小鼠模型对起泡的皮肤疾病

文摘

转基因小鼠已基本阐明人类疾病病理机制的工具。在疾病引起的细胞桥粒功能受损的情况下,小鼠模型有助于建立突变与疾病表型之间的因果关系。本文着重于小鼠缺乏desmosomal钙粘着蛋白desmoglein 3或desmocollin 3在复层上皮细胞。比较表型观察到这些鼠标线提供突变小鼠表型之间的关系和人类疾病,特别是寻常天疱疮,进行了探讨。此外,我们将讨论的优势和潜在的限制转基因鼠线在我们正在寻求理解起泡的皮肤疾病。

1。介绍

近年来,小鼠模型已经成为一个重要的工具研究遗传疾病,特别是在这种情况下,这种疾病是由单个基因的突变引起的(单基因疾病)。这是一个挑战,然而,忠实地复制小鼠自身免疫性疾病的病理生理学,部分原因是人类疾病是受到复杂因素的影响,如遗传背景、自身抗体的性质(抗原表位识别和抗体子类)和循环自身抗体的滴度。

天疱疮是一种自身免疫性皮肤疾病的水泡的形式体现在痛苦的病变皮肤和口腔黏膜,在寻常天疱疮的情况下,如果不及时治疗的话可以是致命的。天疱疮患者的血清中自身抗体针对desmosomal钙粘蛋白(例如,desmogleins和最有可能desmocollins;(见下文)1,2),一群跨膜糖蛋白,需要建立和维护信息表皮角化细胞之间的粘附(了3])。Desmogleins和desmocollins跨膜糖蛋白,建立细胞外的细胞耦合通过绑定域名。质膜的胞质表面,这些钙粘蛋白是通过网络连接到中间纤维细胞骨架蛋白质斑块desmosomal (desmoplakin, plakoglobin plakophilins)。

如何绑定的致病性天疱疮自身抗体诱导上皮内起泡,疾病的组织病理学特征特性?这些抗体抑制这些蛋白质的功能吗?一个简单的方法来测试这个假说是消除靶蛋白的转基因小鼠和确定最终丧失表现型复制这种疾病。

寻常天疱疮(PV)患者开发目标的自身抗体desmoglein (DSG) 3和在一定条件下desmoglein (DSG) 11]。DSG3患者抗体单独开发粘膜病变而在DSG3和DSG1抗体,皮肤损伤也观察到(1]。此外,它已被证明,将DSG3-specific PV抗体注入新生鼠可以复制疾病的组织病理学,证明这些抗体(见[的致病性1])。

基于假设自身抗体中和胶功能,预测损失Dsg3函数在小鼠的表型模拟光伏局限于粘膜。为了验证这个假设,我们生成的Dsg3零的老鼠。

2。空的突变Dsg3提供第一功能链接到PV

老鼠的靶向破坏Dsg3展出表型在PV患者非常相似,提供直接证据的作用DSG3在维护信息角质细胞之间的粘附。光伏的一个标志性特征在人类皮肤棘层松解(信息附着力损失)略高于复层上皮细胞基底层。此外,基底角质细胞通常失去侧细胞接触,导致组织学发现被称为一个“排墓碑”。的Dsg3空鼠患严重侵蚀的口腔黏膜(类似于在PV患者)阻止他们喂养造成小牛。Suprabasal水泡也在等复层上皮细胞明显阴道上皮(见下文)。明显的皮肤损伤并不在这些老鼠,除了领域受到很大的机械应力如鼻子周围的皮肤,护理女性的乳头,muco-cutaneous路口的眼睛(4,5]。组织学检查其他老鼠的组织表达DSG3,如食道、前胃的(由复层上皮衬里结构类似于表皮),胸腺,没有发现异常。注意,前胃是鼠标的特征不存在于人类。

没有损伤的可能的解释这些组织在于功能上的冗余的表达desmoglein亚型弥补DSG3的损失。这个想法是一致的补偿假说,提出了约翰·斯坦利和他的同事(见[2]),解释天疱疮的tissue-specificity自身抗体。基于这个观点,有人预测,DSG3是主要的或唯一的DSG同种型表达发生在皮肤棘层松解的地方(例如,在口腔黏膜的深度层)。进一步,大量重叠DSG3和其他DSG亚型之间应该存在于组织和细胞层未发现自发的病变。三大DSG亚型的分布(DSG1-3)的影响(粘膜)和影响组织(如皮肤)似乎很大程度上符合这个想法如图1。在老鼠的皮肤,DSG3局限于基底和直接suprabasal细胞层,而DSG1整个上皮和2存在。因此,DSG1和2确保维护信息粘连Dsg3空的皮肤(图1)。然而,凄凉的皮肤摩擦或抓导致病变,表明在缺乏DSG3,上皮组织的机械强度是妥协。在粘膜,DSG1和2在上皮存在但在深层表皮较弱,DSG3主导根据免疫组织化学染色(图1(b)),从而解释了PV-like皮肤棘层松解中观察到Dsg3零口腔黏膜。

