A new cell model to study human skin pigmentation in keratinocytes and characterization of the melanin reservoir in health and disease - Institut Curie Access content directly
Theses Year : 2021

A new cell model to study human skin pigmentation in keratinocytes and characterization of the melanin reservoir in health and disease

Un nouveau modèle cellulaire pour étudier la pigmentation de la peau humaine dans les kératinocytes et caractérisation du réservoir de mélanine dans la santé et la maladie

Silvia Benito Martinez
  • Function : Author
  • PersonId : 1318654
  • IdRef : 259936529

Abstract

Human skin color and protection against ultraviolet (UV) solar radiations rely on melanin pigments production and release by epidermal melanocytes, and later storage by keratinocytes. The released melanin particles, called melanocores, reside in keratinocytes within novel membrane-bound compartments for days to weeks. There, melanocore-positive (+) organelles are positioned near the nucleus, presumably to protect the genetic material from UV damage. Although likely essential for skin coloration and photoprotection, the biology of the melanocore+ organelle, such as its uptake, biogenesis, trafficking, position or maintenance, remains largely unknown. Here, we generated a new in vitro 2D cell model close to human skin physiology, composed of melanocores and normal human keratinocytes. A combination of biochemical and cell biology approaches with electron and optical imaging demonstrated that the model recapitulates the main features of keratinocyte pigmentation observed in situ, and that is compatible with the study of DNA photo-protection. Drugs treatment or loss of expression of genes targeting cytoskeletons showed that microtubules and Keratin-5 (K5)+ intermediate filaments control the perinuclear trafficking and immobilization of the melanocore+ organelle, respectively. Moreover, the K5-dependent-immobilization appeared targeted in the rare inherited pigmentary disorder Dowling-Degos disease. By generating this cell system, we define the first building blocks that regulate pigment trafficking and positioning in keratinocytes, as well as their defects in genetic pigmentary disorders associated with increased susceptibility to skin cancers. This new cell model allows the identification of new regulatory mechanisms of pigmentation and photoprotection that may open to strategies for their modulation in health and disease conditions.
La couleur et protection de la peau humaine contre les rayons solaires ultraviolets (UV) reposent sur la production et la libération des pigments de mélanine par les mélanocytes de l'épiderme, puis de leur stockage par les kératinocytes. Les pigments libérés, appelés mélanocores, résident dans les kératinocytes à l'intérieur de nouveaux compartiments membranaires pendant des jours, voire des semaines. Là, ces organites mélanocores-positifs (+) se positionnent près du noyau, vraisemblablement pour protéger son matériel génétique des dommages causés par les UV. Bien que probablement essentiel à la coloration de la peau et à sa photo-protection, la biologie de l'organite mélanocore+, comme son internalisation, sa biogenèse, son trafic, sa position ou son maintien, reste largement inconnue. Ici, nous avons généré un nouveau modèle cellulaire in vitro en 2D proche de la physiologie de la peau humaine, composé de mélanocores et de kératinocytes humains normaux. La combinaison d'approches biochimiques et de biologie cellulaire couplées à l'imagerie électronique et optique a démontré que ce modèle récapitule les principales caractéristiques de la pigmentation des kératinocytes observées in situ, et qu'il s’avère compatible à l’étude de la photo-protection de l'ADN. Le traitement par des drogues ou la perte d'expression de gènes qui ciblent le cytosquelette ont montré que les microtubules et les filaments intermédiaires Keratin-5 (K5)+ contrôlent respectivement le trafic périnucléaire et l'immobilisation de l'organite mélanocore+. De plus, l'immobilisation dépendante de K5 est apparue altérée dans la maladie pigmentaire héréditaire rare de Dowling-Degos. En générant ce système cellulaire, nous identifions les premiers éléments constitutifs qui régulent le trafic et le positionnement des pigments dans les kératinocytes, ainsi que leurs défauts dans des troubles pigmentaires génétiques associés à une susceptibilité accrue aux cancers de la peau. Ce nouveau modèle cellulaire permettra d'identifier de nouveaux mécanismes de régulation de la pigmentation et de la photoprotection qui pourraient ouvrir la voie à des stratégies pour leur modulation dans la santé et la maladie.
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Dates and versions

tel-04317028 , version 1 (01-12-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04317028 , version 1

Cite

Silvia Benito Martinez. A new cell model to study human skin pigmentation in keratinocytes and characterization of the melanin reservoir in health and disease. Molecular biology. Université Paris sciences et lettres, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPSLS078⟩. ⟨tel-04317028⟩
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