Assessment of human skin penetration of two irritant herbicides

Two common herbicides; isoproturon and bentazon, are strong skin irritants and cross the skin barrier easily. Assessment of percutaneous absorption of these substances is a very important step in the evaluation of any dermal or transdermal dose, especially among agricultural workers who frequently have dermal exposures during crop treatment. The aims of the study were to determine the permeation rate of human skin for both herbicides in vitro, and histologically evaluate skin damage due to irritation at different concentrations. Skin penetration was assessed using a dynamic flow-through in vitro penetration system and analysis were performed with ion trap LC-MS (acidified water: acetronitile, C18 column). Two concentrations of bentazon (75 and 150 μg/mL) and isoproturon (125 and 250 μg/mL) in saline solution were applied on excised human skin from several donors. Saline water was used as receptor fluid. Collection times were: 4, 8, and 24 hours. After the experiments, the skin was removed and examined by histopathology for apoptosis, acanthosis, acantholysis and epidermolysis. The skin permeation rate, J, was calculated from the slope of the cumulative amount permeated as a function of time. The lag time, tL, was assigned from the time-axis intercept of the extrapolation of this linearity. Our results showed that tL for bentazon and isoproturon for both concentrations tested were similar; 2, 1.5 hours, respectively. Bentazon had a lowerer J compared to isoproturon; 350, 600 ng/cm2/h, respectively. Some acanthosis was observed after 8 hours of exposure to either of the two substances. In conclusion, our in vitro experiments demonstrate that bentazon and isoproturon cross the skin barrier within 2 hours even at very low concentrations, and showed some signs of skin damage. Future tests involve concentrations found in commercial products.

The p63 target HBP1 is required for skin differentiation and stratification.

Genetic experiments established that p63 is crucial for the development and maintenance of pluristratified epithelia. In the RNA interference (RNAi) screening for targets of p63 in keratinocytes, we identified the transcription factor, High Mobility Group (HMG) box protein 1 (HBP1). HBP1 is an HMG-containing repressor transiently induced during differentiation of several cell lineages. We investigated the relationship between the two factors: using RNAi, overexpression, chromatin immunoprecipitations and transient transfections with reporter constructs, we established that HBP1 is directly repressed by p63. This was further confirmed in vivo by evaluating expression in p63 knockout mice and in transgenics expressing p63 in basal keratinocytes. Consistent with these findings, expression of HBP1 increases upon differentiation of primary keratinocytes and HaCaT cells in culture, and it is higher in the upper layers of human skin. Inactivation of HBP1 by RNAi prevents differentiation of keratinocytes and stratification of organotypic skin cultures. Finally, we analyzed the keratinocyte transcriptomes after HBP1 RNAi; in addition to repression of growth-promoting genes, unexpected activation of differentiation genes was uncovered, coexisting with repression of other genes involved in epithelial cornification. Our data indicate that suppression of HBP1 is part of the growth-promoting strategy of p63 in the lower layers of epidermis and that HBP1 temporally coordinates expression of genes involved in stratification, leading to the formation of the skin barrier.

Atopic dermatitis-like disease and associated lethal myeloproliferative disorder arise from loss of Notch signaling in the murine skin.

BACKGROUND: The Notch pathway is essential for proper epidermal differentiation during embryonic skin development. Moreover, skin specific loss of Notch signaling in the embryo results in skin barrier defects accompanied by a B-lymphoproliferative disease. However, much less is known about the consequences of loss of Notch signaling after birth. METHODOLOGY AND PRINCIPAL FINDINGS: To study the function of Notch signaling in the skin of adult mice, we made use of a series of conditional gene targeted mice that allow inactivation of several components of the Notch signaling pathway specifically in the skin. We demonstrate that skin-specific inactivation of Notch1 and Notch2 simultaneously, or RBP-J, induces the development of a severe form of atopic dermatitis (AD), characterized by acanthosis, spongiosis and hyperkeratosis, as well as a massive dermal infiltration of eosinophils and mast cells. Likewise, patients suffering from AD, but not psoriasis or lichen planus, have a marked reduction of Notch receptor expression in the skin. Loss of Notch in keratinocytes induces the production of thymic stromal lymphopoietin (TSLP), a cytokine deeply implicated in the pathogenesis of AD. The AD-like associated inflammation is accompanied by a myeloproliferative disorder (MPD) characterized by an increase in immature myeloid populations in the bone marrow and spleen. Transplantation studies revealed that the MPD is cell non-autonomous and caused by dramatic microenvironmental alterations. Genetic studies demontrated that G-CSF mediates the MPD as well as changes in the bone marrow microenvironment leading to osteopenia. SIGNIFICANCE: Our data demonstrate a critical role for Notch in repressing TSLP production in keratinocytes, thereby maintaining integrity of the skin and the hematopoietic system.

