Role of PPARβ in keratinocyte adhesion and migration during skin wound healing

RESUME L'homéostasie du tissu cutané est assurée par des interactions étroites entre les cellules le composant et par l'équilibre entre la différenciation et la prolifération des kératinocytes devant permettre un renouvellement constant du tissu. Après une blessure, les kératinocytes environnant la zone blessée sont activés par des cytokines. Ils acquièrent alors un phénotype migratoire qui s'accompagne d'une modulation de l'activité protéolytique de la matrice extra cellulaire, d'une modulation de la dynamique du cytosquelette d'active, de la polarisation de la cellule, de l'affaiblissement des contacts entre cellules et de changements dans leurs contacts avec la matrice extra cellulaire. PPARβ est un facteur de transcription activé par les acides gras et leurs dérivés. Il appartient à la famille des récepteurs nucléaires aux hormones et son expression est avérée dans les kératinocytes des follicules pileux et dans les kératinocytes inter-folliculaires activés par la blessure cutanée. Le rôle de PPARβ dans la peau est principalement lié à son effet protecteur contre l'apoptose ainsi qu'à son implication dans l'équilibre dynamique entre la prolifération et la différentiation des kératinocytes. L'objet de ce travail fut de déterminer le rôle de PPARβ dans les processus d'adhésion et de migration des kératinocytes activés durant la régénération de l'épithélium blessé. Nous avons montré que les souris dépourvues du gène codant pour PPARβ ont de sévères imperfections affectant la morphologie de l'épithélium. Ce phénotype est corrélé à la modulation imparfaite du réseau d'active chez les souris dépourvues de PPARβ, à un défaut de localisation de l'intégrine α3 impliquée dans les complexes induisant la migration cellulaire, ainsi qu'à la modulation de l'expression d'acteurs majeurs affectant l'activité protéolytique de la matrice extra cellulaire. En conclusion, nos résultats montrent que PPARβ est impliqué dans le contrôle de la dynamique du cytosquelette d'active et la polarisation des kératinocytes activés. PPARβ étant impliqué dans l'acquisition d'un phénotype migratoire, il est légitime de se demander s'il intervient de même dans d'autres types cellulaires, par exemple dans la transition épithéliale-mésenchymateuse durant le développement, ou encore la progression de cellules tumorales. SUMMARY Highly coordinated intercellular interactions and single cell metabolism ensure cell and tissue maintenance of the skin. Healing of a skin wound involves keratinocyte activation by cytokines and growth factors. Activated keratinocytes acquire a motile phenotype that requires extracellular matrix remodeling and subsequent ligand activation through proteolytic activity, as well as cytoskeletal reorganisation induced by the release of cell-cell junctions and by the signalling relayed via integrin receptors and their cytoplasmic adaptors. PPARβ is a transcription factor activated by polyunsaturated fatty acids and fatty acid derivatives which belong to the nuclear hormone receptor superfamily. It is expressed in activated keratinocytes where it plays an essential role in protecting them from apoptosis. In addition, it plays an important function in hair follicle morphogenesis at the time of elongation, via the regulation of the balance between keratinocyte differentiation and proliferation. The aim of the present work was to determine if PPARβ is also involved in the regulation of migration and adhesion properties of keratinocytes during skin wound healing. We have shown that wounded PPARβ null mice display severe abnormalities of the keratinocyte migratory layer as shown at the histological level and using three-dimensional reconstruction. This altered migratory phenotype is correlated to altered dynamic of the actin cytoskeleton network, impaired α3 integrin localisation in migrating keratinocytes and changes in the expression of a key actor involved in extracellular matrix proteolytic activity. These results show that PPARβ is implicated in the fine tuning of the actin network organisation and the polarisation of activated keratinocytes following an epithelial wound. Whether these mechanisms are also controlled by PPARβ in other cell types during epithelial mesenchymal transition or tumour cell progression is an interesting question to rise.

