRB integrity and functional coupling between RPE and PR cells to maintain the PR survival. VEGF dysregulation was already shown to be involved in wet AMD forms and our study suggests that VEGF dysregulation may also occur at early stages of AMD and could thus be a potential therapeutic target for several RPE related diseases.RESUMEDans les différents tissues de l'organisme, l'angiogenèse est strictement contrôlée par une balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques. Des modifications survenant dans cette balance peuvent engendrer des conséquences pathologiques. Par exemple, concernant la rétine, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) est un facteur pro-angiogénique important. Ce facteur a été identifié comme un acteur majeur dans les néovascularisations oculaires et les processus pathologiques angiogéniques survenant dans l'oeil et responsables d'une grande variété de maladies rétiniennes. Dans la forme humide de la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), la néovascularisation choroïdienne est responsable de la perte rapide et brutale de l'acuité visuelle chez les patients affectés. Dans la rétinopathie diabétique et celle lié à la prématurité, l'émergence de néovaisseaux rétiniens est la cause de la perte de la vision. Les néovascularisations oculaires représentent la principale cause de cécité dans les pays développés. De plus, l'âge croissant de la population, la progression de la prévalence du diabète et la meilleure survie des enfants prématurés mèneront sans doute à l'augmentation de ces pathologies dans les années futures. Dans ces conditions, les thérapies anti- angiogéniques visant à inhiber le VEGF représentent une importante cible thérapeutique pour le traitement de ces pathologies.Plusieurs facteurs anti-angiogéniques ont été identifiés. Parmi eux, le facteur de l'épithélium pigmentaire (PEDF) est à la fois un facteur neuro-trophique et anti-angiogénique, et l'administration de ce facteur au niveau de la rétine dans un modèle de dégénérescence rétinienne induite par la lumière protège les photorécepteurs de la mort cellulaire. Des études antérieures basées sur l'analyse morphologique ont révélé que les modifications survenant lors de la dégénération induite suite à l'exposition à des doses toxiques de lumière représente un remarquable modèle pour l'étude des dégénérations rétiniennes suite à des lésions environnementales, à l'âge ou encore aux maladies génétiques telle que la forme atrophique avancée de la DMLA. De plus, la lumière a été identifiée comme un co-facteur impliqué dans un grand nombre de maladies rétiniennes, accélérant le processus de dégénération. L'effet protecteur du PEDF dans les rétines lésées suite à l'exposition de des doses toxiques de lumière suscite la possibilité que la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques soit impliquée non seulement dans les processus angiogéniques, mais également dans le maintient et la survie des cellules.Le but de ce projet consiste donc à évaluer l'implication de cette balance lors des processus neurodégénératifs. Pour cela, un modèle de dégénération induite par la lumière à été utilisé et caractérisé, avec un intérêt particulier pour les facteurs comme le PEDF et le VEGF contrôlant simultanément la survie des neurones et l'angiogenèse.Dans la plupart des espèces, l'exposition prolongée à une lumière intense peut provoquer des dommages au niveau des cellules photoréceptrices de l'oeil, qui peut mener à leur mort, et par conséquent à la perte de la vision. Un protocole préalablement décrit a été utilisé pour induire la dégénération rétinienne dans les souris albinos Balb/c. Les rétines ont été analysées à différents moments après la lésion par différentes techniques, aussi bien au niveau moléculaire que fonctionnel. Les résultats obtenus ont confirmé que des doses toxiques de lumière induisent la mort des photorécepteurs, mais altèrent également la voie de signalisation du VEGF, aussi bien dans la neuro-rétine que dans le reste de l'oeil, contenant l'épithélium pigmentaire (EP), et suggérant un flux de VEGF provenant de ΙΈΡ en direction de la neuro-rétine. Simultanément, il se produit une altération de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe, menant à la fuite de protéine telle que l'albumine, provenant de la choroïde et retrouvée dans les compartiments extravasculaires de la rétine, telle que dans la couche des photorécepteurs.Pour déterminer l'importance et le rôle du VEGF, un vecteur lentiviral codant pour un anticorps neutralisant dirigée contre tous les isoformes du VEGF a été développé (LV-V65). La bio-activité de ce vecteur a été testé et validée dans un modèle de laser, connu pour induire des néovascularisations choroïdiennes chez la souris suite à l'augmentation du VEGF. Ce vecteur a ensuite été utilisé dans le modèle de dégénération induite par la lumière. Les résultats des électrorétinogrammes, les mesures de l'acuité visuelle et les analyses histologiques ont montré que l'injection du LV-V65 contribue à la maintenance de photorécepteurs fonctionnels. Au niveau de l'EP, l'absence d'albumine et la maintenance des jonctions cellulaires des cellules de l'EP ont démontré que l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe est préservée suite au traitement.Par conséquent, tous les résultats obtenus indiquent que le VEGF est un médiateur important impliquée dans le processus de dégénération induit par la lumière et confirme le rôle cruciale de la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques dans la survie des photorécepteurs. Cette étude révèle également l'importance de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne et l'importance du lien fonctionnel et structurel entre l'EP et les photorécepteurs, essentiel pour la survie de ces derniers. Par ailleurs, Cette étude suggère que des dérèglements au niveau de l'équilibre du VEGF ne sont pas seulement impliqués dans la forme humide de la DMLA, comme déjà démontré dans des études antérieures, mais pourraient également contribuer et survenir dans des formes précoces de la DMLA, et par conséquent le VEGF représente une cible thérapeutique potentielle pour les maladies associées à des anomalies au niveau de l'EP.

