EDA | EDAR | HED | | shh

Эпидермис довольно уникален тем, что продолжает пролиферировать и дифференцироваться в течение всей жизни. Эти процессы проявляются в формировании слущивающихся чешуек и продолжающемся повторении циклов образования волосяных фолликулов. Известно множество болезней, которые нарушают развитие и дифференцировку эпидермиса и его adnexae, включая волосы, зубы, ногти и потовые железы. Открытие генетических основ этих заболеваний явилось главным источником понимания молекулярных механизмов развития и дифференцировки эпидермиса. Также целенаправленные и ткане-специфические нарушения генов у мышей, которые приводят к эпидермальным дефектам, представляют собой ценные подходы к детерминации генов, ответственных за еще не охарактеризованные болезни.

Эпидермис и ассоциированные с ним придатки, такие как волосы, когди и потовые железы, возникают из эмбриональной эктодермы. Необходимо отметить, что в начале эмбриогенеза, эктодерма дает два самостоятельных клона. Имеется собственно эктодерма, которая является источником эпидермиса для роговичного, носового, вагинального и частично ротового эпителия, и нейроэктодерма, которая дает клетки ЦНС и клетки нервного гребня. Последние развиваются в несколько типов клеток, включая меланоциты. Придатки, ассоциированные с ротовым эпителием, это зубы, которые в раннем развитии используют тот же самый генный каскад, что и формирующиеся волосы (Pispa and Thesleff, 2003). Развитие эпидермиса у мышей из эктодермы начинается на ст. E9.5, с сопутствующей индивидуализацией дермиса, с формированием одиночного слоя эпидермальных клеток, покрытых periderm, защитным простым эпителием. Начиная с E13.5 этот одиночный слой кератиноцитов развивается в многослойный эпителий с завершением образования барьера перед рождением, где-то на ст. E16.5-17, когда теряется перидерма (Рис. 1). Присутствие эпидермального барьера в это время м.б. продемонстрирована с помощью способности эмбрионов исключать окрашивание (Hardman et al., 1998). Зачатки зубов появляются на E12 в ротовой полости, тогда как зачатки потовых желез формируются на ст. E16 в эпидермисе подошв. foot pad epidermis. Относительно морфогенеза волосяных фолликулов, первые плакоды вибрисс (whisker) появляются на E12.5, тогда как плакоды волосяного покрова формируются начиная с E14.5. Необходимо отметить, что не только паттерн вибрисс формируется раньше, чем фолликул волосяного покорва, но и что имеется множество др. отличий во время морфогенеза и циклов развития. При рождении уже присутствуют ости усов (whisker), тогда как волоски шерстяного покрова еще не появились из волосяных фолликулов. Первый цикл волос шерстяного покрова собственно стартует примерно на третьей неделе постнатального развития с первой регрессионной фазы. Затем волосяные фолликулы проходят через циклы роста (anagen), инволюции (catagen) и регрессии (telogen), которые занимают примерно 20 дней в течение всей жизни мыши и где-то свыше 6 лет у людей. Эпидермис также постоянно обновляется каждые 10-12 дней у мышей (28 дней у людей), поэтому имеется необходимость замещения потерянных чешуек для поддержания барьерной функции. У людей имеются заболевания, которые затрагивают любой или все эти процессы с самого раннего момента дифференцировки эктодермы, через терминальную дифференцировку эпидермиса и циклов развития волосяных фолликулов (Рис. 1).

Diseases of development: the ectodermal dysplasias

Препаттерн (калька) (blueprint) для волосяных фолликул, потовых желез, когтей, зубов закладывается во время эмбрионального развития. Этот процесс начинается с образования утолщений в эпидермальном слое, называемых плакодами. Это осуществляется за счет реципрокной передачи сигналов между эпителиальными клетками и подлежащей мезенхимой. Природа этих сигналов хорошо изучена во время развития волос и зубов у эмбрионов мышей. У людей неспособность корректно воспроизводить или формировать паттерн этих плакод ведет к заболеваниям, обозначаемым как эктодермальные дисплазии. Классическая эктодермальная дисплазия характеризуется следующими общими симптомами: отсутствие или дисгенез зубов, волосяных фолликулов, ногтей и потных желез, в некоторых случаях ассоциированных и нейрологическими нарушениями. Открытие генов, ответственных за одно из таких заболеваний, пролило свет на молекулярные основы развития эпидермальных придатков и привлекло внимание к одному из важных сигнальных путей. Hypohidrotic ectodermal dysplasias (HED) являются классом болезней, которые вызывают у пациентов аномалии зубов, волос и потовых желез. Имеются две формы с идентичными симптомами , X сцепленная

Рис. 1. An overview of epidermal development. In mice, the development of the epidermis and hair happens simultaneously just before and just after birth. Around E9, the first signals to make a placode are transduced to the epidermis. Placodes form around E15 and the formation of a hair follicle, morphogenesis continues until day 9 post partum, at which point the hair cycle starts with the the catagen-telogen transition around 16 days post partum. During the same time, the epidermis forms into an impermeable barrier from a single layer of cells around E9. An intact epidermis is formed, complete with cornified layer just prior to birth. The diseases which show their first effects at particular time points are shown in blue. DC, dermal condensate; DP, dermal papilla.