Signalling pathways in skin homeostasis

SUMMARY The results presented here contribute to a better understanding of the crucial molecular relationships and signalling cues exchanged by several fundamental cell types (epidermal keratinocytes, dermal fibroblasts, immune and endothelial cells) of the skin. Importantly we provide evidence to directly implicate Wnt/ß-catenin signalling as a putative player in different cell types (keratinocytes and neutrophils) in mediation of the cutaneous inflammatory response (Fart A). Finally we highlight the importance of several molecules, specifically expressed in the hair follicle stem cell niche to the morphogenesis and homeostasis of the hair follicle (Part B). PART A Currently the body of work pertaining to Wnt signalling and immune cells largely focuses on Wnt signalling in the development of these cells. The data presented here suggests a novel mechanism in which Wnt signalling appears to modulate immune cell recruitment to the skin. Keratinocytes are major contributors to early inflammatory responses by the release of chemokines which recruit immune cells. The resultant inflammatory response is a dynamic process of sequentially infiltrating immune cells governed by a network of growth factors, chemokines and cytokines. In wild type mice the response is typified by a rapid and substantial infiltration of neutrophils followed at later time points by macrophages and Tcells. The expression of the canonical Wnt pathway activating ligand, Wnt3a, is able to induce a strong neutrophil infiltration in the dermis. This response originates in keratinocytes, as it is abrogated upon keratinocyte-specific ablation of ß-catenin. Notably, this suggests that the crucial cross talk between these resident cells and recruited immune cells is, in part, mediated by Wnt signalling. In corroboration of this role of Wnt-mediated recruitment of neutrophils, expression of the Wnt inhibitory ligand sFRPI during acute inflammation results in a dramatic 'dampening' of immune cell infiltration in particular of neutrophil chemoattraction. Importantly, an intrinsic Wnt signalling pathway is essential for neutrophil chemoattraction in response to inflammatory stimuli. There is a marked reduction of neutrophil infiltration in mice grafted with a ß-catenin deficient bone marrow upon TPA induced cutaneous inflammation. Additionally, neutrophils lacking Wnt/ß-catenin fail to respond to IFNγ, an early inflammatory cue, in vitro. In combination, these data indicate a potent function of Wnt signalling in immune cell recruitment and the modulation of the inflammatory response. PART B Tissue specific stem cells form the cellular base on which tissue homeostasis and repair of adult tissue relies. The maintenance of this stem cell pool is highly dependent on the immediate environment or niche. We have identified three genes, the fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR1), serpin protease inhibitor (serpin F1) and the haematopoietic cell phosphatase (Hcph) to be specifically expressed in a small population of stromal cells which are in close contact to bulge stem cells. These specialized stromal cells might represent an essential mesenchymal component of the skin stem cell niche and may regulate stem cell proliferation and differentiation. Multiple FGFR1 isoforms are generated through alternate transcript splicing and are able to interact with both FGFs and cell adhesion molecules. Two predominant forms of the receptor are FGFR1-α and FGFR1-ß. Expression of a dominant negative form of the alpha isoform prevents hair follicle morphogenesis altogether. Given that FGFR1-ß signals principally through the FGF ligands, this data indicates that FGF signalling is dispensable for follicle morphogenesis. Moreover the loss of follicular morphogenesis upon suggests a requirement for signalling via cell adhesion molecule association with the receptor as FGFR1 α has a greater affinity for these molecules. The expression of the second candidate niche gene serpin f1, lead to the complete ablation of hair follicle morphogenesis. The serpin f1 product, pigment-epithelial derived factor (PEDF) has potent anti-angiogenic effects. Immunohistochemical analysis using CD31, a endothelial cell marker, revealed that although these cells are present, they have are disorganised and do not form vessels. Interestingly, endothelial cells have been found to contribute to the neuronal stem cell niche and our results suggest a similar mechanism in the skin. SHP1, the Hcph gene product, is a phosphatase which acts in the haematopoetic system. Motheaten mice carrying spontaneous mutations in the Hcph gene have patchy alopecia in their skin and severe defects in their haematopoietic system. However the haematopoietic rescue of the mouse does not result in normal follicular homeostasis. Additionally, ablation of Hcph in either the dermal or keratinocyte compartments of the skin produces hair follicles with abberant morphologies. This data indicates that although SHP1 is not essential for hair follicle morphogenesis it is required in both epidermal and dermal compartments to maintain follicular morphology. RÉSUMÉ PARTIE A Jusqu'à présent, les travaux dédiés à l'étude de la voie de signalisation Wnt dans le système immunitaire se sont essentiellement concentrés sur son rôle dans le développement des cellules immunitaires. Les données présentées ici suggèrent fortement et de manière nouvelle, l'existence d'un mécanisme par lequel la voie de signalisation Wnt/ß-caténine module le recrutement de cellules immunitaires dans un tissu périphérique, la peau, et ainsi la réponse inflammatoire cutanée. La réponse inflammatoire cutanée est un processus dynamique d'infiltration séquentielle de diverses cellules immunitaires, orchestré par un réseau de facteurs de croissance, chémokines et cytokines. Les kératinocytes sont des contributeurs majeurs à la réponse inflammatoire précoce par la libération de chémokines qui permettent ensuite de recruter les cellules immunitaires. Dans des souris sauvages, la réponse est d'abord caractérisée par une infiltration rapide et substantielle de neutrophiles, suivie par celle des macrophages et des lymphocytes T. L'expression d'un ligand activateur de le voie canonique de signalisation Wnt (après injection infra-dermique de fibroblastes sur-exprimant Wnt-3a) induit une infiltration dermique très