Early antibiotic administration affects the gut barrier function and the immune response to oral antigen in suckling rats

Abstract: The increasingly high hygienic standards characterizing westernized societies correlate with an increasingly high prevalence of allergic disease. Initially based on these observations, the hygiene hypothesis postulates that reduced microbial stimulation during infancy impairs the immune system development and increases the risk of allergy. Moreover, there is increasing evidence that the crosstalk existing between the intestine and the resident microbiota is crucial for gut homeostasis. In particular, bacterial colonization of the gut affects the integrity of the gut barrier and stimulates the development of the gut associated immune tissue, both phenomena being essential for the immune system to mount a controlled response to food antigens. Therefore, alterations in the microbial colonization process, by compromising the barrier homeostasis, may increase the risk of food allergy. In this context, antibiotic treatment, frequently prescribed during infancy, affects gut colonization by bacteria. However, little is known about the impact of alterations in the colonization process on the maturation of the gut barrier and on the immunological response to oral antigens. The objective of this work was to determine the impact of a commercial antibiotic preparation employed in pediatric settings on the gut barrier status at the critical period of the suckling/weaning transition and to evaluate the physiological consequences of this treatment in terms of immune response to food antigens. We established an antibiotic-treated suckling rat model relevant to the pediatric population in terms of type, dose and route of administration of the antibiotic and of changes in the patterns of microbial colonization. Oral tolerance to a novel luminal antigen (ovalbumin) was impaired when the antigen was introduced during antibiotic treatment. These results paralleled to alterations in the intestinal permeability to macromolecules and reduced intestinal expression of genes coding for the major histocomptatibility complex II molecules, which suggest a reduced capacity of antigen handling and presentation in the intestine of the antibiotic-treated animals. In addition, low luminal IgA levels and reduced intestinal expression of genes coding for antimicrobial proteins suggest that protection against pathogens was reduced under antibiotic treatment. In conclusion, we observed in suckling rats that treatment with abroad-spectrum antibiotic commonly used in pediatric practices reduced the capacity of the immune system to develop tolerance. The impact of the antibiotic treatment on the immune response to the antigen-was likely mediated by the alterations of the gut microbiota, through impairment in the mechanisms of antigen handling and presentation. This work reinforces the body of data supporting a key role of the intestinal microbiota modulating the risk of allergy development and leads us to propose that the introduction of new food antigens should be avoided during antibiotic treatment in infants. Résumé: L'augmentation du niveau d'hygiène caractérisant les sociétés occidentales semble être fortement corrélée avec l'augmentation des cas d'allergie dans ces pays. De cette observation est née l'hypothèse qu'une diminution des stimuli microbiens pendant l'enfance modifie le développement du système immunitaire augmentant ainsi le risque d'allergie. En ce sens, un nombre croissant de données indiquent que les interactions existant entre l'intestin et les bactéries résidantes sont cruciales pour l'équilibre du système. En effet, la présence de bactéries dans l'intestin affecte l'intégrité de sa fonction de barrière et stimule le développement du système immunitaire intestinal. Ces deux paramètres étant essentiels à la mise en place d'une réponse contrôlée vis à vis d'un antigène reçu oralement, toute modification du processus naturel de colonisation compromettant l'équilibre intestinal pourrait augmenter le risque d'allergie. Les traitements aux antibiotiques, fréquemment prescrits en pédiatrie, modifient de façon conséquente le processus de colonisation bactérienne. Cependant peu de données existent concernant l'impact d'une altération du processus de colonisation sur la maturation de la barrière intestinale et de la réponse immunitaire dirigée contre un antigène. L'objectif de ce travail était de déterminer l'impact d'un antibiotique commercial et employé en pédiatrie sur l'état de la barrière intestinale au moment critique du sevrage et d'évaluer les conséquences physiologiques d'un tel traitement sur la réponse immune à un antigène alimentaire. Nous avons mis en place un modèle de rats allaités, traités à l'antibiotique, le plus proche possible des pratiques pédiatriques, en terme de nature, dose et voie d'administration de l'antibiotique. Nous avons constaté que l'établissement de la tolérance orale à un nouvel antigène (l'ovalbumine) est altéré quand celui-ci est donné pour la première fois au cours du traitement antibiotique. Ces résultats coïncident avec une diminution de la perméabilité intestinale aux macromolécules, ainsi qu'avec une diminution de l'expression des gènes codant pour les molécules du complexe majeur d'histocomptatibilité de classe II, suggérant une modification de l'apprêtement et de la présentation de l'antigène au niveau intestinal chez les rats traités à l'antibiotique. De plus, un faible taux d'IgA et une diminution de l'expression des gènes codant pour des protéines antimicrobiennes, observés après l'administration d'antibiotique, laissent à penser que la protection contre un pathogène est diminuée lors d'un traitement antibiotique. En conclusion, nous avons observé qu'un traitement antibiotique à large spectre d'activité, couramment utilisé en pédiatrie, réduit la capacité d'induction de la tolérance orale chez le rat allaité. L'impact du traitement antibiotique sur la réponse immune semble induite par l'altération de la flore intestinale via son effet sur les mécanismes d'apprêtement et de présentation de l'antigène. Ce travail renforce l'ensemble des données existantes qui accorde à la flore intestinale un rôle clef dans la modulation du risque de développement d'allergie et nous amène à recommander d'éviter l'introduction d'un nouvel aliment lorsqu'un enfant est traité aux antibiotiques.

