A cirkadián rendszer vizsgálata a bőr kórélettani folyamataiban
Title in English
Investigation on the role of circadian system in pathological skin conditions
Keywords in Hungarian
psoriasis, UVR, óragének, skin
Keywords in English
psoriasis, UVR, clock genes, skin
Discipline
Dermatology, allergy medicine (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Clinical Medicine
Department or equivalent
Clinic of Dermatology, Venereal Diseases and Oncodermatology (University of Pécs)
Participants
Gyulai, Rolland Kinyó, Ágnes Nagy, András Dávid Németh, Viktória Oláh, Péter Szlávicz, Eszter
Starting date
2018-09-01
Closing date
2023-08-31
Funding (in million HUF)
38.104
FTE (full time equivalent)
12.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A centrális molekuláris óra és a különböző szisztémás biológiai ritmusok (pl. hormonszintek napi ritmusa) számos szövetspecifikus gén cirkadián ritmusú expresszióját szabályozzák. Ezáltal fontos sejtélettani folyamatok, úgymint sejtproliferáció, sejtanyagcsere és egyes immunológiai mechanizmusok cirkadián ritmusú szabályozás alatt állnak. A bőr cirkadián ritmusú jelenségeit állatkísérletekben és sejtvonalakon már leírták, de ezen ismeretek emberi vonatkozása és terápiás alkalmazhatósága a bőrgyógyászatban egyelőre nem ismert. Vizsgálatunk első lépéseként a bőr fiziológiás folyamataiban fontos szereppel bíró, ugyanakkor cirkadián ritmust mutató gének és fehérjék expresszióját és napi ritmusát fogjuk vizsgálni egészséges önkéntesekből vett bőr biopsziás mintákon. Ugyanezen gének működését bőrbetegségben is megfigyeljük (psoriasis) és összehasonlítjuk az egészséges bőrrel, valamint összefüggést keresünk a betegség súlyossága és a génexpressziós eltérések között. Végül egészséges önkénteseken vizsgáljuk az UV sugárzás, mint fontos környezeti hatás által kiváltott időfüggő génexpressziós eltéréseket, hogy tisztázzuk, a bőrben lévő perifériás óra szerepét az UV sugárzásra adott biológiai válaszban. Vizsgáljuk a növényvilágban a circadián szabályozásban, a human keratinocytákban az UVB sugárzás által kiváltott reakcióban szerepet játszó COP1 fehérje és az emberi circadian rendszer lehetséges kapcsolatát. A vizsgálatainkat sejtkultúrákon is elvégezzük. Kutatásunkat a tanulmányba bevont önkéntesek hozzájárulásával, a nemzetközi etikai normák betartásával végezzük.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A biológiai órák egészségmegőrzésben betöltött szerepéről rendelkezésünkre álló adatok azt sugallják, hogy ezen ismeretek új terápiás eljárások kidolgozásában is hasznosak lehetnek. Valójában bármilyen kezelés eredményesebbé tehető, ha a kezelést a biológiai hatékonysága alapján kiválasztott legalkalmasabb napszakban alkalmazzuk (pl. reggel). A jelen kutatási terv alapkérdései annak tisztázása, hogy a bőr homeosztázisában szerepet játszó circadián ritmust mutató gének napi ritmusa bőrbetegségben megváltozik-e, valamint a bőr cirkadián biológiai órájának milyen működési aspektusát lehetne dermatológiai terápiás célokra felhasználni.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Újabban egyre több közleményben vizsgálták a bőr élettani folyamatai és a cirkadián rendszer kapcsolatát állatkísérletes modelleken vagy sejtvonalakon. Ugyanakkor in vivo klinikai vizsgálatokat nem végeztek még arra vonatkozóan, hogy ezen ígéretesnek tűnő alapkutatások eredményeit milyen formában lehetne hasznosítani a mindennapi bőrgyógyászati rutinban. Amennyiben a molekuláris óra fontos szerepet játszik a bőr homeosztázisában, akkor a bőr fiziológiás folyamatait ritmusosan szabályozó kulcsgének a bőr pathológiás elváltozásai esetén megváltozott expressziós mintázatot kell, hogy mutassanak. Továbbá, ezen gének expressziójában az emberi bőr cirkadián óraműködésének kísérletes manipulálása is lényeges eltéréseket kell okozzon. Tervezett kutatásunk egyik fő célja, hogy igazoljuk, hogy emberi mintákban az alapvető élettani folyamatokban résztvevő egyes molekulák a molekuláris óra szabályozása alatt állnak és eltérésük patológiás állapotban kimutatható. A terápiás vonatkozású jelentősége a vizsgálatunknak abban áll, hogy meghatározzuk azon külső behatási időpontokat, melyek a bőr fiziológiás folyamatait optimálisan időzíthetik.