Έλλειψη της εξωκυττάριας πρωτεΐνης Fras1 στον ποντικό: το ζωϊκό μοντέλο για τη μελέτη του συνδρόμου Fraser στον άνθρωπο

Abstract

Basal lamina (Basement membrane) is a special category of extracellular matrix, discerned by electron microscopy into three zones, Lamina lucida, Lamina densa and Sub Lamina densa. This distinguishable <http://www.in.gr/dictionary/lookup.asp?Word=distinguishable> extracellular matrix underlies all external and internal epithelia, covers endothelia towards the connective tissue and surrounds nerves, muscles and fat cells. Besides the connection with the underlying mesenchyme and the structural support that provides to different tissues, many various functions have been assigned to the basement membranes. These include a physical barrier for passage of macromolecules, cells or nervoprocesses, binding and deposition of growth factors and hormones and specification of cell migration, proliferation and metabolism. Skin-basement membrane (Dermal Epidermal Junction, DEJ) separates dermis from epidermis but in the same time contributes to their adherent connection, resulting in the structural integrity of the skin. Skin-basal lamina is composed mainly of laminins 5, 6, 10 ,1, collagen IV and VII, nidogen and perlecan, that are arranged in an ordered fashion building a highly specialized ultrastructure (which is connected with dermis and basal keratinocytes). Different skin disorders in human have been associated with defects in the genes encoding some components of the basement membrane. These defects usually lead postnatally, to the loss of adherence of epidermis to dermis and subsequently to the formation of subepidermal blisters. Inactivation of the same genes in mice results in parallel symptoms. The present study is an investigation of the function of a new gene in mouse, called Fras1. The Fras1 gene encodes for a protein of 4010 amino acids, which can be subdivided in several distinct domains. During embryonic development Fras1 expression is confined to different epithelial cell layers, while Fras1 is detected extracellularly producing a linear staining pattern underlying epidermis as well as the basal surface of several epithelia. Loss of Fras1 function results in the formation of subepidermal hemorrhagic blisters as well as in unilateral or bilateral renal agenesis during mouse embryogenesis. Postnatally, homozygous Fras1 mutants exhibit fusion of the eyelids and digits, skeletal abnormalities, as well as unilateral renal agenesis or dysplasia. On the basis of the observed investigations, it is deciphered that Fras1 is involved in a structural scaffold that arranges the assembly of at least some of the macromolecules of the dermal side of skin basement membrane, affecting the dermal epidermal connection underneath the lamina densa. Therefore its absence causes, under certain circumstances, subepidermal blister formation and skin detachment underneath Lamina densa. Additionally, our data demonstrate that inactivation of Fras1 is correlated with the existing “Blebbed” mouse mutant, which have been suggested to provide a model for the human genetic disorder Fraser syndrome and that perturbations in the composition of the extracellular space underlying epithelia could account for the onset of both of the above anomalies.