Functional analysis of altered channel-activating protease-1 (CAP1) expression in the skin

Summary : The skin is a complex organ that protects the body against entry of pathogens and supplies a relatively dry and impermeable barrier to water loss. This barrier function is mainly provided by the epidermis, which is the outermost layer of the skin. Serine proteases are involved in skin physiology and it is known that mutations or alterations in their expression can lead to skin diseases. In order to investigate the importance of the regulated expression of CAPI/Prss8, a membrane bound serine protease expressed in the epidermis, we developed transgenic mice ectopically expressing CAPI/Prss8 in the skin. These animals exhibited a phenotype characterized by scaly skin, epidermal hypertrophy, inflammation and scratching behavior. This phenotype could be completely abolished in mice lacking the proteinase activated receptor 2 (PAR2) revealing PAR2 as a potential in vivo downstream target of CAP 1 /Prss8. We could also provide evidence of a CAP1 /Prss8 function independent of its catalytic activity. Additionally, mice ectopically expressing PAR2 in the skin developed a skin phenotype very similar to CAPI/Prss8 transgenic animals, supporting the hypothesis of PAR2 activation by CAPI/Prss8. We could furthermore demonstrate an inhibitory effect of the serine protease inhibitor nexin-I on CAPI/Prss8, since nexin-1 transgenic expression negated the skin phenotype observed in CAPI/Prss8 transgenic mice. CAP1/Prss8 and PAR2 transgenic animals, and the understanding of the interaction between CAPl/Prss8 and PAR2, can be helpful in developing potential CAPI/Prss8 and PAR2 inhibitory molecules that may be used as drugs to treat ichthyoses-like skin diseases. Résumé : La peau est un organe complexe qui protège le corps contre l'entrée des pathogènes et forme une barrière imperméable qui empêche la déshydratation. Cette fonction de barrière est surtout fournie par l'épiderme, la couche la plus superficielle de la peau. Le bon fonctionnement de cet organe est permis, entre autres, par les protéases à sérine qui sont des enzymes dont l'altération peut causer des maladies de la peau. Pour étudier l'importance de la régulation de CAP1/Prss8, une protéase à sérine exprimée au niveau de l'épiderme, des souris génétiquement modifiées, dans lesquelles CAP1/Prss8 est exprimé d'une manière ectopique dans la peau, ont été générées. Les animaux transgéniques pour CAP1/Prss8 présentent une peau squameuse, un épiderme hypertrophique, des processus inflammatoires et se grattent. Ce phénotype a pu être complètement guéri lorsque le gène de PAR2, un récepteur qui règle l'activité des cellules de l'épiderme, est inactivé chez la souris. Ceci montre que PAR2 est une cible de CAP1/Prss8 dans le système étudié. Des études expérimentales suggèrent de plus que l'effet de CAP1/Prss8 dans ce modèle ne dépend pas de son activité enzymatique. En dernière analyse, il a été démontré que l'expression transgénique de nexin-1, un inhibiteur des protéases à sérine exprimé dans la peau, a la capacité d'améliorer la peau squameuse et l'épiderme hypertrophique causés par CAP1/Prss8 transgénique. Les animaux transgéniques pour CAP1/Prss8 et PAR2, et la compréhension du mécanisme d'interaction entre eux, pourraient aider à développer et à tester des molécules inhibitrices de CAP1 /Prss8 et PARI qui pourraient alors être utilisées comme médicaments pour traiter des maladies de la peau comme les ichthyoses.