marquée de neutrophiles. De plus, la réponse est éliminée en l'absence de ß-caténine spécifiquement dans les kératinocytes, indiquant que ces cellules sont à l'origine de la réponse. De manière remarquable, ceci suggère qu'une signalisation cruciale entre ces cellules résidentes de la peau et les cellules immunitaires recrutées est, au moins en partie, médiée par la voie Wnt. Corroborant ce rôle de la voie Wnt/ß-caténine dans le recrutement des neutrophiles, l'expression d'un ligand inhibiteur de la voie (sFRP1) résulte au cours d'une inflammation aigüe en une réduction spectaculaire de l'infiltration des cellules immunitaires en général, et des neutrophiles en particulier. De manière importante, la voie de signalisation Wnt est intrinsèquement requise pour la chémoattraction des neutrophiles en réponse à un stimulus inflammatoire. En effet, suite à une inflammation cutanée induite par un ester de phorbol (TPA), une réduction notable de l'infiltration des neutrophiles est observée dans des souris préalablement greffées avec de la moelle osseuse constituée de cellules déficientes en ß-caténine. De plus, in vitro, les neutrophiles sans ß-caténine ne répondent pas à une stimulation par l'interféron γ, qui est pourtant un signal inflammatoire établi in vivo. En conclusion, nos données indiquent que la voie de signalisation Wnt/ß-caténine joue une fonction active dans le recrutement des cellules immunitaires vers un organe périphérique, la peau, ainsi que dans la modulation, à plusieurs niveaux, de la réponse inflammatoire cutanée. PARTIE B Les cellules souches tissu-spécifiques forment la base cellulaire sur laquelle repose l'homéostase et la réparation tissulaires chez l'adulte. La maintenance de ce réservoir de cellules souches est hautement dépendante de leur environnement cellulaire immédiat, encore appelé «niche des cellules souches». Dans la peau, ces cellules stromales spécialisées représentent un compartiment mésenchymateux essentiel de la niche des cellules souches en régulant leurs prolifération et différentiation. Nous avons identifié trois gènes, le «récepteur 1 àux facteurs de croissance des fibroblastes » (Fgfr1 ), l' «inhibiteur de protéase à sérine » (serpinf1 ou pedf) et la « phosphatase des cellules hématopoiétiques » (Hcph ou Ptpn6), comme spécifiquement exprimés par une petite population de cellules stromales qui sont étroitement associées aux cellules souches de la peau (localisées au niveau du bombement du follicule pileux). Pour analyser leur fonction dans ce contexte, nous avons utilisé un test de reconstitution complète de peau murine en combinaison à des. transductions géniques basées sur l'utilisation de lentivirus. Ce test repose sur le mélange de deux compartiments cellulaires, épidermique (kératinocytes) et dermique (fibroblastes), greffés sur une zone ouverte de peau du dos d'une souris pour ensemble reconstituer la peau. Des isoformes multiples de FGFR1 sont générées par épissage alternatif de transcrits et sont capables d'interagir à la fois avec les FGFs (facteurs de croissance des fibroblastes) et les molécules d'adhésion cellulaires. Les deux formes prédominantes du récepteur, FGFR1-α et FGFR1-ß, ne différent que par le «domaine ressemblant aux immunoglobulines 1 » (immunoglobulin-like 1 domain), absent de FGFR1-ß. De plus, FGFR1-ß a une affinité plus grande pour les FGFs et plus faible pour les molécules d'adhésion cellulaires telles que la Ncadhérine (connue pour activer FGFR). La sur-expression de l'une ou l'autre des formes n'empêche pas la morphogenèse folliculaire mais conduit à la formation de follicules aberrants. Toutefois, une différence phénotypique majeure est observée lorsqu'une forme «Dominant-Négatif » (DN) est exprimée dans le compartiment dermique. La sur-expression de FGFR1-ß DN conduit en effet à la formation de follicules petits et tronqués, avec des gaines épithéliales et un bulbe élargis ainsi qu'une petite papille dermique. Par contre, l'expression de FGFR1-α DN abolit complètement la morphogenèse folliculaire. Etant donné que la signalisation par FGFR1-ß est principalement dépendante des ligands FGFs, ces données indiquent que la signalisation par ceux-cì est non-nécessaire à la morphogenèse folliculaire. De plus, l'abolition du processus par la sur-expression de FGFR1-a DN suggëre une signalisation nécessaire entre le récepteur FGFR1 et une ou des molécules d'adhésion cellulaire. L'expression de notre second candidat comme gène spécifique de la niche des cellules souches de la peau, serpinf1, prévient la morphogenèse folliculaire. Seules de petites structures ressemblant à des cystes sont observées après reconstitution de la peau. De plus, dans ces transplants, aucune cellule CD34-positive (marqueur des cellules souches) n'est retrouvée associé à ces cystes. Le produit du gène serpin f1, le «facteur dérivé d'épithélium pigmentaire » (PEDF) est un puissant facteur anti-angiogénique. Nous avons donc analysé la vascularisation des transplants par immunohistochirnies utilisant CD31, un marqueur des cellules endothéliales. Nos résultats révèlent que les cellules endothéliales sont bien présentes, mais de manière désorganisée et ne formant pas de vaisseaux. De manière intéressante, les cellules endothéliales contribuent activement à la niche des cellules souches neuronales, et nos résultats suggèrent donc l'existence possible d'un mécanisme similaire dans la peau. SHP1, le produit du gène Hcph, est une phosphatase quì agit dans le système hématopoiétique. Les souris « motheaten »qui portent des mutations spontanées du gène ont une alopécie inégale au niveau de la peau et de sévères troubles du système hématopoiétique. Pour s'assurer que le phénotype observé au niveau de la peau n'est pas une conséquence d'un défaut du système hématopoiétique, nous avons transplanté des souris Hcph -/- avec de la moelle osseuse sauvage afin de restaurer la fonction de SHP 1 dans le système hématopoiétique. Toutefois, le défaut de morphologie folliculaire est maintenu. De plus, l'ablation d'Hcph dans le compartiment dermique ou épidermique d'essais de reconstitution de peau conduit à la production de follicules pileux avec des morphologies aberrantes. Ces données indiquent que SHP1 n'est pas essentiel à la morphogenèse folliculaire mais est toutefois requis à la fois dans les compartiments épidermiques et dermiques pour la maintenance de la forme du follicule.