(MIM:305100) и аутосомно рецессивная (MIM:224900). Обе формы характеризуются сухой кожей, отсутствием потовых желез, гиподонтией и редкими волосами на теле и голове. Идентифицированы мутации генов, ответственные за некоторые формы. Ectodysplasin I (EDA1), ген, который мутантен при X-сцепленной HED, кодирует в 45 kDa трансмембранный белок и является членом семейства факторов некроза опухолей (Kere et al., 1996; Elomaa et al., 2001). С-терминальная область имеет характерный death домен и collagen-подобный домен, это указывает на то, что EDA1 м. тримеризоваться (trimerise). Также внеклеточный домен белка м.б. отщеплен в 20 kDa растворимую форму (Elomaa et al., 2001). Мышиный гомолог этого гена мутанте у мушей tabby (Srivastava et al., 1997). Ген, ответственный за аутосомно рецессивную форму, является рецептором для EDA (EDAr), это человеческий гомолог мутантного гена мышей downless и как таковой является предположительно членом семейства рецепторов факторов некроза опухолей (Headon and Overbeek, 1999). Аналогично HED, фенотип мышей tabby и downless идентичен, оба аутосомно рецессивны с отсутствием волос за ушами и на хвосте, вместе с аномалиями зубов и отсутствием потовых желез. Получены доказательства взаимодействия путей Edar/Eda и the NFкB/IкB. Хотя NFкB нулевые мыши являются эмбриональными леталями, нулевые мыши по IKKα (субъединице IкB) погибают перинатально и обнаруживают тяжелые аномалии эпидермальной дифференцировки и образования придатков (Hu et al., 1999). Установлено, что мыши, экспрессирующие супер репрессор NFкB, имеют идентичный фенотип с tabby и downless мышами (Schmidt-Ullrich et al ., 2001). Фактически, нарушение передачи сигналов NFкB ведет к HED с иммунодефицитом (Doffinger et al., 2001).

Кроме того, важный член семейства p53, p63, будучи в нокауте у мышей, продуцирует очень сходный фенотип с IKKα нокаутом (Mills et al., 1999; Yang et al., 1999), так гетерозиготные мутации зародышевой линии в домене связывания ДНК p63 были выявлены при заболевании EEC (ectrodactyly, ectodermal dysplasia and cleft lip/palate; MIM: 604292). Мутации в p63 выявляются также при Hay Wells Syndrome или AEC (ankyloblepharon-ectodermal dysplasia-clefting) (MIM: 106260) (Celli et al., 1999, McGrath et al ., 2001). Последний кусок этой головоломки согласуется с недавним открытием гена, кодируемого локусом crinkled. Продукт гена crinkled назван Edaradd (Edar-associated death domain). Миссенс мутация в гомологе crinkled человека, EDARADD была открыта в семье с HED (Headon et al., 2001). Предполагается, что Edaradd соединяется с death доменом, присутствующим в EdaR и соединяет Eda и EdaR с нижестоящим комплексом NFkB/IKK (Рис. 2). EdaR и Eda находятся на вершине генетической иерархии, которая обеспечивает пространсвенное расположение и развитие плакод. У downless и tabby мышей 50% типов волсяных фоликулов отсутствует, а именно zigzag и guard волоски, указывая тем самым, что генные продукты tabby и downless являются критическими для развития плакод, которые продуцируют волосяные фолликулы этого типа. Однако, этот путь менее важен для развития вибрисс, шиловидных или tylotrich волосков. Мыши, нулевые по транскрипционному фактору Lef1, лишены усов, зубов и волос, а также др. органов, индуцируемых с помощью мезенхимно-эпителиальных взаимодействий, что подчеркивает его чрезвычайную важность для развития эпидермальных придатков (Van Genderen et al., 1994). Однако, соответствующее нарушение у людей с мутациями LEF1 ещё не выявлено. Общепринято, что присутствие растворимого Eda м. трансдуцировать первичный "make a placode" сигнал посредством NFкB/IкB сигнального пути, который модулируется с помощью нижестоящих сигналов от bone morphogenetic proteins, βcatenin пути и др. растворимых эффекторов, таких как sonic hedgehog. Понимание молекулярных основ эктодермальных дисплазий хотя и далеко продвинулось с помощью этих работ, но всё ещё далеко от завершения. Более 150 заболеваний у людей обозначаются как эктодермальные дисплазии, тогда как клонировано очень мало отвечающих генов. Однако, определенные семейства генов, ответственные за др. эктодермальные дисплазии, были идентифицированы. Trichothiodystrophy (MIM:601675) является аутосомно рецессивным заболеванием, при котором волоски ломкие из-за снижения содержания серы в остях волос. Имеется ассоциированная чувствительность к свету, а также нейрологические дефекты, обусловленные мутациями в helicases ERCC2 и ERCC3 (Weeda et al., 1997), которые также являются мутантными при xeroderma pigmentosa groups B и D, а также при синдроме Cockayne. Tricho-dento-osseus syndrome (MIM:190320) является заболеванием, при котором имеется также повышенная плотность кости в черепе и длинных костях, а также дефекты волос и зубов, возникающие в результате мутаций в гомоедоменовом транскрипционном факторе DLX3 (Price et al., 1998). Наконец,