图1

白色的酒吧 表达desmosomal钙粘着蛋白desmoglein 1、2和3 (DSG1-3)和desmocollin 1和3 (DSC1, 3)6-integrin (ITGA6) interfollicular表皮和老鼠的舌上皮:免疫荧光染色的新生表皮((a)、(e)、(c), (g)和成人舌((b)、(d) (f), (h))。钙粘着蛋白以绿色显示,而整合素红色所示。((我),(j), (k) (l)的示意图表示每个desmosomal分布在表皮钙粘蛋白((我),(k))和舌上皮((j和l))。注意,DSC2抗体的识别目前无法使用鼠标对碘氧基苯甲醚(有关详细信息,请参阅文本)。免疫荧光信号的角质层是由于非特异性结合的二次抗体()。细胞层表达相关的蛋白质标记方括号。(g)的白色箭头指向基底层,不合成DSC1。请注意,DSG的表达舌头很低的基础层次。(i, j, k, l)分布的desmosomal钙粘着蛋白在复层上皮细胞(提单,基底层;SC,角质层)。高表达水平是象征着一个广泛的基础和低表达水平象征了狭窄的技巧。

3所示。的损失Dsc3和Dsg3导致相似的组织病理学但目标不同的组织

Desmosomal粘连被认为是介导通过亲同种抗原的以及异染的desmogleins和desmocollins之间的相互作用,形成的胶芯细胞桥粒(例如,6,7])。亲同种抗原的相对贡献(DSG-DSG;DSC-DSC)和异染的(DSG-DSC)交互来建立和维护细胞粘附目前不清楚。DSG3而言,它最初被推测DSG3-DSC3复杂可能基本保持在深厚层复层上皮细胞角化细胞粘附(另一种观点看6])。我们因此推测,去除Dsc3在老鼠身上可能模仿DSG3损失的影响,导致PV-like组织病理学。

因为生殖系的删除Dsc3基因是胚胎致死8),有条件的Dsc3零变异老鼠行生成缺乏DSC3表达式在复层上皮细胞基底角质细胞,包括皮肤和粘膜9]。这些组织Dsc3零小鼠皮肤水泡(数据开发2(一个)和2 (b)),组织学上类似的发现在人类muco-cutaneous PV。与皮肤病变Dsg3零老鼠(限制暴露的地区的重要机械创伤),Dsc3零皮肤水泡发达自发和在场所有新生小鼠的皮肤样品进行了分析。然而,水疱形成不同程度的个体之间的老鼠,一大部分原因要归咎于不同程度的机械应力的动物暴露前组织收割。即使是小创伤导致广泛的皮肤起泡Dsc3零皮肤,一个典型的光伏在人类的特征(Nikolsky的标志)。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)

图2

Dsc3 Dsg3 Dsc3 Dsc3^{fl / fl} Dsc3^{fl / fl} Dsg3 Dsg3 interfollicular表皮、粘膜皮肤棘层松解和零上皮细胞。(a)和基底之间的皮肤棘层松解首先suprabasal层在皮肤表皮新生的条件null老鼠(/K14-Cre)。(b)严重皮肤损伤的140天/K14-Cre鼠标显示水泡在愈合伤口。注意,这些老鼠进入一个循环,皮肤棘层松解触发舌上皮形成和二次猛烈的上皮覆盖原来的伤口。(c)的舌头从25-day-old部分零鼠标显示皮肤棘层松解和巨大的上皮细胞炎症的发生。6个月大的阴道(d)零鼠标显示皮肤棘层松解在深上皮(基底和suprabasal层之间)。(e)成年野生型小鼠的皮肤。(f)的舌头组织学成年野生型老鼠。恒星显示泡蛀牙。