Το βασικό έλασμα (βασική μεμβράνη) αποτελεί μια ειδική κατηγορία εξωκυττάριας ουσίας, η οποία διακρίνεται με ηλεκτρονική μικροσκοπία σε τρεις ζώνες, τη Lamina lucida (φωτεινός υμένας), τη Lamina densa (σκοτεινός υμένας) και τη Sub Lamina densa (ζώνη κάτω από τον σκοτεινό υμένα). Η ξεχωριστή αυτή εξωκυττάρια ουσία υπόκειται όλων των εσωτερικών ή εξωτερικών επιθηλιακών στρωμάτων, καλύπτει όλα τα ενδοθηλιακά κύτταρα προς το μέρος του συνδετικού ιστού, ενώ περιβάλει τα κύτταρα Schwann, τους μύες και τα λιπώδη κύτταρα. Γενικότερα τα βασικά ελάσματα, εκτός από το να στηρίζουν τους ιστούς και να τους συνδέουν με το υποκείμενο ή περιβάλλον μεσέγχυμα, εμποδίζουν την παθητική διέλευση μακρομορίων, κυττάρων ή νευρικών απολήξεων, δεσμεύουν και αποθηκεύουν αυξητικούς παράγοντες και ορμόνες και συμβάλλουν στην κυτταρική μετακίνηση και γενικότερα στον μεταβολισμό και στην ανάπτυξη των κυττάρων. Όσον αφορά το βασικό έλασμα της επιδερμίδας αυτό συνδέει και ταυτόχρονα διαχωρίζει τη δερμίδα από την επιδερμίδα και είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητας του δέρματος. Τα κύρια συστατικά του βασικού ελάσματος της επιδερμίδας, που είναι οι λαμινίνες 5, 6, 10 και 1, το νιδογόνο, η περλεκάνη και τα κολλαγόνα IV και VII, σχηματίζουν ένα πολύπλοκο δίκτυο αλληλεπιδρώντων μακρομορίων που συνδέεται ταυτόχρονα με τα κερατινοκύτταρα και τη δερμίδα. Μεταλλαγές σε αρκετά από τα γονίδια που κωδικοποιούν για τα παραπάνω συστατικά, προκαλούν μια σειρά δερματικών ασθενειών στον άνθρωπο, που χαρακτηρίζονται από αποκόλληση της επιδερμίδας από τη δερμίδα και από τη δημιουργία υποεπιδερμικών φουσκαλών μετά τη γέννηση. Ανάλογα συμπτώματα παρατηρούνται και στην περίπτωση της απενεργοποίησης ορισμένων από τα παραπάνω γονίδια στον ποντικό. Στην παρούσα μελέτη έγινε προσπάθεια ανίχνευσης της λειτουργίας ενός καινούργιου γονιδίου στον ποντικό, του Fras1. Το γονίδιο Fras1 βρέθηκε ότι κωδικοποιεί για μία πρωτεΐνη μεγέθους 4010 αμινοξέων, που χαρακτηρίζεται από την παρουσία διαφορετικών πρωτεϊνικών περιοχών. Κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης το Fras1 εκφράζεται από τα περισσότερα επιθηλιακά κύτταρα, ενώ η πρωτεΐνη του παρουσιάζει ένα γραμμικό πρότυπο ανίχνευσης στον εξωκυττάριο χώρο που υπόκειται τόσο της επιδερμίδας, όσο και της βασικής πλευράς των περισσότερων επιθηλίων. Η απενεργοποίηση του γονιδίου Fras1 οδήγησε στη δημιουργία υποεπιδερμικών αιμορραγικών φουσκαλών καθώς και στην μονόπλευρη ή αμφίπλευρη νεφρική αγενεσία στην περίοδο της εμβρυογένεσης. Μετά τη γέννηση τα Fras1-/- μεταλλάγματα παρουσιάζουν συγχωνεύσεις στα άκρα και στα βλέφαρα, σκελετικές ανωμαλίες και μονόπλευρη νεφρική αγενεσία ή δυσπλασία. Από τα πειράματα που έγιναν προέκυψε ότι το Fras1 συνεισφέρει στο να δημιουργηθεί το απαραίτητο δομικό ικρίωμα για την συνάθροιση, ορισμένων τουλάχιστον, συστατικών του κατώτερου στρώματος του βασικού ελάσματος της επιδερμίδας, επηρεάζοντας καθοριστικά την σύνδεση της επιδερμίδας με τη δερμίδα μετά το στρώμα της Lamina Densa. Κατά συνέπεια η απουσία του μπορεί να προκαλέσει σε ορισμένες περιπτώσεις τη δημιουργία υποεπιδερμικών φουσκαλών και την αποκόλληση του δέρματος μετά το επίπεδο της Lamina densa. Επιπρόσθετα στα πλαίσια της παρούσας διατριβής έγινε συσχετισμός της απενεργοποίησης του Fras1 με το μετάλλαγμα “Blebbed” στον ποντικό, το οποίο έχει προταθεί ότι αποτελεί μοντέλο εργασίας για το σύνδρομο Fraser στον άνθρωπο και διαπιστώθηκε ότι πιθανότατα οι αιτίες και των δύο παραπάνω ανωμαλιών οφείλονται σε διαταραχές του εξωκυττάριου χώρου που υπόκειται των επιθηλίων.