Reconstituted human polyclonal plasma-derived secretory-like IgM and IgA maintain the barrier function of epithelial cells infected with an enteropathogen.

Intravenous administration of polyclonal and monoclonal antibodies has proven to be a clinically valid approach in the treatment, or at least relief, of many acute and chronic pathologies, such as infection, immunodeficiency, and a broad range of autoimmune conditions. Plasma-derived IgG or recombinant IgG are most frequently used for intravenous or subcutaneous administration, whereas a few IgM-based products are available as well. We have established recently that secretory-like IgA and IgM can be produced upon association of plasma-derived polymeric IgA and IgM with a recombinant secretory component. As a next step toward potential future mucosal administration, we sought to unravel the mechanisms by which these secretory Igs protect epithelial cells located at the interface between the environment and the inside of the body. By using polarized epithelial Caco-2 cell monolayers and Shigella flexneri as a model enteropathogen, we found that polyspecific plasma-derived SIgA and SIgM fulfill many protective functions, including dose-dependent recognition of the antigen via formation of aggregated immune complexes, reduction of bacterial infectivity, maintenance of epithelial cell integrity, and inhibition of proinflammatory cytokine/chemokine production by epithelial cells. In this in vitro model devoid of other cellular or molecular interfering partners, IgM and secretory IgM showed stronger bacterial neutralization than secretory IgA. Together, these data suggest that mucosally delivered antibody preparations may be most effective when combining both secretory-like IgA and IgM, which, together, play a crucial role in preserving several levels of epithelial cell integrity.

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.

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 epidthelial sodium channel ENaC and its regulators in the epidermal permeability barrier function

The highly amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC is well known to be involved in controlling whole body sodium homeostasis and lung liquid clearance. ENaC expression has also been detected in the skin of amphibians and mammals. Mice lacking ENaC expression lose rapidly weight associated with an epidermal barrier defect that develops following birth. This dehydration is accompanied with a highly abnormal lipid matrix composition and an impaired skin surface acidification. This strongly suggests a role of ENaC in the maturation of barrier function rather than in the prenatal generation of the barrier, and may be as such an important modulator for skin hydration. In parallel, gene targeting experiments of regulators of ENaC activity, membrane serine proteases, also termed channel activating proteases, like CAP1/Prss8 and matriptase/MT-SP1 by themselves have been shown to be crucial for the epidermal barrier function. In our review, we mainly focus on the role of ENaC and its regulators in the skin and discuss their importance in the epidermal permeability barrier function.