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A sejtszintű folyamatok környezeti körülményekhez történő harmonikus alkalmazkodásában kulcsszerepe van a cirkadián (~24 órás periódusú) biológiai órának. Génjeink működésének jelentős része napszakos ritmicitást mutat, ezért nem meglepő, hogy a cirkadián időzítés zavara (pl. váltott műszakban dolgozók esetében) számos betegség kialakulásának a kockázatát megnöveli (pl. túlsúly, diabetes mellitus, alvás- és hangulatzavarok, daganatos betegségek). A bőrbetegségek tekintetében epidemiológiai adatok igazolják, hogy a váltott műszakban dolgozók között gyakoribb a psoriasis és a bőr rosszindulatú daganatainak előfordulása. Számos bőrgyógyászati megbetegedés esetén a tünetek súlyossága szezonalitást mutat (pl.: atópiás dermatitis), az évszakokhoz köthető biológiai változások hátterében pedig jól ismert a cirkadián óra szabályozó szerepe. Annak ellenére, hogy a bőr a legnagyobb és egyben legsokoldalúbb funkciójú szervünk, kevés ismerettel rendelkezünk arról, hogy a cirkadián rendszer miképpen befolyásolja a bőr élettani folyamatait. Vizsgálatunk célja, hogy a cirkadián rendszer szerepét vizsgáljuk a bőr különböző kóros állapotainak kialakulásában és olyan molekulát/mechanizmust azonosítsunk, melyek terápiás célponttá válhat. A bőr napszakfüggő molekuláris mechanizmusainak feltérképezésével hozzá járulhatunk új kronoterápiás stratégiák azonosításához (i.e. az adott kezelést a nap meghatározott időpontjában maximális hatás és lényegesen kevesebb mellékhatások mellett alkalmazhatjuk).
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Molecular clocks and rhythms of systemic cues (e.g. hormones) mediate circadian expression of tissue-specific output genes, which allows tissue-specific circadian control of various physiological functions including cell growth, metabolic processes and immune function. The significance of these daily fluctuations in the skin have been proven recently in animal studies and cell-culture experiments. At the same time investigations of clock driven mechanisms in human skin samples are rare and so far the application of this knowledge for therapy of skin diseases remaines unknown. First we will investigate the expression and daily rhythm of genes important in skin pysiology with a record of circadian rhythm in their transcriptional pattern on skin samples obtained from healthy individuals. Next we perform analysis of the same set of genes in skin biopsies of patients with psoriasis and will compare the results with the data obtained from helathy skinResults will reveal if alterations in gene expression can be associated with disease severity. Finally, differences in the gene expressional responses to UV irradiation throughout the 24 h period will be assessed on healthy volunteers to test the hypothesis that peripheral clocks in the human skin may have a role in the biological response to UV exposure. COP1 is well-conserved protein with a role in the circadian clock of plants and in UVB-induced signaling in human keratinocytes. We will investigate the possible associations of COP1 and human circadian system. Experiments will be performed on cell cultures also. Patient enrollment will be conducted according to the ethical standards of the Declaration of Helsinki.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Evidence on the health impact of biological clocks suggests that the clock could be used to our advantage in new therapeutic approaches. Virtually any treatment is more successful if impacting at the time window of highest biological efficacy (e.g. in the morning). The key questions of the proposed project is to clarify whether in case of skin disease the daily rhythm of genes important in skin homeostasis alter and what aspect of circadian biology may be useful for the identification of novel therapeutic strategies in dermatology.