Analyse der konditionell-induzierten Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben der adulten Maus

Smad7 ist eine inhibitorische Komponente der TGF-β- bzw. Activin-Signalweiterleitung und erfüllt eine wichtige Aufgabe bei deren Regulation. So führt eine konstitutive Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben zum Auftreten verschiedener Phänotypen, wie embryonaler bzw. perinataler Letalität, Hyperproliferation der Epidermis und Thymusatrophie. Auch die Entwicklung der T-Zellen im Thymus und epithelialer Anhangsgebilde wie z.B. von Haaren und Zähnen wird dadurch beeinträchtigt. In dieser Arbeit sollte nun in der adulten Maus der Effekt einer Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein, auf dem Cre/loxP-Prinzip beruhendes Transgensystem verwendet (K5-Smad7-tg und K14-creERT2), welches eine konditionell-induzierte Überexpression von Smad7 in epithelialen Zellen der adulten Maus erlaubte. Die so gezüchteten doppeltransgenen Tiere wiesen keine signifikanten Veränderungen gegenüber ihren wildtyp bzw. einfachtransgenen Geschwistertieren auf. Die Überexpression von Smad7 in epithelialen Geweben der adulten Maus zu einem Auftreten verschiedenster veränderter Phänotypen der Haut und deren Anhänge, sowie der Schneidezähne. Bei diesen Tieren konnte auch ein signifikanter Körpergewichtsverlust und eine Erhöhung der Mortalitätsrate beobachtet werden, welche sich im Verlauf nach erfolgter Rekombination einstellte. Weitere Analysen zeigten signifikante Veränderungen in der Haut und im Thymus. So konnte in der Haut eine Erhöhung der Proliferationsrate epidermaler Zellen, eine reduzierte Expression von Smad3 und im Thymus Veränderungen in der Gesamtzahl der lebenden T-Zellen und deren Differenzierung beobachtete werden. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Hemmung der Signalweiterleitung der TGF-β-Superfamilie, speziell von TGF-β und Activin, zu verschiedenen morphogenetischen Defekten der Haut und deren Anhänge, der Zähne und der T-Zellentwicklung im Thymus führt.

Abnormal differentiation of epidermis in transgenic mice constitutively expressing cyclooxygenase-2 in skin

In prostanoid biosynthesis, the first two steps are catalyzed by cyclooxygenases (COX). In mice and humans, deregulated expression of COX-2, but not of COX-1, is characteristic of epithelial tumors, including squamous cell carcinomas of skin. To explore the function of COX-2 in epidermis, a keratin 5 promoter was used to direct COX-2 expression to the basal cells of interfollicular epidermis and the pilosebaceous appendage of transgenic mouse skin. COX-2 overexpression in the expected locations, resulting in increased prostaglandin levels in epidermis and plasma, correlated with a pronounced skin phenotype. Heterozygous transgenic mice exhibited a reduced hair follicle density. Moreover, postnatally hair follicle morphogenesis and thinning of interfollicular dorsal epidermis were delayed. Adult transgenics showed a body-site-dependent sparse coat of greasy hair, the latter caused by sebaceous gland hyperplasia and increased epicutaneous sebum levels. In tail skin, hyperplasia of scale epidermis reflecting an increased number of viable and cornified cell layers was observed. Hyperplasia was a result of a disturbed program of epidermal differentiation rather than an increased proliferation rate, as reflected by the strong suppression of keratin 10, involucrin, and loricrin expression in suprabasal cells. Further pathological signs were loss of cell polarity, mainly of basal keratinocytes, epidermal invaginations into the dermis, and formation of horn perls. Invaginating hyperplastic lobes were surrounded by CD31-positive vessels. These results demonstrate a causal relationship between transgenic COX-2 expression in basal keratinocytes and epidermal hyperplasia as well as dysplastic features at discrete body sites.