Рис. 2. A pathway to hypohidrotic ectodermal dysplasia. In the mouse, there are three loci which when mutated give rise to the tabby phenotype. In humans there are at least five diseases which lead to HED-like symptoms. All these genes are part of the ectodysplasin (EDA) pathway. EDA is expressed in response to LEF1/в catenin and is expressed on the surface of cells. The extracellular domain can be proteolytically cleaved to produce a soluble signalling molecule which binds to the ectodysplasin receptor (EDAR). EDAR interacts with the NFкB signalling complex via the EDARADD (crinkled) protein. Downstream signalling by NFкB, IкB and p63 leads to the expression of genes specific for the epidermis, hair, teeth and nails. Grey arrows indicate mouse mutations (italics) or human genetic diseases associated with the gene. AEC, ankyloblepharon-ectodermal dysplasia clefting syndrome; EEC, ectrodactyly-ectodermal dysplasia-cleft lip/palate; HED, hypohidrotic ectordermal dysplasia.

dyskeratosis congenita, X-linked (MIM:305000), рецессивное заболевание, при котором пациенты обнаруживают тяжелые изменения в коже и эпидермальных придатках, а также leukoplakia слизистой, желудочно-кишечные повреждения и дефекты костного мозга, обусловливаются мутациями в гене, кодирующем ядерный белок DKC1, важный для консервации теломер (Heiss et al., 1998). Эти заболевания иллюстрируют, что не только мутации в генах, важных для развития, ведут к эктодермальной дисплазии, но и что гены, важные для репарации ДНК, в мутантном состоянии вызывают дефекты тканей с высокой скоростью метаболизма и пролиферативной способностью, продуцируют симптомы, сходные с таковыми при эктодермальных дисплазиях. Поэтому важно разбить по категориям нарушения у людей, которые вызывают онтогенетические дефекты от тех. что вызывают эпидермальные дефекты во взрослом эпидермисе. Два таких перекрещивающихся заболевания это fragile skin disorder (MIM:604536) и Papillon-Lefevre syndrome (MIM:245000). Оба характеризуются классической дермальная дисплазия и ранимость кожи. Пациенты с Papillon-Lefevre имеют большинство признаков, характерных для классической эктодермальной дисплазии, с гипотрихозом, ломкостью ногтей и периодонтитами, ассоциированными с ранней потерей зубов. Не отмечено аномалий потовых желез при этой болезни. Однако, имеется заметный plantar hyperkeratosis, который отличает его от классической эктодермальной дисплазии. Пациенты с этим заболеванием имеют мутации в лизосомной протеазе cathepsin C (Toomes et al., 1999). Функция cathepsin C в дермисе неясна, однако, он играет роль в удалении дипептидов из белков во время деградации и судя по гиперкератозу, он м. играть роль в процессинге кератина, а также и в др. важных процессах, связанных с деградацией белков во время развития.

Attempting to make hair: the hedgehog pathway

Кожа наиболее подвержена внешнесредовым влияниям. В результате соматические мутации накапливаются в эпидермисе гораздо чаще, чем в др. регионах тела. Известно, что мутации генов, участвующих в репарации ДНК, м. приводить к предрасположенности кожи к раку, классическим примером является xeroderma pigmentosum (Cleaver et al., 1999) В 1996 было установлено, что один частный синдром предрасположенности кожи к раку действительно является онтогенетическим нарушением. Gorlin syndrome (Naevoid Basal Cell Carcinoma Syndrome - NBCCS, MIM:109400) является нарушением, которое предрасполагает к образованию карцином базальных клеток, т.е. опухолей, возникающих из самого нижнего слоя эпидермиса. Это проявляется в виде множественных базально-клеточных карцином, ладонно-подошвенных ямок, указывающих на неправильную экспрессию keratin, а также на онтогенетические нарушения, включая, но не ограничиваясь расщеплением ребер и кистами челюстей. Ген, мутантный при этом аутосомно доминантном нарушении, является человеческим гомологом гена Drosophila сегментной полярности patched (Hahn et al., 1996; Johnson et al., 1996), частью сигнального пути hedgehog (Рис. 3). Мутации не только в супрессоре опухолей PATCHED, но и также в HSMO (человеческом гомологе Drosophila smoothened) ассоциированы с базально-клеточной карциномой (Gailiani et al., 1996; Reifenburger et al., 1998), также как и избыточная экспрессия белка GLI1 (Ghali et al ., 1999). Хотя мутации в SHH не обнаруживаются в спонтанных базально-клеточных карциномах, спектр мутаций зародышевой линии вызывает holoprosencephely, также как и феномен single incisors, указывающий на дефекты в формировании паттерна (Belloni et al ., 1996, Nanni et al., 1999, Nanni et al ., 2001, Onioli et al., 2001). Мышиные модели, экспрессирующие Shh или Gli1 в базальном слое эпидермиса мышей или экспрессирующие мутантную форму Smoothened, имеют признаки образования базально-клеточных карцином (Oro et al.,1997; Reifenburger et al ., 1998; Nilsson et al., 2000) и что более важно их образование не зависит ни от мутаций онкогена Ras, ни опухолевого супрессора p53.