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.

Dermatite atopique de l'enfant: principes généraux de la prise en charge [Atopic dermatitis in children: general principles of management].

Atopic dermatitis is the most frequent dermatosis in childhood. Numerous studies underscored the central role of skin barrier alterations in the pathogenesis of the inflammatory skin lesions. The management of atopic dermatitis has to be multidimensional. It combines among others some daily local care and a sporadic topical anti-inflammatory treatment during the acute flare-ups. The objective of this article is to summarize, in light of the recent European guidelines, the general principles of management of atopic dermatitis, for the general practitioner.

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.

Role of ENaC in skin wound healing and phenotypic analysis of GILZ-deficient mice

In my first project, I analyzed the role of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC) in the skin during wound healing. ENaC is present in the skin and a function in keratinocyte differentiation and barrier formation has been demonstrated. Previous findings suggested, that ENaC might be implicated in keratinocyte migration, although its role in wound healing was not analyzed yet. Using skin-specific (K14-Cre) conditional ENaC knockout and overexpressing mice, I determined the wound closure kinetic and performed morphometric measurements. The time course of wound repair was not significantly different in knockouts or transgenics when compared to control mice and the morphology of the closing wound was not altered. In my second project, I studied the glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ is widely expressed and an important role has been predicted in immunity, adipogenesis and renal sodium handling. Mice were generated that constitutively lack all the functional domains of the Gilz gene. In these mice, the expression of GILZ mRNA transcripts and protein were completely abolished in all tissues tested. Surprisingly, knockout mice survived. To test whether GILZ mimicks glucocorticoid action, we studied its implication in T- and B- cell development and in a model of sepsis. We measured cytokine secretion in different inflammatory models, like in peritoneal and bone marrow-derived macrophages, in splenocytes and a model of sepsis. In all our experiments, cytokine secretion from GILZ- deficient cells was not different from controls. From 6 months onwards, knockout mice contained significantly less body fat and were lighter. Following sodium and water deprivation experiments, water and salt homeostasis was preserved. Sterility of knockout males was associated with a severe testis dysplasia, smaller seminiferous tubules, the number of Sertoli and germ cell was reduced while increased apoptosis, but not cell proliferation, was evidenced. The interstitial Leydig cell population was augmented, and higher plasma FSH and testosterone levels were found. Interestingly, the expression of the target gene Ppar2 was diminished in the testis and in the liver, but not in the skin, kidney or fat. Tsc22d1 mRNA transcript level was found to be upregulated in testis, but not in the kidney or fat tissue. In most tissue, excepted the testis, GILZ-deficient mice reveal functional redundancy amongst members of the Tsc22d family or genes involved in the same regulatory pathways. In summary, contrarily to the published in vitro data, GILZ does not play a crucial role attributed in immunology or inflammation, but we identified a novel function in spermatogenesis. -- Dans mon premier projet, j'ai analysé le rôle du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) dans la cicatrisation de la peau. ENaC est présent dans la peau et il a une fonction dans la différenciation des kératinocytes et dans la formation de la barrière. Des études suggèrent qu'ENaC pourrait être impliqué dans la migration des kératinocytes, cependant, son rôle dans la cicatrisation n'a pas encore été étudié. A l'aide de souris qui surexpriment ou qui sont knockout pour ENaC, spécifiquement dans la peau (K14-Cre), j'ai analysé le temps de clôture de la cicatrice et j'ai aussi étudié la morphologie de la plaie guérissant. Chez les souris qui surexpriment ou chez les knockouts, la vitesse de fermeture et la morphologie de la cicatrice étaient identiques aux souris contrôles. Dans mon second projet, j'ai étudié le glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ est largement exprimé et un rôle important a été prédit dans l'immunité, l'adipogénèse et le transport sodique rénal. Des souris ont été générées dont les domaines fonctionnels du gène Gilz sont éliminés. L'expression de GILZ en ARNm et protéine a été complètement abolie dans tous les tissus testés. Étonnamment, ces souris knockout survivent. Afin de tester si GILZ imite les effets des glucocorticoïdes, nous avons étudié son implication dans le développement des cellules T et B ainsi qu'un modèle de septicémie. Nous avons mesuré la sécrétion de cytokines à partir de différents modèles d'inflammation tels que des macrophages péritonéaux ou de moelle, de splénocytes ou encore d'un modèle de septicémie. Dans toutes nos expériences, la sécrétion de cytokines de cellules GILZ-déficientes était semblable. Dès 6 mois, les knockouts contenaient significativement moins de graisses et étaient plus légères. Suite à une privation sodique et aqueuse, l'homéostasie du sel et de l'eau était préservée. Les mâles knockouts présentaient une stérilité accompagnée d'une dysplasie testiculaire sévère, de tubules séminifères étaient plus petits et contenaient un nombre réduit de cellules de Sertoli et de cellules germinales. L'apoptose était augmentée dans ces cellules mais pas la prolifération cellulaire. Le nombre de cellules de Leydig était aussi plus élevé, ainsi que la FSH et la testostérone. L'expression du gène cible Pparγ2 était diminuée dans le testicule et le foie, mais pas dans la peau, le rein ou le tissu adipeux. L'ARNm de Tsc22d1 était plus exprimé dans le testicule, mais pas dans le rein ou le tissu adipeux. Dans la plupart des tissus, sauf le testicule, les souris knockouts révélaient une redondance fonctionnelle des autres membres de la famille Tsc22d ou de gènes impliqués dans les mêmes voies de régulation. En résumé, contrairement aux données in vitro, GILZ ne joue pas un rôle essentiel en immunologie, mais nous avons identifié une nouvelle fonction dans la spermatogénèse.