Manipulating keratinocyte stem cell proliferation and differentiation using RNA interference

ABSTRACT : The epidermis, the outermost compartment of the skin, is a stratified and squamous epithelium that constantly self-renews. Keratinocytes, which represent the main epidermal population, are responsible for its cohesion and barrier function. Epidermal renewal necessitates a fine equilibrium between keratinocyte proliferation and differentiation. The keratinocyte stem cell, located in the basal cell layer, is responsible for epidermal homeostasis and regeneration during the wound healing process. The transcription factor p63 structurally belongs to the p53 superfamily. It is expressed in the basal and supra-basal cell layers of stratified epithelia and is thought to be important for the renewal or the differentiation of keratinocyte stem cells (Yang et al., 1999; Mills et al., 1999). In order to better understand its function, we established an in vitro model of p63 deficient human keratinocyte stem cells using a shp63 mediated RNA interference. Knockdown of endogenous p63 induces downregulation of cell-adhesion genes as previously described (Carroll et al., 2006). Interestingly, the replating of attached p63-knockdown keratinocytes on a feeder layer results in a loss of attachment and proliferation. They are no longer clonogenic. However, if the same population are replated in a fibrin matrix, extended fibrinolysis is reported, a common process in wound healing, suggesting that p63 regulates the fibrinolytic pathway. This result was confirmed by Q-PCR and shows that the urokinase pathway, which mediates fibrinolysis, is upregulated. Altogether, these findings suggest a mechanism in which the fine tuning of p63 expression promotes attachment or release of the keratinocyte stem cell from the basement membrane by inducing genes of adhesion and/or of fibrinolysis. This mechanism may be important for epidermal self-renewal, differentiation as well as wound healing. Its misregulation may be partly responsible for the p63 knockout phenotype. The downregulation of p63 also induces a decrease in LEKTI expression. LEKTI (lymphoepithelial Kazal-type serine protease inhibitor) is a serine protease inhibitor encoded by the Spink5 gene. It is expressed and secreted in the uppermost differentiated layers of stratified epithelia and plays a role in the desquamation process. When this gene is disrupted, humans develop the Netherton syndrome (Chavanas et al., 2000b). It is a dermatosis characterized by hair dysplasias, ichtyosiform erythroderma and impairment in epidermal barrier function promoting inflammation similarly as in psoriasis with inflammatory infiltrate in excess. TNFα (tumor necrosis factor alpha) and EDA1 (ectodysplasin A1) are two transmembraneprecursors that belong to the TNF superfamily, which is involved in immune and inflammation regulation (Smahi et al., 2002). We suggest that the secreted serine protease inhibitor LEKTI plays a role in the regulation of TNFα and EDA1 precursor cleavage and absence of LEKTI induces excess of inflammation. To investigate this hypothesis, we induced downregulation of Spink5 expression in rat keratinocyte stem cells by using a shSpink5 mediated RNA interference approach. Interestingly, expression of TNFα and EDA1 is modified after knockdown of Spink5 by Q-PCR. Moreover, downregulation of Spink5 induces loss of cohesiveness between keratinocytes and colonies adopt a scattered phenotype. Altogether, these preliminary data suggest that downregulation of LEKTI may play a role in the inflammatory response in Netherton syndrome patients, by regulating TNFα expression.

Conditioned polarized Caco-2 cell monolayers allow to discriminate for the ability of gut-derived microorganisms to modulate permeability and antigen-induced basophil degranulation.

BACKGROUND: Food allergy is a common allergic disorder--especially in early childhood. The avoidance of the allergenic food is the only available method to prevent further reactions in sensitized patients. A better understanding of the immunologic mechanisms involved in this reaction would help to develop therapeutic approaches applicable to the prevention of food allergy. OBJECTIVE: To establish a multi-cell in vitro model of sensitized intestinal epithelium that mimics the intestinal epithelial barrier to study the capacity of probiotic microorganisms to modulate permeability, translocation and immunoreactivity of ovalbumin (OVA) used as a model antigen. METHODS: Polarized Caco-2 cell monolayers were conditioned by basolateral basophils and used to examine apical to basolateral transport of OVA by ELISA. Activation of basophils with translocated OVA was measured by beta-hexosaminidase release assay. This experimental setting was used to assess how microorganisms added apically affected these parameters. Basolateral secretion of cytokine/chemokines by polarized Caco-2 cell monolayers was analysed by ELISA. RESULTS: Basophils loaded with OVA-specific IgE responded to OVA in a dose-dependent manner. OVA transported across polarized Caco-2 cell monolayers was found to trigger basolateral basophil activation. Microorganisms including lactobacilli and Escherichia coli increased transepithelial electrical resistance while promoting OVA passage capable to trigger basophil activation. Non-inflammatory levels of IL-8 and thymic stromal lymphopoietin were produced basolaterally by Caco-2 cells exposed to microorganisms. CONCLUSION: The complex model designed in here is adequate to learn about the consequence of the interaction between microorganisms and epithelial cells vis-a-vis the barrier function and antigen translocation, two parameters essential to mucosal homeostasis. It can further serve as a direct tool to search for microorganisms with anti-allergic and anti-inflammatory properties.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its positive regulator, the channel-activating protease 1 (CAP1) in skin