Is the Gibraltar strait a barrier to gene flow for the bat Myotis myotis (Chiroptera: Vespertilionidae)?

Because of their role in limiting gene flow, geographical barriers like mountains or seas often coincide with intraspecific genetic discontinuities. Although the Strait of Gibraltar represents such a potential barrier for both plants and animals, few studies have been conducted on its impact on gene flow. Here we test this effect on a bat species (Myotis myotis) which is apparently distributed on both sides of the strait. Six colonies of 20 Myotis myotis each were sampled in southern Spain and northern Morocco along a linear transect of 1350 km. Results based on six nuclear microsatellite loci reveal no significant population structure within regions, but a complete isolation between bats sampled on each side of the strait. Variability at 600 bp of a mitochondrial gene (cytochrome b) confirms the existence of two genetically distinct and perfectly segregating clades, which diverged several million years ago. Despite the narrowness of the Gibraltar Strait (14 km), these molecular data suggest that neither males, nor females from either region have ever reproduced on the opposite side of the strait. Comparisons of molecular divergence with bats from a closely related species (M. blythii) suggest that the North African clade is possibly a distinct taxon warranting full species rank. We provisionally refer to it as Myotis cf punicus Felten 1977, but a definitive systematic understanding of the whole Mouse-eared bat species complex awaits further genetic sampling, especially in the Eastern Mediterranean areas.

The function of a new regulator of epidermal differentiation, HOP, and pathomechanisms underlying epidermolytic hyperkeratosis

The process of epidermal differentiation involves proliferation, differentiation, migration and maturation of keratinocytes to form an impermeable barrier against water loss and outside environment. It is controlled by highly balanced regulatory machinery, involving many molecules that are still under investigation.Homeobox proteins are involved in body patterning and morphogenesis of organs and are studied as potentially good candidates to regulate this process. In the first project we investigated the role of a protein named HOP which belongs to a group of homeobox proteins. Even if HOP is a small protein almost completely composed of the homeodomain and without DNA binding capacity, it is considered as transcriptional regulator in different tissues. HOP interacts with serum response factor (SRF) and histone deacetylase type 2 (HDAC2). By microarray analysis we found that HOP expression increases in cultured human primary keratinocytes (NHK) which undergo calcium-induced differentiation. HOP protein was localized in granular layer of the epidermis of healthy individuals. Lack of HOP was demonstrated in psoriatic lesions, whereas a strong expression was demonstrated in the lesional skin of patients affected with lichen planus (LP). Since LP is characterized by hypergranulosis while psoriatic lesions by progressive lack of the granular layer, the obtained data indicated that HOP might have a potential function in granular layer of epidermis. To investigate HOP function, we inhibited its expression by using HOP specific StealthRNAi and we overexpressed HOP using lentiviral vectors in differentiating NHK. The conclusion of both experiments indicated that HOP positively regulates the expression of late differentiation markers, such as profilaggrin, loricrin and transglutaminase 1. The in vitro data were next confirmed in vivo using HOP knockout mouse model.The second part of my study involved analysis of mechanisms underlying the pathogenesis of epidermolytic hyperkeratosis (EHK). EHK is a genetic disorder characterized by erythema, skin blistering, keratinocyte hyperproliferation and hyperkeratosis. EHK is caused by mutations in keratin 1 or 10 (K1, K10) which are major structural proteins of differentiated keratinocytes and participate in the cellular scaffold formation. To investigate how the structural proteins carrying mutations alter cellular signaling, we established an in vitro model for EHK by overexpression of one of the most common K10 mutations reported so far (K10R156H), in primary human keratinocytes. In order to mimic the in vivo situation, mutated keratinocytes growing on silicone membranes were subjected to mechanical stretch. We observed strong collapse of KIF in K10R156H keratinocytes when subjected to stretch for 30 minutes. Our data demonstrated stronger activation of p38, a member of MAPK stress signaling pathways, in K10R156H when compared to control cells. We demonstrated also that K10R156H keratinocytes showed an induction of TNF-α and RANTES release in response to stretch.Taken together these studies characterize a novel regulator of epidermal differentiation - HOP and demonstrate new aspects implicated in the pathogenesis of EHK.

