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Dissecting mechanisms of functional cell death "corneoptosis" and stratum corneum homeostasis regulated by pH and its clinical application

Research Project

Project/Area Number 22H04994
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section I
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

天谷 雅行  慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (90212563)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松井 毅  東京工科大学, 応用生物学部, 教授 (10452442)
福田 桂太郎  国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 上級研究員 (60464848)
Project Period (FY) 2022-04-27 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥193,440,000 (Direct Cost: ¥148,800,000、Indirect Cost: ¥44,640,000)
Fiscal Year 2025: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000)
Fiscal Year 2024: ¥36,920,000 (Direct Cost: ¥28,400,000、Indirect Cost: ¥8,520,000)
Fiscal Year 2023: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000)
Fiscal Year 2022: ¥46,150,000 (Direct Cost: ¥35,500,000、Indirect Cost: ¥10,650,000)
KeywordspH制御 / 機能的細胞死 / コルネオトーシス / 角層恒常性維持機構 / 皮膚微生物叢 / 角層pH三層構造 / 角層pHライブイメージング / 環境適応層 / 黄色ブドウ球菌 / カリクレイン / 落屑 / ノンターゲットプロテオミクス / ノンターゲットリピドミクス / 無菌マウス
Outline of Research at the Start

我々の皮膚の表面を覆う角層は、角化細胞が細胞死を起こし、細胞体がある一定層堆積してできており、皮膚のバリアとして機能している。本研究では、この細胞死(コルネオトーシス)の過程を分子レベルで明らかにし、さらに、死んだ後にも分化し続け、一定の状態を維持し続けるしくみを、pHによる制御メカニズムに注目して、分子レベルで解明することを目指す。さらに、アトピー性皮膚炎に対し、角層pHにより皮膚微生物叢を制御した新しい治療法を考案する。

Outline of Annual Research Achievements

角層pHのライブイメージング解析により、角層のpHは、角層下層で弱酸性(pH 6.0)、角層中層で酸性(pH 5.4)、角層上層で中性(pH 6.7)と段階的に変化し、体の部位によらず、あらゆる角層で角層pH三層構造が維持されていることを明らかにした。また、角層下層のpHはコルネオトーシスの酸性化に由来し、角化細胞は死んだ後も分化して、酸性を呈する角層中層、中性を呈する角層上層を形成することも明らかにした。
タイトジャンクション(TJ)の構成分子であるClaudin-1の表皮特異的KOマウスの角層pHを観察したところ、角層pH三層構造は消失し、角層全体が中性化していた。角層pH三層構造の形成はTJに依存することが示唆された。また、角層に異なるpHの溶液を塗布した後、角層pHを観察した結果、角層上層は、外部の環境に応じてpHを変化させる「環境適応層」であることがわかった。さらに、無菌マウスの角層pHを観察したところ、中性を呈する角層上層は消失していた。しかし、無菌マウスとSPFマウスと同居させると、1週間後には無菌マウスでも中性を呈する角層上層を認めた。角層上層は、皮膚細菌叢により中性を呈することが示唆された。
続いて、角層とS.aureusのライブイメージング解析を行った。酸性を呈する角層中層は、黄色ブドウ球菌の侵入を阻止するバリアとして機能することを示した。最後に、角層の剥離に関わるタンパク分解酵素であるカリクレイン(KLK)とKLKのインヒビターであるLEKTIの動態、そして角層pHイメージングマウスの角層内pH分布を加味した数理モデルを構築し、角層内のKLKの酵素活性を算出した。その結果、角層pH三層構造は、角層が一定の厚みを保つために皮膚表面でのみ落屑を起こすのに適した構造であることがわかった。角層は角層pH三層構造を形成し、角層恒常性を維持することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

コルネオトーシスの起動はタイトジャンクション(TJ)が移り変わるタイミングで起こることが明らかにされ(未発表)、さらに、角層が段階的に3層のpH層を有し、それぞれのpH層の生物学的意義を解明することができた(Fukuda K et al. Nat Commun. In press)。
現在、角層pH恒常性維持機構に関わる分子を同定するため、2つのアプローチをとっている。1つは、角層pH三層構造の形成が障害されていることが予想される先天性魚鱗癬モデルマウスの作製とそのマウスの角層pH解析である。これらのマウスの作製は、最終段階に来ており、2024年度に完成する見込みが高い。もう1つのアプローチが網羅的脂質解析であるノンターゲットリピドミクス解析により、角層上・中・下層のそれぞれの層で特異的に高発現している脂質を同定し、その脂質の角層pH恒常性維持機構への関与を解析する方法である。具体的には、ノンターゲットリピドミクス解析で浮上した候補脂質の合成に関わる酵素を表皮モザイク遺伝子破壊法用いて、マウスの皮膚で欠損させ、角層pHの評価を行う。
我々は、ヒト皮膚をNSGマウスに植皮して、生着した皮膚にpHプローブやTJ、Ca2+のプローブを導入することで、ヒト皮膚において角層pH三層構造が形成されているか、コルネオトーシスがマウスで観察されていると同様に起きているかの検証ができる状態にある。このように、角層pH恒常性維持機構の解明に必要な研究の準備が着実に進んでおり、同様のアプローチでコルネオトーシスの分子メカニズムを明らかにして行く予定である。
角層pHと皮膚微生物叢の制御による治療法の開発に関しても、角層pHと皮膚微生物叢のdualライブイメージングが計画通り進んでいる。現在、S.aureus やS.epidermidisが角層pH三層構造とどのように相互作用するか解析している。