Summary: The mammalian epidermis is a pluristratified epithelium composed of 90% keratinocytes, and its main function is to serve as barrier for the body. The epithelial sodium channel (ENaC), formed by three homologous subunits α, β and γ is found in a variety of epithelia including epidermis. Previous studies showed that ENaC modulates different aspects of epidermal differentiation, such as synthesis of differentiation-specific proteins and lipid secretion. ENaC plays also a critical role in sodium homeostasis of renal and pulmonary epithelia, and its activity is thereby well controlled by hormones and non-hormonal factors, such as the serine protease CAP1 (channel-activating protease 1), also termed prostasin encoded by Prss8 gene. Serine proteases are proteolytic enzymes involved in numerous physiological and pathological processes in the epidermis. In order to evaluate the role of β and γENaC in epidermis, we analyzed the skin phenotype of β and γENaC null mutant (βENaC-/- and γENaC-/-) mice in comparison with the phenotype of αENaC-deficient mice. Furthermore, keratin14-specific CAP1-deficient mice (Prss8lox/Δ /K14-Cre) were generated in order to unveil the role of the serine protease CAP1 in epidermal development and function. This study reveals that the skin phenotype of βENaC and γENaC null mutant mice is less severe than the one of αENaC-deficient mice. However, all these mice present a common premature lipid secretion in the mid-granular layer of the epidermis. Further, the composition of the lipids of the stratum corneum in αENaC-deficient mice is strongly altered, suggesting that epidermal barrier function is compromised. K14-specific CAP1-deficient newborn mice are born at the expected Mendelian ratio, but die soon after birth, showing that CAP1 is required for postnatal survival. The epidermis of these mice exhibits striking malformations of the stratum corneum showing hyperkeratosis. These defects seriously affect both inward and outward epidermal barrier function, leading to rapid and fatal dehydration. As in αENaC-deficient mice, the lipid composition of the stratum corneum of K14-specific CAP1-deficient mice is disturbed. Furthermore, lack of CAP1 leads to the selective loss of filaggrin monomers, important for keratins aggregation and skin moisturization, and to an increased of aberrant profilaggrin precursors. In conclusion, both ENaC and CAP1 expression in the epidermis are crucial for keratinocyte differentiation processes and/or barrier function. Since the abnormalities in K14-specific CAP1-deficient mice resemble key features of human skin ichthyosis, in particular Harlequin ichthyosis, the study of ENaC and CAP1 mutant mice might allow new insights into mechanisms underlying skin diseases. Résumé: L'épiderme des mammifères est un épithélium pluristratifié, protégeant le corps contre les perturbations extérieures et la déshydratation. Le canal épithélial à sodium (ENaC), formé de trois sous-unités α, β et γ, est exprimé dans de nombreux épithélia, comme l'épiderme. Des études ont montré que l'absence de la sous-unité αENaC modulait différents aspects de la différenciation des kératinocytes de l'épiderme, comme la synthèse de protéines spécifiques ou la sécrétion de lipides dans la couche granulaire de l'épiderme. ENaC joue également un rôle crucial dans l'homéostasie du sodium dans les épithélia électriquement étanches, comme l'épithélium rénal ou pulmonaire. L'activité de ENaC est par conséquent finement régulée, en partie par des hormones, mais aussi par des facteurs non-hormonaux, telle que la sérine protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 >>) (nommée également prostasine et codée par le gène Prss8). Le but de ce travail a donc été d'étudier le rôle des sous-unités β et γENaC dans l'épiderme en comparaison avec celui de la sous-unité α en utilisant des souris mutantes βENaC-/- et γENaC-/-. Dans un deuxième temps, le phénotype d'une souris chez qui CAP1 a été spécifiquement invalidé dans l'épiderme (Prsslox/Δ/K14-Cre) a été analysé, dans le but de mettre en évidence le rôle de cette protéase dans l'épiderme. Comme déjà montré pour les souris αENaC-/-, la sécrétion des lipides dans la couche granulaire de l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/- est prématurée. Cependant, l'hyperplasie et l'expression