The role of histone variant H2A.J in radiation dermatitis

Abstract

Histone variant H2A.J is connected with premature senescence following ionizing radiation (IR) and modifies senescence-associated secretory phenotype (SASP). Using a preclinical in-vivo model the role of H2A.J was investigated in the acute phase of radiation dermatitis. H2A.J wild-type (WT) and knock-out (KO) mice were exposed to moderate (1x or 5x 2Gy, whole-body IR) or high doses (10Gy or 20Gy, dorsal skinfold IR). Radiation-induced skin reactions were analysed at 24h/ 72h/ 1w/ 2w post-IR at the macroscopic (skin lesions) and microscopic level (hair follicle density, epidermal thickness). H2A.J and other senescence markers (SA-β-Gal, laminB1) were analysed in epidermal keratinocytes by immunohistochemistry and immunofluorescence microscopy. ELISA measurements showed higher cytokine expression in conditioned medium acquired from skin cultures of KO and WT mice. In WT skin epidermal keratinocytes showed a time- and dose-dependent H2A.J accumulation following IR exposure. Unexpectedly, significantly stronger radiation reactions were observed in irradiated KO versus WT skin with stronger inflammatory reactions and hair follicles loss. Clearly more radiation-induced senescence was observed in epidermal keratinocytes of KO versus WT skin after moderate and high IR doses. Among various keratinocyte populations significant differences in senescence induction were observed, with hair follicle stem cells (HFSCs) in bulge regions of KO skin being particularly badly damaged at high doses, leading to increased hair follicle atrophy. Neutrophil-derived myeloperoxidase led to increased tissue damage in irradiated KO skin, and subsequently to excessive proliferation and abnormal differentiation of keratinocytes, probably through regulatory mechanisms of transcription-factor JunB, eventually leading to more pronounced epidermal hyperplasia. In conclusion, through epigenetic regulation of pro-inflammatory genes in response to IR exposure, H2A.J expression in epidermal keratinocytes plays an obligatory role in balancing the innate immune response during radiation dermatitis.

Die Histonvariante H2A.J ist mit vorzeitiger Seneszenz nach ionisierender Strahlung (IR) assoziiert und moduliert den Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyp (SASP). Anhand eines präklinischen in-vivo-Modells wurde die Rolle von H2A.J in der akuten Phase der Strahlendermatitis untersucht. H2A.J-wild-typ (WT) und knock-out (KO) Mäuse wurden moderaten (1x oder 5x 2Gy, Ganzkörper-IR) oder hohen Dosen (10Gy oder 20Gy, dorsale Hautfalten-IR) ausgesetzt. Strahleninduzierte Hautreaktionen wurden 24h/ 72h/ 1w/ 2w post- IR auf makroskopischer (Hautläsionen) und mikroskopischer Ebene (Haarfollikeldichte, epidermale Dicke) analysiert. H2A.J und andere Seneszenzmarker (SA-β-Gal, LaminB1) wurden in epidermalen Keratinozyten durch Immunhistochemie und Immunfluoreszenzmikroskopie analysiert. In WT-Haut zeigten epidermale Keratinozyten eine zeit- und dosisabhängige H2A.J-Akkumulation nach IR Exposition. Unerwarteterweise wurden signifikant stärkere Strahlenreaktionen bei bestrahlter KO versus WT Haut mit stärkeren Entzündungsreaktionen und Haarfollikelverlust beobachtet. Deutlich mehr strahleninduzierte Seneszenz wurde in epidermalen Keratinozyten von KO im Vergleich zu WT Haut nach moderaten und hohen IR-Dosen beobachtet. Unter verschiedenen Keratinozyten-Populationen wurden signifikante Unterschiede in der Seneszenz-Induktion beobachtet, wobei Haarfollikel-Stammzellen (HFSCs) in Bulge-Regionen der KO Haut bei hohen Dosen besonders stark geschädigt wurden, was zu einer erhöhten Haarfollikel-Atrophie führte. Aus Neutrophilen stammende Myeloperoxidase führte zu einer erhöhten Gewebeschädigung in bestrahlter KO Haut und anschließend zu einer übermäßigen Proliferation und abnormalen Differenzierung von Keratinozyten, wahrscheinlich durch regulatorische Mechanismen des Transkriptionsfaktors JunB, was schließlich zu einer ausgeprägteren epidermalen Hyperplasie führte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die strahleninduzierte H2A.J Expression in epidermalen Keratinozyten die Entzündungsreaktionen im Rahmen der Strahlendermatitis durch epigenetische Regulationsmechanismen wesentlich beeinflusst.