An in vivo comparative study of sonic, desert and Indian hedgehog reveals that hedgehog pathway activity regulates epidermal stem cell homeostasis

Despite the well-characterised role of sonic hedgehog (Shh) in promoting interfollicular basal cell proliferation and hair follicle downgrowth, the role of hedgehog signalling during epidermal stem cell fate remains largely uncharacterised. In order to determine whether the three vertebrate hedgehog molecules play a role in regulating epidermal renewal we overexpressed sonic (Shh), desert (Dhh) and Indian (Ihh) hedgehog in the basal cells of mouse skin under the control of the human keratin 14 promoter. We observed no overt epidermal morphogenesis phenotype in response to Ihh overexpression, however Dhh overexpression resulted in a range of embryonic and adult skin manifestations indistinguishable from Shh overexpression. Two distinct novel phenotypes were observed amongst Shh and Dhh transgenics, one exhibiting epidermal progenitor cell hyperplasia with the other displaying a complete loss of epidermal tissue renewal indicating deregulation of stem cell activity. These data suggest that correct temporal regulation of hedgehog activity is a key factor in ensuring epidermal stem cell maintenance. In addition, we observed Shh and Dhh transgenic skin from both phenotypes developed lesions reminiscent of human basal cell carcinoma (BCC), indicating that BCCs can be generated despite the loss of much of the proliferative (basal) compartment. These data suggest the intriguing possibility that BCC can arise outside the stem cell population. Thus the elucidation of Shh (and Dhh) target gene activation in the skin will likely identify those genes responsible for increasing the proliferative potential of epidermal basal cells and the mechanisms involved in regulating epidermal stem cell fate.

Patched1 functions as a gatekeeper by promoting cell cycle progression

Mutations in the Hedgehog receptor, Patched 1 (Ptch1), have been linked to both familial and sporadic forms of basal cell carcinoma (BCC), leading to the hypothesis that loss of Ptch1 function is sufficient for tumor progression. By combining conditional knockout technology with the inducible activity of the Keratin6 promoter, we provide in vivo evidence that loss of Ptch1 function from the basal cell population of mouse skin is sufficient to induce rapid skin tumor formation, reminiscent of human BCC. Elimination of Ptch1 does not promote the nuclear translocation of beta-catenin and does not induce ectopic activation or expression of Notch pathway constituents. In the absence of Ptch1, however, a large proportion of basal cells exhibit nuclear accumulation of the cell cycle regulators cyclin D1 and B1. Collectively, our data suggest that Ptch1 likely functions as a tumor suppressor by inhibiting G(1)-S phase and G(2)-M phase cell cycle progression, and the rapid onset of tumor progression clearly indicates Ptch1 functions as a gatekeeper. In addition, we note the high frequency and rapid onset of tumors in this mouse model makes it an ideal system for testing therapeutic strategies, such as Patched pathway inhibitors.

Edar/Eda interactions regulate enamel knot formation in tooth morphogenesis.

tabby and downless mutant mice have apparently identical defects in teeth, hair and sweat glands. Recently, genes responsible for these spontaneous mutations have been identified. downless (Dl) encodes Edar, a novel member of the tumour necrosis factor (TNF) receptor family, containing the characteristic extracellular cysteine rich fold, a single transmembrane region and a death homology domain close to the C terminus. tabby (Ta) encodes ectodysplasin-A (Eda) a type II membrane protein of the TNF ligand family containing an internal collagen-like domain. As predicted by the similarity in adult mutant phenotype and the structure of the proteins, we demonstrate that Eda and Edar specifically interact in vitro. We have compared the expression pattern of Dl and Ta in mouse development, taking the tooth as our model system, and find that they are not expressed in adjacent cells as would have been expected. Teeth develop by a well recorded series of epithelial-mesenchymal interactions, similar to those in hair follicle and sweat gland development, the structures found to be defective in tabby and downless mice. We have analysed the downless mutant teeth in detail, and have traced the defect in cusp morphology back to initial defects in the structure of the tooth enamel knot at E13. Significantly, the defect is distinct from that of the tabby mutant. In the tabby mutant, there is a recognisable but small enamel knot, whereas in the downless mutant the knot is absent, but enamel knot cells are organised into a different shape, the enamel rope, showing altered expression of signalling factors (Shh, Fgf4, Bmp4 and Wnt10b). By adding a soluble form of Edar to tooth germs, we were able to mimic the tabby enamel knot phenotype, demonstrating the involvement of endogenous Eda in tooth development. We could not, however, reproduce the downless phenotype, suggesting the existence of yet another ligand or receptor, or of ligand-independent activation mechanisms for Edar. Changes in the structure of the enamel knot signalling centre in downless tooth germs provide functional data directly linking the enamel knot with tooth cusp morphogenesis. We also show that the Lef1 pathway, thought to be involved in these mutants, functions independently in a parallel pathway.

Identification of ectodysplasin target genes reveals the involvement of chemokines in hair development.