anormale des protéines marqueurs de la différenciation présents chez les souris αENaC-/- n'ont pas été observés dans l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/-. La composition lipidique de la couche cornée des souris αENaC-/- est fortement altérée suggérant que la fonction de barrière de l'épiderme de ces souris est compromise. Les souris mutantes CAP1 ont quant à elles révélé des malformations sévères de leur couche cornée, affectant la fonction de barrière de leur épiderme et conduisant à la mort de ces souris par déshydratation quelques jours après leur naissance. De plus, la composition en lipides de la couche cornée ainsi que la taille des cellules cornées, les cornéocytes, de ces souris sont modifiées par rapport aux souris contrôles. L'invalidation de la protéine CAP1 dans l'épiderme conduit aussi à la perte de la filaggrine, une protéine cruciale pour l'agrégation des kératines dans la couche cornée et le maintien du niveau d'hydratation de la peau, et à l'accumulation de ses précurseurs. En conclusion, l'expression de ENaC et de CAP1 est cruciale pour la différenciation de l'épiderme et/ou sa fonction de barrière. De plus, le phénotype des souris mutantes CAP1 présente des caractéristiques qui ressemblent à celles observées dans certaines pathologies humaines cutanées, comme l'ichthyose d'Harlequin. L'étude des souris mutantes ENaC et CAP1 pourrait donc apporter de nouvelles connaissances dans les mécanismes impliqués dans l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies de la peau chez l'homme. Résumé tout public: La peau est le plus grand organe vital du corps humain. Sa fonction principale est de protéger le corps comme une barrière, contre les agressions extérieures et la déshydratation. De nombreuses maladies de la peau résultent d'une perte de fonction de cette barrière. Bien que les pathologies cutanées soient très bien décrites, leur cause génétique n'est en général pas encore connue. La souris est alors un modèle de choix pour la recherche fondamentale. En effet, grâce aux progrès récents de la science, le génome de la souris peut aujourd'hui être modifié dans le but d'étudier le rôle de nombreuses protéines. Dans différents organes, comme le rein et le poumon, le canal épithélial à sodium (ENaC), composé de trois sous-unités protéiques homologues (α, β, et γ), joue un rôle essentiel dans la réabsorption du sodium. L'activité de ENaC est régulée par de nombreux facteurs hormonaux et non-hormonaux, telle que la protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 »). L'invalidation de la sous-unité αENaC chez la souris a permis de montrer que dans la peau, le canal ENaC est impliqué dans la différenciation des cellules de l'épiderme et la croissance des poils. Durant ce travail, le phénotype des souris chez qui la protéine βENaC, γENaC ou CAP1 a été invalidée (souris mutantes), a été étudié dans le but de mieux comprendre le rôle des sous-unités du canal ENaC et de son régulateur CAP1 dans la peau. Les résultats de ce projet ont montré que les souris mutantes βENaC et γENaC présentent un épiderme anormal avec une synthèse prématurée de lipides dans la couche granulaire, suggérant l'implication de ENaC dans la fonction de barrière de la peau. De plus, quand CAP1 est invalidé de manière totale chez les souris, le développement embryonnaire est perturbé et ces souris meurent avant la naissance. CAP1 a donc été invalidé spécifiquement dans l'épiderme des souris. Ces souris mutantes « épiderme-spécifique » naissent normalement, mais meurent peu après la naissance de déshydratation. La couche superficielle de l'épiderme, appelée couche cornée, de ces souris est malformée et ne confère plus à la peau sa fonction de barrière. De plus, les composants de la couche cornée, les cellules cornées entourées de lipides, sont sévèrement altérés. Le phénotype de ces souris ressemble aux caractéristiques présentes chez les patients atteints d'ichthyoses, en particulier l'ichthyose d'Harlequin. En conclusion, le canal ENaC ainsi que son régulateur CAP1 jouent un rôle clé dans les processus de différenciation de l'épiderme et/ou de sa fonction de barrière. De plus, les souris mutantes pour CAP1 et ENaC se révéleront peut-être comme des modèles appropriés dans l'étude de l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies cutanées.