Какова же функция пути hedgehog во время развития? У мышей Patched и Shh экспрессируются в зачатках волос и развивающихся волосяных фолликулах в эпителии, соседствующем с дермальными сосочками, а также во время нового цикла образования волосяных фолликулов, когда Shh периодически экспрессируется в пролиферирующих клетках матрикса. Опухоли, такие как BCCs, также предпринимают попытки продуцировать волосяные фолликулы de-novo у взрослых, процесс, впервые постулированный Pinkus более 40 лет тому назад (Pinkus, 1959). Значение Shh в циклах образования новых волос подчеркивается эктопической экспрессией Shh в мышином эпидермисе, при использовании аденовирусов, ведущих к преждевременной инициации anagen в telogen волосах. Интересно, что эктопическая экспрессия Shh во время anagen ведет к преждевременной остановке роста волос (Sato et al., 1999). Обработка антителами эмбрионов показала, что ингибирование функции Shh предупреждает морфогенез волосяных фолликулов за пределами стадии зачатков волос, непосредственно после формирования плакоды при этом выживающие потомки не имеют видимых волос (Wang et al ., 2000).

Классическая эктодермальная дисплазия, также как и нарушение с фрагильностью кожи и синдром Gorlin вносят существенный вклад в область эпидермального развития, т.к. они позволяют оценить последовательность сигнальных каскадов, которые продуцируют зрелые волосяные фолликулы. Так дальше всего вверх на этому пути являются Eda и Edar, мутации обоих генов ведут к эктодермальной дисплазии и они существенны для правильного формирования плакод. Следующей сигнальной системой является βcatenin (из которой Plakophilin-1 является важной частью), она делает возможной дальнейшее развитие плакоды в зачаток волоса. Передача сигналов Shh необходима затем для морфогенеза волосяного фолликула после образования зачатка волоса.

Diseases of epidermal differentiation: keratins and the cornified envelope

Эпидермис между фолликулами м.б. подразделен на три основных компартмента. Базальный эпидермис, где осуществляется пролиферация, супрабазальный эпидермис, содержащий постмитотические кератиноциты, предназначенные дифференцироваться, и слущивающийся слой, где продуцируются дифференцированные чешуйки. Во время этой дифференцировки осуществляются тонко регулируемые программы генной экспрессии, одним из наиболее изученных примеров является изменение в экспрессии кератинов с базального на супрабазальные слои. Кератиноциты продуцируют большие количества кератина для промежуточных филамент, что придает кератиноциам их характерную крепость. У людей известные наследственные нарушения, которые меняют правильное формирование кератиновых филамент. Мутации в базальных keratins 5 и 14 ведут к аутосомно доминантному заболеванию epidermolysis bullosa simplex (Coulombe et al., 1991, MIM:131760), при котором эпидермис покрывается волдырями при минимальных травмах из-за дегенерации и разрыва базальных кератиноцитов. Мутации в супрабазальном кератине, keratin 10, вызывают заболевание, epidermolytic hyperkeratosis, который характеризуется сходной дегенерацией и образованием волдырей, но супрабазальном слое эпидермиса (Rothnagel et al., 1992, MIM: 600648), Мутации ладонно-подошвенного кератина 9, дают тот же самый фенотип, но ограниченный ладонями и подошвами (MIM: 144200, Rothnagel et al., 1995). Трансгенные мышиные модели, у которых экспрессируется человеческий мутантный кератин на том же самом уровне что и кератин дикого типа, и продуцируется фенотип, аналогичный тому, что наблюдается при наследственных заболеваниях (Fuchs et al., 1992; Cao et al ., 2001). Почти во всех случаях мутаций кератинов, мутации интерферируют с областью, где необходимы кератиновые мономеры для собственно сборки промежуточных филамент. Мутации в др. кератинах обусловливают заболевания, которые имеют больше общего с эктодермальной дисплазией, чем с эпидермолизом. Мутации супрабазальных кератинов 6 и 16 обусловливают нарушение, известное как pachyonychia congenita (PC1, MIM: 167200), при которой имеются тяжелые дефекты ногтей, также как и ладонно-подолвенный гиперкератоз, фолликулярный гиперкератоз и ротовые leukoplakia (McLean et

Рис. 3. The mammalian hedgehog pathway. Smoothened (SMO) can only signal to the protein complex containing Gli 1 when Sonic Hedgehog (SHH) is bound to Patched (PTCH). Under this circumstances, Gli 1 is translocated into the nucleus where it transcribes genes including PTCH which are responsible for the progression of the morphogenesis of the hair follicle, or when ectopically activated, causes the formation of a basal cell carcinoma.

