In einem Kooperationsprojekt zwischen der Veterinärmedizinischen Fakultät und dem Interdisziplinären Zentrum für Bioinformatik (IZBI) der Universität Leipzig wurden erstmals Veränderungen der Genexpression in Talgdrüsen räumlich kartiert. Die Studie dokumentiert hochauflösend Veränderungen der Genexpression im Verlauf der Talgsynthese und identifiziert neue Kandidaten für die Modulation der Talgproduktion.
Die Forscher haben veröffentlicht ihre Erkenntnisse in der Zeitschrift für biologische Chemie.
Talgdrüsen sind für die Aufrechterhaltung der Struktur und Funktion der Haut unerlässlich. In einem Prozess, der als holokrine Sekretion bekannt ist, sammeln Zellen in der Peripherie der Drüse große Mengen an Lipidmolekülen an, die in die Mitte der Drüse transportiert werden und schließlich platzen, wodurch ein öliges Sekret (Talg) freigesetzt wird, das die Hautoberfläche schützt und geschmeidig hält.
Bei Menschen und den meisten Säugetieren hat Talg noch weitere wichtige, aber weitgehend unerforschte Funktionen, wie etwa den Schutz vor UVB-induzierter Apoptose (Zelltod) oder die Unterstützung der angeborenen Immunantwort der Haut. Die Talgproduktion kann auch den Energiestoffwechsel im gesamten Körper beeinflussen.
Eine Fehlfunktion der Talgdrüse ist ein wesentlicher Faktor bei der Entstehung von Akne und spielt auch bei anderen Hauterkrankungen eine Rolle, beispielsweise bei Ekzemen, einer chronischen und juckenden Entzündung der oberen Hautschichten, und Schuppenflechte.
Neuere Studien deuten zudem darauf hin, dass die Talgproduktion wichtige immunmodulatorische Effekte haben und den Energiestoffwechsel des gesamten Organismus beeinflussen kann. Die Modulation der Talgsekretion könnte daher ein attraktives therapeutisches Ziel nicht nur für Hautkrankheiten, sondern auch für Infektions- und Stoffwechselkrankheiten sein.
„Ganz abgesehen von ihrer Bedeutung für die Hautgesundheit sind Talgdrüsen ein attraktives und leicht zugängliches Modell zum Verständnis fundamentaler biologischer Prozesse wie der Fettsynthese, der Stammzellfunktion oder der Tumorentstehung“, sagt Professor Marlon R. Schneider. Er leitet das Institut für Veterinärphysiologie an der Universität Leipzig und hat die Studie initiiert und betreut.
Eine detaillierte Untersuchung der Veränderungen der Genexpression in Sebozyten (Talgdrüsenzellen), die zur Talgproduktion führen, fehlte jedoch. In der nun veröffentlichten Studie integrierten die beiden Forschungsgruppen neue Methoden wie räumliche Analyse der Genexpression, Pseudozeitanalyse und funktionelle Anreicherung, um die fortschreitende Entwicklung der Talgdrüsenzellen bis hin zur Zelllyse abzubilden.
Basierend auf vier Stadien der Zelldifferenzierung, die durch unüberwachtes Clustering erzeugt werden, zeigen die Daten eine aufeinanderfolgende Modulation zellulärer Funktionen, die mit spezifischen Gensätzen assoziiert werden können, von der Zellproliferation und oxidativen Phosphorylierung bis hin zur Lipidsynthese und zum Zelltod.
Die Ergebnisse wurden durch einen Vergleich mit zuvor veröffentlichten Transkriptomdaten der Talgdrüsen validiert und durch eine Analyse der Proteinexpressionsmuster einer ausgewählten Untergruppe der Transkripte im öffentlich verfügbaren Human Protein Atlas weiter untermauert. Die Studie wird außerdem durch ein frei verfügbares und durchsuchbares Online-Tool ergänzt.
PD Dr. Hans Binder, ehemaliger Direktor des Interdisziplinären Zentrums für Bioinformatik (IZBI) der Universität Leipzig, betont die Bedeutung eines parallel entwickelten Online-Bioinformatik-Tools. „Die Methode ist stark datengetrieben. Forscher auf der ganzen Welt können das Tool nutzen, um unsere Daten zu durchsuchen und selbstständig zu analysieren.“
Die Kombination verschiedener Methoden liefert ein umfassendes und neues Verständnis der Genexpression, die der Differenzierung der Talgdrüsen zugrunde liegt. Die Daten deuten auf eine kontinuierliche Entwicklung der Talgdrüsenzellen durch eine aufeinanderfolgende Modulation zellulärer Funktionen hin, die mit bestimmten Gensätzen verknüpft werden können. Die Studie identifiziert neue Akteure der Talgproduktion, bietet neue Möglichkeiten zur Modulation der Talgproduktion und weist auf zukünftige experimentelle Ansätze von medizinischer Relevanz hin.
Nächstes Ziel: Hauterkrankungen und Risse
Im nächsten Schritt sollen Genexpressionsveränderungen in der Talgdrüse im Zusammenhang mit bestimmten Hauterkrankungen genauer charakterisiert werden. Insbesondere bei Ekzemen und Schuppenflechte, aber auch bei Talgdrüsentumoren. Bei diesen Untersuchungen kommt die nächste Entwicklungsstufe der Methode der räumlichen Transkriptomanalyse zum Einsatz, die Ergebnisse auf Einzelzellebene ermöglicht.
Dr. Maria Schmidt, Erstautorin der Studie, erklärt: „Im Jahr 2020 hat die renommierte Zeitschrift Natur Die räumlich aufgelöste Genexpression wurde von der Universität Freiburg zur Methode des Jahres gekürt. Als Kombination aus Molekularbiologie und Mikroskopie ist sie stark datengetrieben und eröffnet in Kombination mit ausgefeilter Bioinformatik neue Einblicke in die Organisation von Lebensprozessen in Raum und Zeit bei zellulärer Auflösung.“
Neben den Talgdrüsen der Haut gibt es spezialisierte Talgdrüsen, die im Körper ganz bestimmte Funktionen erfüllen. Die Meibom-Drüsen am Rand der Augenlider produzieren beispielsweise eine ölige Substanz, die die Lipidschicht (Fettphase) des Tränenfilms bildet. Dies verhindert, dass Tränen verdunsten. Wenn diese Lipidschicht gestört ist, verursacht dies Entzündungen und trockene Augen. Eine ähnliche Kartierung der Veränderungen der Genexpression in der Meibom-Drüse steht kurz vor dem Abschluss.
Mehr Informationen:
Maria Schmidt et al, Ein räumliches Porträt des Transkriptionsprogramms der menschlichen Talgdrüse, Zeitschrift für biologische Chemie (2024). DOI: 10.1016/j.jbc.2024.107442