Casparian strip diffusion barrier in Arabidopsis is made of a lignin polymer without suberin.

Casparian strips are ring-like cell-wall modifications in the root endodermis of vascular plants. Their presence generates a paracellular barrier, analogous to animal tight junctions, that is thought to be crucial for selective nutrient uptake, exclusion of pathogens, and many other processes. Despite their importance, the chemical nature of Casparian strips has remained a matter of debate, confounding further molecular analysis. Suberin, lignin, lignin-like polymers, or both, have been claimed to make up Casparian strips. Here we show that, in Arabidopsis, suberin is produced much too late to take part in Casparian strip formation. In addition, we have generated plants devoid of any detectable suberin, which still establish functional Casparian strips. In contrast, manipulating lignin biosynthesis abrogates Casparian strip formation. Finally, monolignol feeding and lignin-specific chemical analysis indicates the presence of archetypal lignin in Casparian strips. Our findings establish the chemical nature of the primary root-diffusion barrier in Arabidopsis and enable a mechanistic dissection of the formation of Casparian strips, which are an independent way of generating tight junctions in eukaryotes.

The human epidermal differentiation complex: cornified envelope precursors, S100 proteins and the 'fused genes' family.

  The skin is essential for survival and protects our body against biological attacks, physical stress, chemical injury, water loss, ultraviolet radiation and immunological impairment. The epidermal barrier constitutes the primordial frontline of this defense established during terminal differentiation. During this complex process proliferating basal keratinocytes become suprabasally mitotically inactive and move through four epidermal layers (basal, spinous, granular and layer, stratum corneum) constantly adapting to the needs of the respective cell layer. As a result, squamous keratinocytes contain polymerized keratin intermediate filament bundles and a water-retaining matrix surrounded by the cross-linked cornified cell envelope (CE) with ceramide lipids attached on the outer surface. These cells are concomitantly insulated by intercellular lipid lamellae and hold together by corneodesmosmes. Many proteins essential for epidermal differentiation are encoded by genes clustered on chromosomal human region 1q21. These genes constitute the 'epidermal differentiation complex' (EDC), which is divided on the basis of common gene and protein structures, in three gene families: (i) CE precursors, (ii) S100A and (iii) S100 fused genes. EDC protein expression is regulated in a gene and tissue-specific manner by a pool of transcription factors. Among them, Klf4, Grhl3 and Arnt are essential, and their deletion in mice is lethal. The importance of the EDC is further reflected by human diseases: FLG mutations are the strongest risk factor for atopic dermatitis (AD) and for AD-associated asthma, and faulty CE formation caused by TG1 deficiency causes life-threatening lamellar ichthyosis. Here, we review the EDC genes and the progress in this field.