al ., 1995). Мутации в кератине 17 вызывают сходное нарушение (PC2, MIM: 167210), но без лейкоплакий, но с присутствием зубов у новорожденных и кожных кист (McLean et al ., 1995). Чтобы еще больше усложнить вопрос и подчеркнуть гетерогенность, которая возникает у людей с кератиновыми заболеваниями мутации в keratin 17 м. также вызывать болезнь сальных кист, называемую steatocystoma multiplex (MIM: 184500). В некоторых случаях это два разных заболевания м.б. обусловлены одной и той же мутацией (Covello et al ., 1998). Мутации кератина 16 также м. вызывать focal non-epidermolytic palmoplantar keratoderma (MIM: 600962) (Shamsher et al., 1995). Конечной точкой эпидермальной дифференцировки является чешуйка, продукция которой тонко контролируется в гранулярном и слущивающемся слоях. Мутации в генах, необходимых для формирования чешуек, ведут к болезням недостаточности барьерной функции, известным как ichthyoses. Классический ихтиоз и первый для которого была описана мутация, был lamellar ichthyosis (MIM: 242300). При данном заболевании пациенты страдают от тяжелого кожного недуга, при котором образуются крупные чешуйки (отсюда название), ассоциированные с различной степенью покраснения. Болезнь обусловливается мутациями в гене transglutaminase (TG-1) кератиноцитов (Russell et al ., 1995). Этот ген существенен для образования чешуек, т.к. он делает возможным поперечное связывание различных поддерживающих белков слущивающейся оболочки с плазматической мембраной. Мыши, нокаутные по Tg-1 имеют сходный фенотип с покраснением, чешуйками и быстрым наступлением после рождения значительной транс-эпидермальной потери воды (trans-epidermal water loss (TEWL)) и гибели новорожденных (Matsuki et al ., 1998). Фактически имеются и др. нокаутные и трансгенные мыши, которые имеют TEWL , а затронутые гены почти всегда играют роль в поддержании барьерной функции. Естественно возникшая мутация у мышей, рецессивная flaky tail, имеет фенотип, сходный с симптомами др. из таких болезней, ichthyosis vulgaris (MIM: 146700). Мыши имеют крупные чешуйки на подушках лап и хвосте, заметно пониженное количество клеток в гранулярном слое, а также акантоз и orthokeratotic hyperkeratosis, проникающие внутрь проекции эпидермиса с гиперпролиферацией эпидермиса, однако с нормальной экспрессией кератинов. Такие мыши имеют пониженные количества зрелого filaggrin и повышенные количества незрелого filaggrin, которые не способны подвергаться процессингу, чтобы продуцировать keratohyalin гранулы, важное составляющее при формировании чешуек (Presland et al ., 2000). Мыши flaky tail кроме того обладают и др. признаками - сужениями хвоста и подушек конечностей - это является одной из основных характеристик др. аутосомно доминантного наследственного нарушения у людей, Vohwinkels syndrome, обе классические формы характеризуются глухотой (MIM: 124500) или variant form (MIM:604117). Vohwinkels syndrome является др. формой генерализованного ихтиоза. Часто обнаруживаются аутоампутации пальцев в результате перетязек в суставах пальцев рук и ног, называемых pseudoainhum. Мутации по cornified оболочечному белку loricrin ответственны за variant форму синдрома Vohwinkles (Maestrini et al., 1996), тогда как мутации connexin 26, кодирующего белок щелевых соединений, ответственны за классический синдром Vohwinkels (Maestrini et al ., 1999). Мутации в loricrin ассоциируют также в целом с идентичным заболеванием progressive symmetric erythrokeratoderma (MIM:602036). Исследование с использованием трансгенных мышей, экспрессирующих эту мутантную форму loricrin, показало, что такие мыши имеют фенотип, очень сходный с обоими заболеваниями. Мутантный ген имеет сдвиг рамки считывания, что позволяет транслироваться др. 22 аминокислотам, которые, по-видимому, кодируют сигнал ядерной локализации. Мутантный loricrin накапливается в ядре и поэтому не откладывается в cornified оболочке (Suga et al., 2000). Спаривание нокаутных с трансгенными мышами вызывает усиление тяжести фенотипа. Мутантный loricrin, по-видимому, оказывает доминантный негативнцй эффект, который является дозово-зависимым и предупреждает собственно образование безъядерных чешуек. Кератины также, по-видимому, играют роль в ichthyosiform заболеваниях. Как уже упоминалось, все др. генодерматозы с участием мутаций в кератинах обусловлены мутациями в начале и конце палочковидной области белка, важного собственно для сборки кератиновых филамент. Однако, новая мутация в вариабельной хвостовой области кератина 1, по-видимому, обусловливает тяжелый гиперкератоз, названный ichthyosis hystrix Curth-Macklin (MIM:146590). Эта мутация кератина нарушает способность loricrin транслоцироваться в десмосомы при подготовке к сборке cornified оболочек (Sprecher et al., 2001). Кератин 2e экспрессируется позднее в дифференцировке кератиноцитов. Спектр различных мутаций вызывает и др. ichthyosiform заболевание, ichthyosis bullosa of Siemens (Rothnagel et al., 1994, Kremer et al., 1994).