PAR2 absence completely rescues inflammation and ichthyosis caused by altered CAP1/Prss8 expression in mouse skin.

Altered serine protease activity is associated with skin disorders in humans and in mice. The serine protease channel-activating protease-1 (CAP1; also termed protease serine S1 family member 8 (Prss8)) is important for epidermal homeostasis and is thus indispensable for postnatal survival in mice, but its roles and effectors in skin pathology are poorly defined. In this paper, we report that transgenic expression in mouse skin of either CAP1/Prss8 (K14-CAP1/Prss8) or protease-activated receptor-2 (PAR2; Grhl3(PAR2/+)), one candidate downstream target, causes epidermal hyperplasia, ichthyosis and itching. K14-CAP1/Prss8 ectopic expression impairs epidermal barrier function and causes skin inflammation characterized by an increase in thymic stromal lymphopoietin levels and immune cell infiltrations. Strikingly, both gross and functional K14-CAP1/Prss8-induced phenotypes are completely negated when superimposed on a PAR2-null background, establishing PAR2 as a pivotal mediator of pathogenesis. Our data provide genetic evidence for PAR2 as a downstream effector of CAP1/Prss8 in a signalling cascade that may provide novel therapeutic targets for ichthyoses, pruritus and inflammatory skin diseases.

Essential role for Pbx1 in corneal morphogenesis.

PURPOSE: The Pbx TALE (three-amino-acid loop extension) homeodomain proteins interact with class 1 Hox proteins, which are master regulators of cell fate decisions. This study was performed to elucidate the role of the Pbx1 TALE protein in the corneal epithelium of mice. METHODS: Pbx1(f/f) mice were crossed with mice containing Cre recombinase under the control of the K14 promoter. Subsequently, the eyes of these mice were dissected and prepared for histologic or molecular analysis. RESULTS: Tissue-specific deletion of Pbx1 in the corneal epithelium of mice resulted in corneal dystrophy and clouding that was apparent in newborns and progressively worsened with age. Thickening of the cornea epithelium was accompanied by stromal infiltration with atypical basal cells, severe disorganization of stromal collagen matrix, and loss of corneal barrier function. High epithelial cell turnover was associated with perturbed expression of developmental regulators and aberrant differentiation, suggesting an important function for Pbx1 in determining corneal identity. CONCLUSIONS: These studies establish an essential role of the Pbx1 proto-oncogene in corneal morphogenesis.

The channel-activating protease CAP1/Prss8 is required for placental labyrinth maturation.

The serine protease CAP1/Prss8 is crucial for skin barrier function, lung alveolar fluid clearance and has been unveiled as diagnostic marker for specific cancer types. Here, we show that a constitutive knockout of CAP1/Prss8 leads to embryonic lethality. These embryos presented no specific defects, but it is during this period, and in particular at E13.5, that wildtype placentas show an increased expression of CAP1/Prss8, thus suggesting a placental defect in the knockout situation. The placentas of knockout embryos exhibited significantly reduced vascular development and incomplete cellular maturation. In contrary, epiblast-specific deletion of CAP1/Prss8 allowed development until birth. These CAP1/Prss8-deficient newborns presented abnormal epidermis, and died soon after birth due to impaired skin function. We thus conclude that a late placental insufficiency might be the primary cause of embryonic lethality in CAP1/Prss8 knockouts. This study highlights a novel and crucial role for CAP1/Prss8 in placental development and function.

Apoplastic diffusion barriers in Arabidopsis.