Role of the serine protease CAP1/Prss8 and its inhibitor in the skin

The skin is the largest organ of the human body and protects it from water loss and mechanical damage. This barrier function is mainly provided by the epidermis, the outermost layer of the skin. This balance is regulated by several factors, including serine proteases, serine protease inhibitors and protease target substrates, such as receptors. Any mutations or alterations in the expression of these factors can lead to skin diseases. One of the players in this skin balance is the serine protease CAP1/Prss8, whose over-expression causes ichthyosis, hyperplasia and inflammation. This phenotype can be completely restored in the absence of PAR2 (protease-activated receptor 2) (Frateschi et al., 2011). During my thesis, I demonstrated that CAP1/Prss8 induces skin disease even if its catalytic triad is mutated. Additionally, I demonstrated an inhibitory effect of the serine protease-inhibitor nexin-1 (also called serpinE2, PN-1) on CAP1/Prss8, since nexin-1 negated the effects of both catalytically active and inactive CAP1/Prss8 over-expression. Indeed, CAP1/Prss8 and nexin-1 interact in vitro, but independent of the catalytic triad of CAP1/Prss8. These results demonstrate a novel mechanism of interaction between CAP1/Prss8 and nexin-1, and indicate that the catalytic triad of CAP1/Prss8 is dispensable for nexin-1 inhibition and PAR2 activation. These observations in vivo and in vitro could be helpful to specifically target drugs to treat ichthyoses-like skin diseases, like e.g. atopic dermatitis. - La peau est l'un des organes les plus importants du corps humain au regard de sa surface et de sa masse. Ses principales fonctions sont de nous protéger contre l'entrée de pathogènes et de former une barrière imperméable qui empêche la déshydratation. Ces fonctions sont principalement assurées par l'épiderme, la couche la plus superficielle de la peau, et garanties par plusieurs "acteurs", comme par exemple les sérine-protéases, les inhibiteurs de sérine- protéases ou les protéases cibles comme les récepteurs. Toute mutation ou altération de l'un de ces "acteurs" peut aboutir au déclanchement de maladies de la peau. Pour mieux comprendre les conséquences biologiques résultant d'une altération d'expression de CAP1/Prss8, une serine-protéase normalement exprimée au niveau de l'épiderme, nous avons généré des souris transgéniques surexprimant CAP1/Prss8 au niveau de la peau. Ces dernières présentent une peau squameuse, un épiderme hypertrophique, des processus inflammatoires et des prurits conséquents. Ces symptômes disparaissent si le gène du récepteur PAR2, qui régule l'activité des cellules de l'épiderme, est inactivé. Dans le but de vérifier si le phénotype observé chez les souris CAP1/Prss8 résulte de l'action du site catalytique de CAP1/Prss8, nous avons généré des souris CAP1/Prss8 chez lesquelles nous avons muté les trois acides aminés du site catalytique en alanine. Etonnement ces souris ont développé les mêmes problèmes de peau que les souris CAP1/Prss8, démontrant que l'effet de CAP1/Prss8, dans ce modèle animal, n'est pas lié à son site catalytique. Nous avons également montré in vivo, que la sérine-protéase nexin-1 (aussi appelée SERPINE2, PN-1) est capable d'exercer un effet inhibiteur sur CAP1/Prss8 indépendamment de l'activité du site catalytique de CAP1/Prss8. De plus, nous avons remarqué in vitro que CAP1/Prss8 et nexin-1 interagissent bien que la triade catalytique de CAP1/Prss8 soit enzymatiquement inactivée. Ces observations, in vivo et in vitro, pourraient être utilisées dans l'élaboration de médicaments contenant nexin-1, pour le traitement de pathologies de la peau telles l'ichthyose et la dermatite atopique.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) in the epidermal barrier function of the skin