与病变中观察到Dsg3零突变体(图2 (c)和2 (d)),病变Dsc3零老鼠局限于皮肤并没有出现在内部的复层上皮细胞,如口腔的。的情况下Dsg3空的老鼠,我们相信皮肤水泡表型的限制可以解释为补充蛋白质的表达,在这种情况下,DSC亚型。在皮肤上,DSC3存在整个上皮中表达水平较弱的颗粒层(图1)。DSC1主要限于interfollicular表皮颗粒细胞层。DSC2的分布在表皮鼠标目前不清楚,由于缺少抗体识别鼠标同种型。然而,在人类和牛,众所周知,Dsc2只是弱表达,甚至没有在大多数interfollicular表皮,用手掌和脚底的例外(见[9])。鉴于DSC1和DSC3表达模式在老鼠和人类很相似,它是合理的推测,DSC2也是非常相似的分布在这两个物种。因此,DSC3将主要的DSC同种型表达的深层表皮层,从而解释了为什么失去Dsc3导致这些细胞层皮肤棘层松解。如何解释的缺失的口腔病变Dsc3突变体?我们相信,理解这些病变的组织特异性的关键是DSC2的分布。表明,牛的数据样本Dsc2强烈表达了全层内部复层上皮细胞,如舌(10- - - - - -13]。DSC1和DSC2因此可能保持信息粘附在口腔黏膜的缺席DSC3(图1和数据未显示)。然而,鲜为人知的分子(亲同种抗原的和异染的)之间的交互desmosomal钙粘着蛋白在体内;也就是说,其他模型的补偿是有可能的。鉴于亲同种抗原的之间的交互desmosomal钙粘着蛋白体内可能发生,也有可能DSG3-DSG3交互就足以维持细胞粘附Dsc3零粘膜。

总结上面的数据显示,在细胞桥粒DSG3与DSC3有类似的功能。然而,他们有不同的角色在特定组织细胞粘附,由于不同的补充蛋白质在不同组织的存在。因此,而DSG3似乎是必要的维护和信息内部复层上皮细胞的粘附,DSC3在皮肤的表皮中扮演类似的角色。

4所示。空的突变Desmosomal钙粘着蛋白导致脱发

有趣的是,两个desmosomal钙粘着蛋白需要锚在皮肤毛囊,循环演示的脱发观察的Dsg3零和Dsc3零老鼠(图3)。两个突变体的脱发开始断奶前后和发展从头顶到尾巴。野生型脱发从未观察到这一点垃圾伴侣,也就是说,这种表型是严格与零突变两desmosomal钙粘蛋白基因。进一步,静止期的头发,证明了磁带hair-stripping实验(数字(c)和观察(g)),只有在变异动物和野生型的同胞。皮肤组织学的秃头区域显示上皮内猛烈的影响周围的两个角化细胞细胞层静止期俱乐部头发(数字3(b)和3(f))。皮肤棘层松解导致损失的头发轴形成空真皮囊肿(数字紧随其后3(d)和3(h))。然而,这些动物的头发长回来,又失去了在接下来的静止期阶段。这个循环重复几次。最终,一些年长的老鼠仍然秃头,可能是因为毛囊干细胞耗竭。

图3

Dsc3 Dsg3 Dsc3 Dsg3 注意,早期病变显示,在毛干实际上是迷路了 脱发表型的条件零((a)、(b) (c), (d))和传统null老鼠((e)、(f) (g), (h))。两个鼠标线显示循环脱发开始断奶的时候,当毛囊的头部进入静止期,休止期的头发生长周期。(一)脱发56-day-old条件零53-day-old鼠标和(b)零鼠标。(b和f)之间的皮肤棘层松解周围的两个细胞层静止期头发俱乐部会导致损失的头发轴。箭头表示两个细胞层的分离。。(c和g)静止期头发用一个上皮细胞层俱乐部周围的头发(括号,原子核周围上皮表俱乐部是彩色的黑(c)和蓝色(g),职责)。在这两种情况下,脱发导致皮肤囊肿的发展((d和h);明星)。注意,脱发在鼠标线似乎遵循相同的机制,也就是说,信息损失两种上皮细胞层间附着力锚静止期的头发在皮肤上。

有图案的脱发是由于在小鼠毛发周期的同步;断奶的时间从第一个产后生长期毛囊的进步(毛发生长周期的活跃阶段)静止期(休止期的头发生长周期)。此外,毛囊的波循环所得从头到尾的老鼠。在罕见的情况下,脱发已经报道在PF和PV患者(5,14),这表明这里讨论的小鼠模型模拟人类疾病表型。然而,由于老鼠毛发周期的同步(这并不发生在人类),这种影响更加严重desmoglein和desmocollin零老鼠比人类自身免疫性疾病。