The desmosome and diseases of epidermal integrity

Эпидермис находится под воздействием значительных стрессов, как внешних, так и механических. Чтобы защитится от повреждений кератиноциты соединяются с помощью обширной сети межклеточных взаимодействий, называемых десмосомами. Заболевание ранимости кожи, обусловленное мутациями plakophilin-1, описанное выше, является болезнью, обусловленной аномалиями десмосом. Имеется несколько наследственных заболеваний, которые обусловлены мутациями в генах, кодирующих компоненты десмосом, которые обычно дают в результате фенотип фрагильности кожи. Striate palmoplantar keratoderma является заболеванием, при котором пациенты имеют hyperkeratotic полосы на ладонях и подошвах. Болезнь наследуется по аутосомно доминантному способу и является результатом гаплонедостаточности десмоплакина или десмосоного cadherin, desmoglein 1, возникающей в результате делеции N-терминальной части (Armstrong et al., 1999, Rickman et al ., 1999, Whittock et al., 1999). Напротив, когда ген desmoplakin обладает рецессивными мутациями или компаундной гетерозиготностью, то возникает keratoderma с wooly волосками, ассоциированная с кардиомиопатией, обычно известная как Naxos disease (MIM:601214). Пациенты с Naxos disease м. также иметь мутации в armadillo повторы содержащем (βcatenin подобном) гене plakoglobin (Norgett et al., 2000). По крайней мере, существует еще один локус для Naxos disease (Djabali et al., 2002). Как и в случае с некоторыми эктодермальными дисплазиями не совсем ясно, почему мутации в генах д. вызывать фенотипические изменения кожи. Двумя такими заболеваниями являются Hailey-Hailey (MIM:169600) и Darier disease (MIM:124200). Hailey-Hailey Disease представляет собой повторяющиеся разрывы пузырьков и bullae на шее, в пахах и подмышечных впадинах, тогда как пациенты с болезнью Darier имеют keratotic papules, ассоциированные с сальными областями. Оба имеют субклинические аномалии межклеточных взаимодействий кератиноцитов. Гистологические исследования выявляют acantholysis, который отделяет кератиноциты в супрабазальной области эпидермиса. Мутации в sarco/endoplasmic reticulum calcium pump ATP2A2 ответственны за болезнь Darier, тогда как мутации ATP2C1 ответственны заe Hailey-Hailey болезнь (Sudbrak et al., 2000; Sakuntabhai et al., 1999). Благодаря широкому разнообразию генных мутаций, вызывающих эпидермальные дефекты, становится ясным, что дифференцирующийся эпидермис является тонко контролируемой тканью, легкие пертурбации в которой м. вызывать тяжелые аномалии.

Diseases of hair cycling and hair shaft formation

Аномалии волосяных фолликулов являются областью, в которой знание мышиных мутаций превосходят число болезней у людей. Присутствие вибрисс и синхронизация волосяных циклов являются двумя основными причинами, которые делают легкой детекцию незначительных изменений фенотипа волосяных фолликулов. Существует множество наследственных болезней человека, которые попадают в две основные категории, дефекты формирования остей волос и дефекты циклического образования волос. Циклы образования новых волос это специализированный онтогенетический процесс, зависящий от продолжающихся взаимодействий между мезенхимной тканью, дермальными сосочками и соответ. эпителиальными клетками или т.наз. раздутыми (bulge) клетками волосяного фолликула или быстро пролиферирующими матриксными кератиноцитами. Рост остей волос является результатом пролиферации матрикса и является чрезвычайно организованной комбинацией процессов формирования паттерна и дифференцировки, которая ведет к формированию зрелых остей волос, состоящих из 6 концентрически расположенных цилиндров специально дифференцированных кератиноцитов. Ости волос состоят, по крайней мере, из 100 белков, мутации некоторых из них ведут к уродствам остей волос. В качестве примера таких болезней м. служить monilethrix (MIM:158000), при которой пациенты имеют редкие видимые волосы из-за их ломкости. Микроскопический анализ волос выявляет характерные цепочки (beading) по длине ости, которые, по-видимому. вносят вклад в сравнительно легкую ломкость остей. Мутации двух волосяных кератиноцитов, кстати, участвуют в этом заболевании, волосяной кератин 6 волосяной кератин 1 (Winter et al., 1997a; Winter et al., 1997b). Оба кератина экспрессируются в кортексе клеток волосяных фолликулов и преимущественно вносят вклад в физическую крепость остей зрелых волос. Подобно др. кератинопатиям , monilethrix является доминантно наследуемым заболеванием, отражающим механизм действия мутаций кератинов на сборку промежуточных филамент.