Ectodysplasin (Eda), a member of the tumor necrosis factor (Tnf) family, regulates skin appendage morphogenesis via its receptor Edar and transcription factor NF-κB. In humans, inactivating mutations in the Eda pathway components lead to hypohidrotic ectodermal dysplasia (HED), a syndrome characterized by sparse hair, tooth abnormalities, and defects in several cutaneous glands. A corresponding phenotype is observed in Eda-null mice, where failure in the initiation of the first wave of hair follicle development is a hallmark of HED pathogenesis. In an attempt to discover immediate target genes of the Eda/NF-κB pathway, we performed microarray profiling of genes differentially expressed in embryonic skin explants after a short exposure to recombinant Fc-Eda protein. Upregulated genes included components of the Wnt, fibroblast growth factor, transforming growth factor-β, Tnf, and epidermal growth factor families, indicating that Eda modulates multiple signaling pathways implicated in skin appendage development. Surprisingly, we identified two ligands of the chemokine receptor cxcR3, cxcl10 and cxcl11, as new hair-specific transcriptional targets of Eda. Deficiency in cxcR3 resulted in decreased primary hair follicle density but otherwise normal hair development, indicating that chemokine signaling influences the patterning of primary hair placodes only.

Functions of the peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) alpha and beta in skin homeostasis, epithelial repair, and morphogenesis.

The three peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR alpha, PPAR beta, and PPAR gamma) are ligand-activated transcription factors belonging to the nuclear hormone receptor superfamily. They are regarded as being sensors of physiological levels of fatty acids and fatty acid derivatives. In the adult mouse skin, they are found in hair follicle keratinocytes but not in interfollicular epidermis keratinocytes. Skin injury stimulates the expression of PPAR alpha and PPAR beta at the site of the wound. Here, we review the spatiotemporal program that triggers PPAR beta expression immediately after an injury, and then gradually represses it during epithelial repair. The opposing effects of the tumor necrosis factor-alpha and transforming growth factor-beta-1 signalling pathways on the activity of the PPAR beta promoter are the key elements of this regulation. We then compare the involvement of PPAR beta in the skin in response to an injury and during hair morphogenesis, and underscore the similarity of its action on cell survival in both situations.

Hair coloration by gene regulation: fact or fiction?

The unravelling of hair pigmentation genetics and robust delivery systems to the hair follicle (HF) will allow the development of a new class of colouring products. The challenge will be changing hair colour from inside out by safely regulating the activity of target genes through the specific delivery of synthetic/natural compounds, proteins, genes, or small RNAs.

NF-kappaB transmits Eda A1/EdaR signalling to activate Shh and cyclin D1 expression, and controls post-initiation hair placode down growth.

A novel function of NF-kappaB in the development of most ectodermal appendages, including two types of murine pelage hair follicles, was detected in a mouse model with suppressed NF-kappaB activity (c(IkappaBalphaDeltaN)). However, the developmental processes regulated by NF-kappaB in hair follicles has remained unknown. Furthermore, the similarity between the phenotypes of c(IkappaBADeltaN) mice and mice deficient in Eda A1 (tabby) or its receptor EdaR (downless) raised the issue of whether in vivo NF-kappaB regulates or is regulated by these novel TNF family members. We now demonstrate that epidermal NF-kappaB activity is first observed in placodes of primary guard hair follicles at day E14.5, and that in vivo NF-kappaB signalling is activated downstream of Eda A1 and EdaR. Importantly, ectopic signals which activate NF-kappaB can also stimulate guard hair placode formation, suggesting a crucial role for NF-kappaB in placode development. In downless and c(IkappaBalphaDeltaN) mice, placodes start to develop, but rapidly abort in the absence of EdaR/NF-kappaB signalling. We show that NF-kappaB activation is essential for induction of Shh and cyclin D1 expression and subsequent placode down growth. However, cyclin D1 induction appears to be indirectly regulated by NF-kappaB, probably via Shh and Wnt. The strongly decreased number of hair follicles observed in c(IkappaBalphaDeltaN) mice compared with tabby mice, indicates that additional signals, such as TROY, must regulate NF-kappaB activity in specific hair follicle subtypes.