5。解剖的角色Desmosomal钙粘着蛋白在细胞粘附,信号和皮肤疾病

的Dsg3零老鼠不开发一种自身免疫性疾病;也就是说,他们不为我们提供一个工具来剖析autoantibody-mediated病理学。然而,这些老鼠使我们第一次联系的损失DSG3函数PV组织病理学。换句话说,我们能够功能确定DSG3很可能天疱疮患者的一个子集的关键目标。后续的发展Dsg3零小鼠模型,Amagai和他的同事们利用这个鼠标线开发一种自身免疫性光伏在小鼠模型15),证明转基因小鼠模型的有效性对于理解人类疾病的分子病理学。然而,PV自身抗体诱导的机制DSG3损失函数,导致光伏仍然是一个有争议的问题。假设从直接抑制desmoglein函数来间接损失和信息附着力。例如,PV抗体出现在几个途径触发异常的细胞内信号。一些报告提供了一个天疱疮和异常信号之间的联系由p38 MAPK通路和plakoglobin ([16,17],[3])。基于研究使用培养的角质细胞,似乎天疱疮自身抗体引起的磷酸化p38 MAPK进而诱发皮肤棘层松解等影响下游效应器RhoA或HSP27 [16,18]。有趣的是,p38 MAPK激活抑制剂可以防止皮肤水疱形成新生鼠注射PV自身抗体(PV)被动抗体转移模型,这意味着信号机制涉及p38 MAPK在天疱疮皮肤棘层松解的中心。结果从另一组细胞plakoglobin池与损耗的增加导致原癌基因的表达对PV发病机理至关重要(17,19]。虽然在皮肤棘层松解原癌基因信号的作用并不清楚,事实上,原癌基因抑制剂废除PV自身抗体引起的皮肤起泡说明这在PV发病机制可能是重要的。,因此,出现的机制推动desmosomal功能受损细胞粘附的损失比此前认为的更加复杂。

虽然它已经被证实DSG3光伏的发展中扮演着重要角色,是不为人熟知的潜在作用desmocollins在自身免疫性疾病。DSC1与IgA天疱疮(见[3]),而一个角色在自身免疫性疾病DSC3尚未建立。的表型的影响Dsc3空复层上皮细胞的突变的老鼠表明这种蛋白质的功能丧失,由于突变或由于自身抗体,将导致PV-like病变。最近的报告表明,这可能确实是这样的。博林和他的同事报道PV-like患者症状的情况下曾发达DSC3——但不是DSG3-autoantibodies [20.]。然而,这份报告并没有建立这个病人的DSC3-specific抗体是否致病。此外,阿尤布和他的同事们最近报告了DSC3突变的家庭在阿富汗与脱发和复发性皮肤起泡21),也就是说,一个表现型的表现型惊人地相似Dsc3突变的老鼠。然而,这份报告没有提供组织数据显示表皮内的起泡;也就是说,需要进一步的证据令人信服地链接DSC3功能受损表皮内的气泡在人类身上。

综上所述,我们的老鼠研究证明损失的Dsc3函数会导致PV-like病变在上面引用的人类研究中表明,这个发现是相关的至少一个PV-like患者疾病的子群。进一步的研究将是必要的,以确定的程度DSC3继承和获得desmosomal疾病中扮演了重要的角色。

6。结论

过去十年已经看到的关于个人的角色desmosomal基因在正常发育和疾病的基础上,分析转基因和基因敲除小鼠。开关打开或关闭基因的能力在特定类型的细胞和组织按预定时间点了鼠标模型总理工具发现基因功能和说明疾病的机制。此外,核心基因和生理途径控制上皮细胞分化(包括附件开发)之间高度保守的人类和老鼠。虽然易于遗传操作和与人类生理研究皮肤失调使老鼠一个有吸引力的选择,有潜在的缺陷,如可能导致皮肤的组织学上的差异。进一步,它也不可能排除种特异的基因功能的存在,要求确认人类测试系统的实验结果。然而,鼠标仍将是一个有价值的工具,用于分析人类疾病和促进我们对基本的上皮细胞生物学的理解。

确认

作者要感谢Maranke Koster博士(科罗拉多大学医学院)的批判阅读手稿。这项工作一直支持由美国国立卫生研究院(NIH / NIAMS), PJK (RO1 AR050439 RO1 AR053892)。r . Ganeshan和j·陈同样对本文亦有贡献。

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