Рецессивный nude фенотип у мышей характеризуется врожденным отсутствием волос, а также тяжелой иммунологической недостаточностью. Аналогичное заболевание у людей (MIM:601705) характеризуется идентичным фенотипом. Фактически волосяные фоликулы присутствуют, но ости волос аномальны и не способны пенетрировать на поверхность. Мутации в winged helix гене Whn (winged helix nude, теперь называется Foxn1) ответственны за мутантных мышей, а также за ассоциированное заболевание у людей (Brissette et al., 1996; Frank et al., 1999). Как мутации гена Whn вызывают болезнь, неизвестно, предполагается, что фенотип обусловлен проблемами с правильной экспрессией кератинов в дифференцирующихся остях волос. Это ведет к характерной конволюции верхней части ости волоса, в результате он теряет способность пробиваться на поверхность кожи. Имеется большое количество нарушений, которые ведут уродствам остей волос. Сюда входит Netherton syndrome (MIM:256500), аутосомно рецессивный ichthyosis, обладающий характерными нарушениями остей волос, известными как trichorrhexis invaginata (bamboo hair). Мутации в гене SPINK5, кодирующем серин протеазный ингибитор LEKTI, также выявлены при синдроме Netherton (Chavanas et al ., 2000), скорее всего подобно гену WHN, функция этого гена, по-видимому, связана с образованием остей волос. Мутации в гене транспортера меди ответственны за X-сцепленное заболевание Menkes kinky hair syndrome (MIM:309400, summarised by Davies, 1993), при котором пациенты имеют редкие волосы, а также неврологические нарушения. Микроскопический анализ выявляет pili torti (скрученные волосы), trichorrhexis nodosa (фокальные переломы ости волос) и гипопигментированные волосы. Снова биологическая функция гена транспортера меди для формирования нормальных остей волос неизвестна. Недавно выявлена связь между межклеточной адгезией и интегральностью остей волосв результате открытия гена, мутантного у мышей и крыс lancolate и при соответ. болезни людей localised autosomal recessive hypotrichosis, LAH, который обусловливает продукцию крупных комочков на растущих остях волос, которые прерывают ость волоса, когда он прободает эпидермис и дает внешний вид "lance-head" (Kjulic et al., 2003; Jahoda et al., 2004). Во всех этих случаях мутации в новом десмосомном кадхерине, desmoglein 4 (Kjulic et al., 2004 and Whittock and Bower, 2003), вызывают тяжелые аномалии в межклеточной адгезии в волосяном фолликуле, а также средней степени гиперплазию межфолликулярного эпидермиса, по-видимому, он необходим для корректных межклеточных контактов для поддержания кожи и волос.

Как уже упоминалось выше после морфогенеза волосяной фолликул проходит через цикл из трех самостоятельных фаз. Сначала фаза активного роста или anagen, затем фаза инволюции, называемая catagen, которая затрагивает и дермальный сосочек, мезенхимный органзующий центр волосяного фолликула и, наконец, фаза молчания, известная как telogen. Нарушения в anagen д., безусловно, приводить к изменению длины волос. Это имеет место в случае мышей angora, где 50% рост волос обусловлен 50% продолжительностью фазы anagen как результат мутации в гене fibroblast growth factor 5 gene (Fgf5), которая задерживает начало catagen (Hebert et al., 1994). Как уже упоминалось ранее, мутации, затрагивающие anagen легко выявляются у мышей с их сихнонизироваными циклами волос. Однако, мутации angora у людей трудно определимы, т.к. фаза anagen у людей очень длинна от 3 мес. до 6 лет. Очень редки синдромы с избыточным ростом волос или гипертрихозами у людей, молекулярные основы таких гипертрихозов неизвестны. Во время новых циклов образования волосяных фолликулов после активной фазы роста стартует программа кератинизации остей волос, которая в конечном итоге формирует club волоса, который закрепляется в волосяном фолликуле во время telogen. Имеются заболевания у людей, при которых club hairs легко выпадают, такие как loose anagen syndrome или telogen effuvium (Sinclair et al., 1999, Rebora et al., 1997). Генетические основы этих заболеваний неизвестны. Информацию получили от мышей, нулевых десмосомному кадхерину demoglein 3 (dsg3), антигену pemphigus vulgaris. В дополнение к фенотипу pemphigus vulgaris мыши обнаруживают раннюю потерю волос во время telogen (Koch et al ., 1998). У дикого типа и у людей telogen фолликулы обнаруживают интенсивное окрашивание антителами к dgs3 на поверхности кератиноцитов в контакте с club hair. Кстати, это первые доказательства гена, ответственного за закрепление волос во время telogen.