The role of the c-myc gene in pigment cell development and homeostasis

Résumé La dérégulation de c-Myc est un événement fréquent de la transformation cellulaire. Une régulation positive de cette oncoprotéine a été démontrée dans divers mélanomes cutanés primaires et métastatiques et est associée à un pronostic défavorable (Grover et al., 1996; Zhuang et al., 2008). c-Myc est considéré comme une molécule centrale impliquée dans plusieurs processus de l'homéostasie cellulaire. En raison de sa contribution importante dans la progression tumorale, la fonction de c-Myc a été étudiée intensément. Cependant nous connaissons peu le rôle de ce facteur de transcription dans l'embryogenèse et dans la spécification tissulaire. Un déficit total de c-Myc pendant l'embryogenèse conduit à la mort embryonnaire avant 10.5 jours de gestation. Cette mort est causée par de multiples imperfections du développement touchant la taille de l'embryon, le coeur, le péricarde, le tube neural et les cellules sanguines (Davis et al., 1993; Trumpp et al., 2001). Récemment, il a été montré que la plupart de ces anomalies sont secondaires et résultent d'une insuffisance du placenta dans les embryons c-myc-/- (Dubois et al., 2008). Sachant que c-Myc est important dans la maintenance des lignées de la crête neurale (Wei et al., 2007), nous nous sommes intéressés au rôle de c-Myc dans le développement des cellules pigmentaires et à leur homéostasie après la naissance. Un allèle floxé de c-myc (Trumpp et al., 2001) a été utilisé pour supprimer ce gène spécifiquement dans la lignée mélanocytaire à l'aide d'une souris transgénique Tyr::Cre (Delmas et al., 2003). L'ablation des deux allèles de c-myc dans les mélanocytes des souris c-myccKO conduit au phénotype de grisonnement des poils, observé directement après la naissance et associé à une diminution du nombre de mélanocytes dans le bulbe des follicules pileux. Les cellules pigmentaires restantes expriment les marqueurs mélanogéniques (Tyr, TRP-1, Dct and MITF) et semblent être fonctionnelles puisqu'elles peuvent produire et transférer la mélanine. De plus, la capacité de prolifération des mélanocytes déficients en c-Myc dans le bulbe des follicules pileux ne semble pas être affectée chez les nouveaux-nés. Les cellules souches mélanocytaires sont présentes, mais en nombre réduit, dans le bulge des follicules pileux à la fin de la morphogenèse chez les souris c-myccKO âgées de huit jours. Ces cellules sont maintenues sans changement durant le premier cycle pileux (vérifié à l'âge de trente jours), ce qui sous-entend que la fonction de c-Myc n'est pas nécessaire pour ce processus. Ceci explique pourquoi, en supposant que des cellules souches mélanocytaires fonctionnelles sont présentes dans la peau, nous n'observons pas de dilution de couleur de la robe liée à l'âge. Cependant, la présence de ces cellules souches mélanocytaires dans la peau c-myccKO ne suffit pas à assurer une quantité normale de mélanocytes différenciés dans le bulbe des follicules pileux. Cette population de cellules pigmentaires matures est sévèrement affectée par la suppression de c-Myc, ce qui contribue amplement au phénotype de grisonnement des poils. De plus, c-Myc paraît être important pour le développement des mélanocytes. Ainsi, le nombre de mélanoblastes diminue dans les embryons c-myccKO à partir du douzième jour de gestation. A treize jours de gestation, au stade où les mélanoblastes pénètrent dans l'épiderme et prolifèrent, les mélanoblastes déficients en c-Myc ne s'adaptent pas aux signaux de prolifération et se retrouvent en nombre réduit dans l'épiderme. Finalement, nous nous sommes intéressés, au rôle de N-Myc, un homologue proche de c-Myc, dans la lignée mélanocytaire. Nos expériences ont montré que. N-Myc était superflu pour le développement et l'homéostasie des mélanocytes, une seule copie du gène c-myc étant suffisante pour maintenir une pigmentation normale de la robe des souris c-mycc-myccKO/+~N_ myccKO/KO. Cependant, le rôle essentiel de N-Myc dans la maintenance des cellules mélanocytaires précurseurs apparaît lorsque c-Myc est absent, puisque la suppression simultanée des deux Myc résulte en une perte complète de la coloration de la robe. Ceci implique la présence d'un mécanisme compensatoire entre c- et N-Myc dans la lignée mélanocytaire, avec un rôle prédominant de c-Myc. Summary Deregulation of c-Myc is known to be a common event in cellular transformation. Upregulation of this oncoprotein was shown in a variety of primary and metastatic cutaneous melanomas and has been associated with a poor prognosis (Grover et al., 1996; Zhuang et al., 2008). c-myc is seen as a central molecule involved in many aspects of cellular homeostasis. c-Myc function has been intensively studied mostly because of its significant contribution to tumour progression. However little is known on the role of this transcription factor in embryogenesis and tissue specification. Complete loss of c-Myc during embryogenesis results in embryonic death before E10.5 due to multiple developmental defects including embryonic size, heart, pericardium, neural tube and blood cells (Davis et al., 1993; Trumpp et al., 2001). Recently it was discovered that most of these abnormalities are secondary and results of placental insufficiency in c-Myc-/- embryos (Dubois et al., 2008). Here, we focused on the role of c-Myc in pigment cell development and homeostasis after birth, knowing that c-Myc is important in the maintenance of neural crest lineages (Wei et al., 2007). A floxed allele of c-Myc (Trumpp et al., 2001) was used to specifically delete this gene in the melanocyte lineage using Tyr::Cre transgenic mice (Delmas et al., 2003). Removal of both c-Myc alleles in melanocytes of c-MyccKO mouse led to the grey hair phenotype which is seen directly after birth and was associated with a decrease in the melanocyte number in the bulb of the hair follicle. The remaining population of pigment cells express melanogenic markers (Tyr, TRP-1, Dct and MITF) and seem functionally normal since they can produce and transfer melanin. Furthermore proliferation capacity of c-Myc deficient melanocytes in the bulb of hair follicle seems not to be affected in newborn animals. Melanocyte stem cells (MSCs) are present but reduced in numbers in the bulge of the hair follicle at the end of morphogenesis in 8 days old c-MyccKO mice. These cells are maintained through the first hair cycle (as verified at P30) without any further changes, suggesting that c-Myc function is not required for this process. This explains why we did not detect any agerelated coat color dilution, assuming a presence of functional MSCs in the skin. Importantly, presence of MSCs in c-MyccKO skin was not sufficient for assuring a normal number of differentiated melanocytes in the bulb of the hair follicle. This population of mature pigmented cells is severely affected upon c-myc deletion thus largely contributing to the grey hair phenotype. Moreover, c-Myc appears to be important for melanocyte development. Thus, melanoblast number is affected in c-MyccKO embryos day 12 of gestation onwards. At E13.5, when melanoblasts enter the epidermis and proliferate, c-myc deficient melanoblasts failed to adapt to proliferation signals and are therefore reduced in number in the epidermis. Finally, we addressed the role of N-Myc, a closest homologue of c-Myc, in the melanocyte lineage. In these experiments, N-Myc was dispensable for melanocyte development and homeostasis, and even one copy of the c-myc gene was sufficient to maintain normal coat color pigmentation in c-mycc-mycCKO/+ ,N-myccKO/KO mice. However the crucial role of N-Myc in maintenance of melanocyte precursor cells became apparent when c-myc is eliminated since simultaneous deletion of both Myc results in complete loss of coat color pigmentation. This suggests compensatory mechanisms between c- and N-Myc with a predominant role of c-Myc in melanocyte lineage.