Abstract In humans, the skin is the largest organ of the body, covering up to 2m2 and weighing up to 4kg in an average adult. Its function is to preserve the body from external insults and also to retain water inside. This barrier function termed epidermal permeability barrier (EPB) is localized in the functional part of the skin: the epidermis. For this, evolution has built a complex structure of cells and lipids sealing the surface, the stratum corneum. The formation of this structure is finely tuned since it is not only formed once at birth, but renewed all life long. This active process gives a high plasticity and reactivity to skin, but also leads to various pathologies. ENaC is a sodium channel extensively studied in organs like kidney and lung due to its importance in regulating sodium homeostasis and fluid volume. It is composed of three subunits α, ß and r which are forming sodium selective channel through the cell membrane. Its presence in the skin has been demonstrated, but little is known about its physiological role. Previous work has shown that αENaC knockout mice displayed an abnormal epidermis, suggesting a role in differentiation processes that might be implicated in the EPB. The principal aim of this thesis has been to study the consequences for EPB function in mice deficient for αENaC by molecular and physiological means and to investigate the underlying molecular mechanisms. Here, the barrier function of αENaC knockout pups is impaired. Apparently not immediately after birth (permeability test) but 24h later, when evident water loss differences appeared compared to wildtypes. Neither the structural proteins of the epithelium nor the tights junctions showed any obvious alterations. In contrary, stratum corneum lipid disorders are most likely responsible for the barrier defect, accompanied by an impairment of skin surface acidification. To analyze in details this EPB defect, several hypotheses have been proposed: reduced sensibility to calcium which is the key activator far epidermal formation, or modification of ENaC-mediated ion fluxes/currents inside the epidermis. The cellular localization of ENaC and the action in the skin of CAPl, a positive regulator of ENaC, have been also studied in details. In summary, this study clearly demonstrates that ENaC is a key player in the EPB maintenance, because αENaC knockout pups are not able to adapt to the new environment (ex utero) as efficiently as the wildtypes, most likely due to impaired of sodium handling inside the epidermis. Résumé Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses pathologies. ENaC est un canal sodique très étudié dans le rein et le poumon pour son importance dans la régulation de l'homéostasie sodique et la régulation du volume du milieu intérieur. Il est composé de 3 sous unités, α, ß et y qui forment un pore sélectif pour le sodium dans les membranes. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris dont le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la différentiation et pourrait même être impliqué dans la barrière épithéliale. Le but de cette thèse fut l'étude de la barrière dans ces souris knockouts avec des méthodes moléculaires et physiologiques et la caractérisation des mécanismes moléculaire impliqués. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient un défaut de la barrière. Ce défaut n'est pas visible immédiatement à la naissance (test de perméabilité), mais 24h plus tard, lorsque les tests de perte d'eau transépithéliale montrent une différence évidente avec les animaux contrôles. Ni les protéines de structures ni les jonctions serrées de l'épiderme ne présentaient d'imperfections majeures. A l'inverse, les lipides de la couche cornée présentaient un problème de maturation (expliquant le phénotype de la barrière), certainement consécutif au défaut d'acidification à la surface de la peau que nous avons observé. D'autres mécanismes ont été explorées afin d'investiguer cette anomalie de la barrière, comme la réduction de sensibilité au calcium qui est le principal activateur de la formation de l'épiderme, ou la modification des flux d'ions entre les couches de l'épiderme. La localisation cellulaire d'ENaC, et l'action de son activateur CAPl ont également été étudiés en détails. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des knockouts ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme. Résumé tout public Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses maladies. ENaC est une protéine formant un canal qui permet le passage sélectif de l'ion sodium à travers la paroi des cellules. Il est très étudié dans le rein pour son importance dans la récupération du sel lors de la concentration de l'urine. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris où le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la peau et plus particulièrement la fonction de barrière de l'épiderme. Le but de cette thèse fut l'étude de la fonction de barrière dans ces souris mutantes, au niveau tissulaire et cellulaire. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient une peau plus perméable que celle des animaux contrôles, grâce à une machine mesurant la perte d'eau à travers la peau. Ce défaut n'est visible que 24h après la naissance, mais nous avons pu montrer que les animaux mutants perdaient quasiment 2 fois plus d'eau que les contrôles. Au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que ce défaut provenait d'un problème de maturation des lipides qui composent la barrière de la peau. Cette maturation est incomplète vraisemblablement à cause d'un défaut de mouvement des ions dans les couches les plus superficielles de l'épiderme, et cela à cause de l'absence du canal ENaC. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des mutants ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme.

The Individualized Genetic Barrier Predicts Treatment Response in a Large Cohort of HIV-1 Infected Patients.

The success of combination antiretroviral therapy is limited by the evolutionary escape dynamics of HIV-1. We used Isotonic Conjunctive Bayesian Networks (I-CBNs), a class of probabilistic graphical models, to describe this process. We employed partial order constraints among viral resistance mutations, which give rise to a limited set of mutational pathways, and we modeled phenotypic drug resistance as monotonically increasing along any escape pathway. Using this model, the individualized genetic barrier (IGB) to each drug is derived as the probability of the virus not acquiring additional mutations that confer resistance. Drug-specific IGBs were combined to obtain the IGB to an entire regimen, which quantifies the virus' genetic potential for developing drug resistance under combination therapy. The IGB was tested as a predictor of therapeutic outcome using between 2,185 and 2,631 treatment change episodes of subtype B infected patients from the Swiss HIV Cohort Study Database, a large observational cohort. Using logistic regression, significant univariate predictors included most of the 18 drugs and single-drug IGBs, the IGB to the entire regimen, the expert rules-based genotypic susceptibility score (GSS), several individual mutations, and the peak viral load before treatment change. In the multivariate analysis, the only genotype-derived variables that remained significantly associated with virological success were GSS and, with 10-fold stronger association, IGB to regimen. When predicting suppression of viral load below 400 cps/ml, IGB outperformed GSS and also improved GSS-containing predictors significantly, but the difference was not significant for suppression below 50 cps/ml. Thus, the IGB to regimen is a novel data-derived predictor of treatment outcome that has potential to improve the interpretation of genotypic drug resistance tests.