Заболевания, которые затрагивают способность волосяных фолликулов проходить через ст. catagen, обнаруживают сходный фенотип у мышей и у людей. Благодаря исследованиям мышей hairless (hr) было показано, что alopecia, ассоциированная с этим фенотипом является результатом дефектов в catagen (Panteleyev et al ., 1999). У мышей hairless повышена степень апоптоза в волосяных фолликулах в начале ст. catagen, что нарушает эпителиальный слой и это позволяет дермальным сосочкам возвращаться в выпячивание волосяного фолликула. В результате дермальные сосочки оказываются глубоко в дермисе, а волосяные фолликулы не способны продолжать цикл. Крупное отверстие в верхней части волосяного фолликула, называемое utricles, формируется и в некоторых случаях в них образуются крупные кисты. Фолликул никогда не м. снова приобрести способность в ступать в новый цикл и теряет способность продуцировать волос. Соотв. нарушение у людей известно (MIM:209500), оно затрагивает все волосы. Как и предполагалось мутации в гене HR оказались ответственны за заболевание у огромного числа семей (Ahmed et al., 1998, Ahmed et al., 1999, Ahmed et al ., 1999,Aita et al ., 2000, Zlotogorski et al., 1998). Также родственная двум формам HED, имеется сходная болезнь, обусловленная мутациями в vitamin D receptor (VDR) у людей, а также у мышей, нулевых по или VDR или retinoid X receptor β subunit (Miller et al ., 2001, Li et al ., 1997, Li et al., 2001).

Conclusions, future directions, complex traits

The exploding field of trangenic mice and more recently the advent of tissue specific transgenics and knockout mice has allowed the manipulation of not only genes implicated in human monogenetic disorders (such as the keratins) but also the investigation of genes that are normally critical for the development of the organism. The combination of these approaches as well as mouse mutants both identified and unidentified, has and will continue to reveal large amounts of information on the development and differentiation of the epidermis and its appendages, as well as inherited disorders. There are still many mouse mutants that have abnormalities in skin and hair as well as hair cycling. Many of these mutants have no human counterpart to date, but the hope is that important connections can be made between mouse and man with the near completion of the sequence of both genomes will continue to lead to the identification of new genes. The use of comparative genomics approaches allows the linking of mouse mutations to a syntenic region in the human and vice versa.

Psoriasis and alopecia are at a are common diseases, the first a disease of abnormal differentiation of the epidermis, the second the reversible destruction of structures of the hair follicle. Both diseases exhibit hallmarks of inheritance as complex genetic traits (Aita et al., 1999, Barker 2000). The power of mouse models has failed in trying to determine a basis of these diseases as they are impossible to model in congenic mouse strains. Alternative approaches must be used to zero in on the cause of diseases such as these. Classical approaches such as linkage analysis and analysis of affected pairs of siblings to discover shared alleles are used to discover regions of the genome associated, linkage to specific HLA alleles has also been investigated. However this is still a long way from identifying the gene(s) responsible for either psoriasis or alopecia areata. Coupling these approaches with the comprehensive expression analysis afforded by microarray technology will enable the detection of differentially expressed families of genes in the regions of interest and has already been perform to some degree in alopecia areata. In addition, widescale screening of SNPs, single nucleotide polymorphisms, particularly in the coding regions of genes could lead to an elucidation of the genotype of individuals with the disease and maybe recapitulation of the disease in the mouse.

To conclude, the last five years have been interesting times in the discovery of the molecular basis of many inherited disorders. The benefit that this has had to the understanding of the basic biology of the skin and its appendages cannot be over-emphasised. In the next five years, there will no doubt be an even greater body of knowledge accrued on the subject, as the discovery of mutations in monogenetic disorders, more accurate chromosomal linkage and the discovery of susceptibility loci in complex disorders continues.

ПРИРОДА НЕ УСТАЕТ ТВОРИТЬ ЧУДЕСА

Генетика — штука коварная. Периодически она откалывает неожиданные номера. Такое произошло и с этими жизнерадостными мальчишками — сыновьями 26-летней Юаны Гомец из деревни Лорэто, что на границе Мексики с США. Юана родила двух мальчиков, сплошь покрытых темным волосяным покровом. Сегодня Габриэлю 11 лет (слева), Виктору 7 лет. Ребята физически и духовно развиты выше среднего. Они регулярно посещают школу в родной деревне, несмотря на некоторые проблемы, которые возникают порой вследствие их экзотической внешности. Дело в том, что жизнерадостные «волчата» своеобразная генетическая жертва фамильного рода. Еще в 1905 году у их прапрабабушки Марии Луизы Днац появилась на свет дочь с такими же странными отклонениями. С тех пор в семействе был зарегистрирован 21 нормальный ребенок —14 девочек и 7 мальчиков. И вот через десятилетия Габриэль и Виктор вдруг «подхватили» генетическую эстафету своих далеких предков; явление редкое, но оно случалось в разное время и в других странах, в частности, в России и Германии.

Inherited disorders of the skin in human and mouse: from development to differentiation RYAN F.L. O’SHAUGHNESSY and ANGELA M. CHRISTIANO Int. J. Dev. Biol. 48: 171-179 (2004)

Inherited disorders of the skin in human and mouse: from development to differentiation
RYAN F.L. O’SHAUGHNESSY and ANGELA M. CHRISTIANO
Int. J. Dev. Biol. 48: 171-179 (2004)