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Recently, high impact journal reports on animal research and on in vitro cell culture experiments have emerged suggesting a link between circadian clocks and skin physiology. However, no in vivo studies on human have been performed until now to test if these promising results could actually be used in everyday dermatological practice. Basically, if the molecular clock is important in the maintenance of normal skin homeostasis, then key genes of human skin physiology with known circadian rhythmic regulation should show altered expressional patterns under pathological conditions of the skin. Furthermore, targeting the clock mechanisms of human skin should show altered expressional patterns of these genes important in maintaining a healthy skin homeostasis. One of the main goal of the study is to prove in human skin samples that certain molecules important in skin physiology are influenced by the circadian system and their alteration leads to pathological skin conditions. To set the optimal timing of key processes in skin homeostasis by manipulating the gears of the molecular clock is the therapeutic strategy proposed in our research.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The 24 hour (circadian) clock harmonizes cellular functions to the constantly changing environmental cycles. A large propotion of our genes are activated in a daily rhythm. Therefore, it is not surprising that disruption of timing mechanisms (e.g. shift work) has been found to increase the risk of disease development (e.g. obesity, diabetes, sleep/mood disorders, cancer). From the dermatological aspect, epidemiological studies have shown that shift workers have an increased risk for psoriasis and skin tumors. Furthermore, several skin diseases (e.g. atopic dermatitis) exhibit seasonal change in severity, and seasonality in biology is well known to be tightly interconnected with the circadian clock. Although skin is our biggest organ with multiple functions, very limited data are available about the impact of the circadian clock on human skin physiology. In our research we attempt to identify those clock relevant molecular targets that have an important role in the development of certain skin conditions and may be targeted in skin pathology. Identification of daytime-dependent mechanisms might be important for revealing new, chronotherapeutic applications (i.e. administration of treatments scheduled at a certain time of the day — when efficacy is highest and side-effects are lowest).
Final report
Results in Hungarian
Szövettípustól függően a gének jelentős része a molekuláris biológiai óra szabályozása alatt áll, expressziójuk napszakos eltérést mutat. Számos esetben igazolódott, hogy a cirkadián óra megváltozása befolyással bír betegségek kialakulására és annak lefolyására. Projekt célja volt, hogy a bőr gyulladásos folyamataiban vizsgáljuk az óragének expresszióját, azok napszakos eltéréseit. Psoriasis esetében kimutattuk az óragének többségének jelentősen fokozott expresszióját, kihangsúlyozva, hogy ez az eltérés a nem tünetes psoriasisos bőrben is szignifikáns. A cry és rev-erb gének mutattak csökkent expressziót, melyek anti-iflammatorikus folyamatokat szabályoznak. Így a jövőben ezek potenciális szisztémás vagy lokális terápiás célpontok lehetnek. A UV sugárzás cirkadián rendszert érintő hatásait nikotinamid kezelés mellett vizsgáltuk. A fénykezelés a cry géneket leszámítva expresszió csökkentő hatású, ezzel szemben nikotinamid előkezeléssel fokozódik a transzkripció. Ez az expresszió növelő hatás fokozódik az eltérő időpontban történő UV kezelés során, beleértve az xpa gént is.
Results in English
Many genes are regulated by the molecular biological clock, depending on the tissue type, and their expression varies with time-of-day manner. In many cases, circadian clock changes have been shown to influence the development and progression of diseases. The aim of this project was to investigate the expression of clock genes and their diurnal variation in inflammatory processes of the skin. In psoriasis, we have shown a significantly increased expression of most of the clock genes, highlighting that this variation is also significant in asymptomatic psoriatic skin. The cry and rev-erb genes, which regulate anti-inflammatory processes, showed reduced expression. Thus, they could be potential systemic or local therapeutic targets in the future. The effects of UV radiation on the circadian system were investigated under nicotinamide treatment. Except for cry genes, light treatment has a down-regulating effect on expression, whereas nicotinamide pretreatment enhances transcription. This expression enhancement effect is further increased by UV treatment at different time points inculding the xpa gene.