Stem cells in embryonic skin development

The skin is a complex stratified organ which acts not only as a permeability barrier and defense against external agents, but also has essential thermoregulatory, sensory and metabolic functions. Due to its high versatility and activity, the skin undergoes continuous self-renewal to repair damaged tissue and replace old cells. Consequently, the skin is a reservoir for adult stem cells of different embryonic origins. Skin stem cell populations reside in the adult hair follicle, sebaceous gland, dermis and epidermis. However, the origin of most of the stem cell populations found in the adult epidermis is still unknown. Far more unknown is the embryonic origin of other stem cells that populate the other layers of this tissue. In this review we attempt to clarify the emergence, structure, markers and embryonic development of diverse populations of stem cells from the epidermis, dermis and related appendages such as the sebaceous gland and hair follicle.

The canine hair cycle - a guide for the assessment of morphological and immunohistochemical criteria

The hair follicle has a lifelong capacity to cycle through recurrent phases of controlled growth (anagen), regression (catagen) and quiescence (telogen), each associated with specific morphological changes. A comprehensive classification scheme is available for mice to distinguish the cycle stages anagen I-VI, catagen I-VIII and telogen. For dogs, such a classification system does not exist, although alopecia associated with hair cycle arrest is common. We applied analogous morphological criteria and various staining techniques to subdivide the canine hair cycle stages to the same extent as has been done in mice. Of all the staining techniques applied, haematoxylin and eosin stain, Sacpic, Masson Fontana and immunohistochemistry for vimentin and laminin proved to be most useful. To evaluate the applicability of our criteria, we investigated skin biopsies from healthy beagle dogs (n=20; biopsies from shoulder and thigh) kept in controlled conditions. From each biopsy, at least 50 hair follicles were assessed. Statistical analysis revealed that 30% of the follicles were in anagen (12% early and 18% late), 8% in catagen (2% early, 5% late and 1% not determinable) and 27% in telogen. Thirty-five per cent of hair follicles could not be assigned to a specific cycle stage because not all follicles within one biopsy were oriented perfectly. In conclusion, this guide will not only be helpful for the investigation of alopecic disorders and possibly their pathogenesis, but may also serve as a basis for research projects in which the comparison of hair cycle stages is essential, e.g. comparative analysis of gene expression patterns.

Modeling the dynamics of human hair cycles by a follicular automaton

The hair follicle cycle successively goes through the anagen, catagen, telogen, and latency phases, which correspond, respectively, to hair growth, arrest, shedding, and absence before a new anagen phase is initiated. Experimental observations collected over a period of 14 years in a group of 10 male volunteers, alopecic and nonalopecic, allowed us to determine the characteristics of scalp hair follicle cycles. On the basis of these observations, we propose a follicular automaton model to simulate the dynamics of human hair cycles. The automaton model is defined by a set of rules that govern the stochastic transitions of each follicle between the successive states anagen, telogen, and latency, and the subsequent return to anagen. The transitions occur independently for each follicle, after time intervals given stochastically by a distribution characterized by a mean and a variance. The follicular automaton model accounts both for the dynamical transitions observed in a single follicle and for the behavior of an ensemble of independently cycling follicles. Thus, the model successfully reproduces the evolution of the fractions of follicle populations in each of the three phases, which fluctuate around steady-state or slowly drifting values. We apply the follicular automaton model to the study of spatial patterns of follicular growth that result from a spatially heterogeneous distribution of parameters such as the mean duration of anagen phase. When considering that follicles die or miniaturize after going through a critical number of successive cycles, the model can reproduce the evolution to hair patterns similar to well known types of diffuse or androgenetic alopecia.