Opioids and the skin--where do we stand?

The common ectodermal origin of the skin and nervous systems can be expected to predict likely interactions in the adult. Over the last couple of decades much progress has been made to elucidate the nature of these interactions, which provide multidirectional controls between the centrally located brain and the peripherally located skin and immune system. The opioid system is an excellent example of such an interaction and there is growing evidence that opioid receptors (OR) and their endogenous opioid agonists are functional in different skin structures, including peripheral nerve fibres, keratinocytes, melanocytes, hair follicles and immune cells. Greater knowledge of these skin-associated opioid interactions will be important for the treatment of chronic and acute pain and pruritus. Topical treatment of the skin with opioid ligands is particularly attractive as they are active with few side effects, especially if they cannot cross the blood-brain barrier. Moreover, cutaneous activation of the opioid system (e.g. by peripheral nerves, cutaneous and immune cells, especially in inflamed and damaged skin) can influence cell differentiation and apoptosis, and thus may be important for the repair of damaged skin. While many of the pieces of this intriguing puzzle remain to be found, we attempt in this review to weave a thread around available data to discuss how the peripheral opioid system may impact on different key players in skin physiology and pathology.

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.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) in skin health, repair and disease.

Peroxisome proliferator-activated receptors, PPARalpha, PPARbeta/delta and PPARgamma, are fatty acid activated transcription factors that belong to the nuclear hormone receptor family. While they are best known as transcriptional regulators of lipid and glucose metabolism, evidence has also accumulated for their importance in skin homeostasis. The three PPAR isotypes are expressed in rodent and human skin. Various cell culture and in vivo approaches suggest that PPARalpha contributes to fetal skin development, to epidermal barrier maturation and to sebocyte activity. PPARbeta/delta regulates sebocyte differentiation, promotes hair follicle growth and has pro-differentiating effects in keratinocytes in normal and inflammatory conditions. In contrast, the role of PPARgamma appears to be rather minor in keratinocytes, whereas its activity is required for sebaceous gland differentiation. Importantly, PPARalpha and beta/delta are instrumental in skin repair after an injury, each of them playing specific roles. Due to their collective diverse functions in skin biology, PPARs represent a major research target for the understanding and treatment of many skin diseases, such as benign epidermal tumors, papillomas, acne vulgaris and psoriasis.

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.

Functions of peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) in skin homeostasis.

The peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) are ligand-activated transcription factors that belong to the nuclear hormone receptor family. Three isotypes (PPAR alpha, PPAR beta or delta, and PPAR gamma) with distinct tissue distributions and cellular functions have been found in vertebrates. All three PPAR isotypes are expressed in rodent and human skin. They were initially investigated for a possible function in the establishment of the permeability barrier in skin because of their known function in lipid metabolism in other cell types. In vitro studies using specific PPAR agonists and in vivo gene disruption approaches in mice indeed suggest an important contribution of PPAR alpha in the formation of the epidermal barrier and in sebocyte differentiation. The PPAR gamma isotype plays a role in stimulating sebocyte development and lipogenesis, but does not appear to contribute to epidermal tissue differentiation. The third isotype, PPAR beta, regulates the late stages of sebaceous cell differentiation, and is the most effective isotype in stimulating lipid production in these cells, both in rodents and in humans. In addition, PPAR beta activation has pro-differentiating effects in keratinocytes under normal and inflammatory conditions. Finally, preliminary studies also point to a potential role of PPAR in hair follicle growth and in melanocyte differentiation. By their diverse biological effects on cell proliferation and differentiation in the skin, PPAR agonists or antagonists may offer interesting opportunities for the treatment of various skin disorders characterized by inflammation, cell hyperproliferation, and aberrant differentiation.

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.

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.

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.