Strategy for Future Research Activity

1. ヒト皮膚における角層pH三層構造の形成、コルネオトーシス現象の検証:NSGマウスに健常人皮膚を植皮し、角層pH三層構造形成の観察のためにpHプローブ、 コルネオトーシス現象の検証のために、細胞内Ca2+ プローブやタイトジャンクションのプローブが入ったプラスミドを植皮部に導入する。そして、共焦点顕微鏡で角層pH三層構造の形成、コルネオトーシス過程がマウスと同様に起きているか検証する。
2. 角層pH制御機構に関わる脂質の同定:角層上・中・下層で高発現している脂質を同定するため、野生型および先天性魚鱗癬角層pHイメージングマウスの角層上・中・下層をtape stripで分取し、ノンターゲットリピドミクス解析を行う。解析から浮上した角層pH制御への関与が疑われる脂質の合成酵素のgRNAプラスミドを作製し、Cas9・角層pHイメージングマウスの皮膚を植皮したNSGマウスの植皮部にgRNAプラスミドを皮内注する。そして、角層pH ライブイメージングを行い、角層pHの制御に関与する分子を同定する。
3. 皮膚微生物叢による角層pH恒常性維持機構の解明:角層pHの恒常性維持に関わると推定される脂質の代謝酵素を欠損させたS.aureus, S.epidermidis を作製する。そして、野生型や皮膚炎モデルマウスの耳に塗布し、角層pHライブイメージングから角層pHと皮膚微生物の相互作用を明らかにする。
4. コルネオトーシスの起動シグナルの同定:SG1 細胞のRNA-seq データから、コルネオトーシスの起動シグナルとなりうる分子を絞り込み、候補分子のgRNA プラスミドを作製する。そして、Cas9とCa2+プローブが導入されたマウスの皮膚を植皮したNSGマウスの植皮部にgRNAプラスミドを皮内注し、コルネオトーシスのライブイメージングを行い、コルネオトーシスの起動シグナルを同定する。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(5 results)
  • 2024 Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 10 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Three stepwise pH progressions in stratum corneum for homeostatic maintenance of the skin.2024

    • Author(s)
      Fukuda K, Ito Y, Furuichi Y, Matsui T, Horikawa H, Miyano T, Okada T, van Logtestijn M, Tanaka RJ, Miyawaki A, *Amagai M
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: -

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Keratinocytes of the Upper Epidermis and Isthmus of Hair Follicles Express Hemoglobin mRNA and Protein2023

    • Author(s)
      Tahara Umi、Matsui Takeshi、Atsugi Toru、Fukuda Keitaro、Terooatea Tommy W.、Minoda Aki、Kubo Akiharu、Amagai Masayuki
    • Journal Title

      Journal of Investigative Dermatology

      Volume: 143 Issue: 12 Pages: 2346-2355.e10

    • DOI

      10.1016/j.jid.2023.08.008

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Multifaceted analysis of cross-tissue transcriptomes reveals phenotype-endotype associations in atopic dermatitis2023

    • Author(s)
      Sekita A, Kawasaki H, Fukushima-Nomura A, Yashiro K, Tanese K, Toshima S, Ashizaki K, Miyai T, Yazaki J Kobayashi A, Namba S, Naito T, Wang Q S., Kawakami E, Seita J, Ohara O, Sakurada K, Okada Y, Amagai M, Koseki H
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14(1) Issue: 1 Pages: 6133-6133

    • DOI

      10.1038/s41467-023-41857-8

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Comprehensive Genomic Characterization of Staphylococcus aureus Isolated from Atopic Dermatitis Patients in Japan: Correlations with Disease Severity, Eruption Type, and Anatomical Site2023

    • Author(s)
      Obata Shoko、Hisatsune Junzo、Kawasaki Hiroshi、Fukushima-Nomura Ayano、Ebihara Tamotsu、Arai Chika、Masuda Kanako、Kutsuno Shoko、Iwao Yasuhisa、Sugai Motoyuki、Amagai Masayuki、Tanese Keiji
    • Journal Title

      Microbiology Spectrum

      Volume: 11 Issue: 4 Pages: 0523922-0523922

    • DOI

      10.1128/spectrum.05239-22

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Involvement of skin TRPV3 in temperature detection regulated by TMEM79 in mice.2023

    • Author(s)
      Lei J, Yoshimoto RU, Matsui T, Amagai M, Kido MA, Tominaga M
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 (1) Issue: 1 Pages: 4104-4104

    • DOI

      10.1038/s41467-023-39712-x

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dissecting skin microbiota and microenvironment for the development of therapeutic strategies2023