During the development of Arabidopsis and other land plants, diffusion barriers are formed in the apoplast of specialized tissues within a variety of plant organs. While the cuticle of the epidermis is the primary diffusion barrier in the shoot, the Casparian strips and suberin lamellae of the endodermis and the periderm represent the diffusion barriers in the root. Different classes of molecules contribute to the formation of extracellular diffusion barriers in an organ- and tissue-specific manner. Cutin and wax are the major components of the cuticle, lignin forms the early Casparian strip, and suberin is deposited in the stage II endodermis and the periderm. The current status of our understanding of the relationships between the chemical structure, ultrastructure and physiological functions of plant diffusion barriers is discussed. Specific aspects of the synthesis of diffusion barrier components and protocols that can be used for the assessment of barrier function and important barrier properties are also presented.

The CAP1/Prss8 catalytic triad is not involved in PAR2 activation and protease nexin-1 (PN-1) inhibition.

Serine proteases, serine protease inhibitors, and protease-activated receptors (PARs) are responsible for several human skin disorders characterized by impaired epidermal permeability barrier function, desquamation, and inflammation. In this study, we addressed the consequences of a catalytically dead serine protease on epidermal homeostasis, the activation of PAR2 and the inhibition by the serine protease inhibitor nexin-1. The catalytically inactive serine protease CAP1/Prss8, when ectopically expressed in the mouse, retained the ability to induce skin disorders as well as its catalytically active counterpart (75%, n=81). Moreover, this phenotype was completely normalized in a PAR2-null background, indicating that the effects mediated by the catalytically inactive CAP1/Prss8 depend on PAR2 (95%, n=131). Finally, nexin-1 displayed analogous inhibitory capacity on both wild-type and inactive mutant CAP1/Prss8 in vitro and in vivo (64% n=151 vs. 89% n=109, respectively), indicating that the catalytic site of CAP1/Prss8 is dispensable for nexin-1 inhibition. Our results demonstrate a novel inhibitory interaction between CAP1/Prss8 and nexin-1, opening the search for specific CAP1/Prss8 antagonists that are independent of its catalytic activity.-Crisante, G., Battista, L., Iwaszkiewicz, J., Nesca, V., Mérillat, A.-M., Sergi, C., Zoete, V., Frateschi, S., Hummler, E. The CAP1/Prss8 catalytic triad is not involved in PAR2 activation and protease nexin-1 (PN-1) inhibition.

Leukocyte-endothelial cell interaction is necessary for photodynamic therapy induced vascular permeabilization.

BACKGROUND AND OBJECTIVE: Photodynamic therapy (PDT) affects vascular barrier function and thus increases vessel permeability. This phenomenon may be exploited to facilitate targeted drug delivery and may lead to a new clinical application of photodynamic therapy. Here, we investigate the role of leukocyte recruitment for PDT-induced vascular permeabilization. STUDY DESIGN/MATERIAL AND METHODS: Fluorescein isothiocyanate dextran (FITC-D, 2,000 kDa) was injected intravenously 120 minutes after focal PDT on striated muscle in nude mice bearing dorsal skinfold chambers (Visudyne® 800 µg/kg, fluence rate 300 mW/cm2 , light dose of 200 J/cm2). Leukocyte interaction with endothelial cells was inhibited by antibodies functionally blocking adhesion molecules ("MABS-PDT" group, n = 5); control animals had PDT but no antibody injection (group "PDT", n = 7). By intravital microscopy, we monitored leukocyte rolling and sticking in real-time before, 90 and 180 minutes after PDT. The extravasation of FITC-D from striated muscle vessels into the interstitial space was determined in vivo during 45 minutes to assess treatment-induced alterations of vascular permeability. RESULTS: PDT significantly increased the recruitment of leukocytes and enhanced the leakage of FITC-D. Neutralization of adhesion molecules before PDT suppressed the rolling of leukocytes along the venular endothelium and significantly reduced the extravasation of FITC-D as compared to control animals (156 ± 27 vs. 11 ± 2 (mean ± SEM, number of WBC/30 seconds mm vessel circumference; P < 0.05) at 90 minutes after PDT and 194 ± 21 vs. 14 ± 4 at 180 minutes after PDT). In contrast, leukocyte sticking was not downregulated by the antibody treatment. CONCLUSION: Leukocyte recruitment plays an essential role in the permeability-enhancing effect of PDT.

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.