    • Author(s)
      Ito Yoshihiro、Amagai Masayuki
    • Journal Title

      Current Opinion in Microbiology

      Volume: 74 Pages: 102311-102311

    • DOI

      10.1016/j.mib.2023.102311

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Controlling skin microbiome as a new bacteriotherapy for inflammatory skin diseases2022

    • Author(s)
      Ito Yoshihiro、Amagai Masayuki
    • Journal Title

      Inflammation and Regeneration

      Volume: 42 Issue: 1 Pages: 26-26

    • DOI

      10.1186/s41232-022-00212-y

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Type 2 Inflammation Contributes to Skin Barrier Dysfunction in Atopic Dermatitis2022

    • Author(s)
      Beck Lisa A.、Cork Michael J.、Amagai Masayuki、De Benedetto Anna、Kabashima Kenji、Hamilton Jennifer D.、Rossi Ana B.
    • Journal Title

      JID Innovations

      Volume: 2 Issue: 5 Pages: 100131-100131

    • DOI

      10.1016/j.xjidi.2022.100131

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Increase in the Intracellular Bulk Water Content in the Early Phase of Cell Death of Keratinocytes, Corneoptosis, as Revealed by 65 GHz Near-Field CMOS Dielectric Sensor2022

    • Author(s)
      Shiraga Keiichiro、Ogawa Yuichi、Kikuchi Shojiro、Amagai Masayuki、Matsui Takeshi
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 27 Issue: 9 Pages: 2886-2886

    • DOI

      10.3390/molecules27092886

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Microbiota-Independent Spontaneous Dermatitis Associated with Increased Sebaceous Lipid Production in Tmem79-Deficient Mice2022

    • Author(s)
      Morimoto Ari, Fukuda Keitaro, Ito Yoshihiro, Tahara Umi, Sasaki Takashi, Shiohama Aiko, Kawasaki Hiroshi, Kawakami Eiryo, Naganuma Tatsuro, Arita Makoto, Sasaki Hiroyuki, Koseki Haruhiko, Matsui Takeshi, Amagai Masayuki
    • Journal Title

      Journal of Investigative Dermatology

      Volume: 142 Issue: 11 Pages: 2864-2872.e6

    • DOI

      10.1016/j.jid.2022.06.003

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ヘモグロビンαは表皮上層と毛包峡部の角化細胞に発現し、酸化ストレスにより誘導される2023

    • Author(s)
      田原海、松井毅、福田桂太郎、天谷雅行
    • Organizer
      第44回日本炎症・再生医学会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Acid mantle of the stratum corneum is a shield against bacterial entry into the underlying epidermal layers2023

    • Author(s)
      Ito Yoshihiro, Fukuda Keitaro, Ozawa Ritsuko, Amagai Masayuki
    • Organizer
      1st International Society for Investigative Dermatology Meeting
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stratum corneum homeostasis requires three-stepwise pH zones mediated by the functional cell death of keratinocytes, corneoptosis.2023

    • Author(s)
      Fukuda Keitaro, Ito Yoshihiro, Furuichi Yuki, Miyano Takuya, Tanaka Reiko, Matsui Takeshi, Amagai Masayuki
    • Organizer
      1st International Society for Investigative Dermatology Meeting
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Homeostatic mechanisms of stratum corneum as niche for skin microbiota.2022

    • Author(s)
      Amagai M
    • Organizer
      51st Annual Meeting of the Japanese Society for Immunology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Spontaneous dermatitis associated with elevated sebaceous lipid production in Tmem79-deficient mice.2022

    • Author(s)
      Morimoto A, Fukuda K, Ito Y, H. K, Kawakami E, Arita M, Koseki H, Matsui T, Amagai M.
    • Organizer
      51st Annual Meeting of the Japanese Society for Immunology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Corneoptosis, functional keratinocyte cell death, is tightly associated with spaciotemporal dynamics of epidermal tight junctions2022

    • Author(s)
      Matsui T, Urabe M, Fukuda K, Amagai M.
    • Organizer
      2022 Annual Meeting of Society for Investigative Dermatology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three stepwise pH zones to form functional stratum corneum.2022

    • Author(s)
      Fukuda K, Furuichi Y, Miyano T, Tanaka J, Matsui T, Amagai M.
    • Organizer
      2022 Annual Meeting of Society for Investigative Dermatology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 角層微小環境による皮膚細菌叢の制御2022

    • Author(s)
      天谷雅行
    • Organizer
      第43回日本炎症・再生医学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Tmem79欠損マウスの自然発症皮膚炎の発症に皮脂腺脂質の増加が関与する.2022

    • Author(s)
      森本亜里, 福田桂太郎, 伊東可寛, 佐々木貴史, 塩濱愛子, 川崎洋, 川上英良, 永沼達郎, 有田誠, 古関明彦, 松井毅, 天谷雅行.
    • Organizer
      第43回日本炎症・再生医学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 新しい細胞死コルネオトーシスとライブイメージング.2022

    • Author(s)
      天谷雅行
    • Organizer
      第121回日本皮膚科学会総会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited

URL: 

Published: 2022-04-28   Modified: 2025-04-17  

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