Evolution of keratins

• Main Author: Ehrlich, Florian
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2019
• Subjects: Keratine; Gen Familie; Evolution; K23; K24; Haut; Hautanhangsgebilde; evolutionäre Innovation; phänotypische Plastizität; keratins; gene family; skin; skin appendages; evolutionary innovation; phenotypic plasticity; walross; walrus*
• Online Access: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubmuw:1-26984

Keratine bilden das Zytoskelett von Epithelzellen. Eine große Zahl verschiedener Keratine wird in den diversen Epithelien des Menschen und anderer Vertebraten exprimiert. Diese Dissertation hatte zum Ziel, die Expressionsmuster ausgewählter, bisher inkomplett charakterisierter Keratine zu bestimmen und Modelle der Evolution jener Keratine zu erstellen, die zu den widerstandsfähigen Zellschichten der Epidermis und der Hautanhangsgebilde beitragen. Im ersten Teil dieses Projekts wurde gezeigt, dass Keratin 23 (K23), welches zuvor nur als induzierbares Protein einschichtiger Epithelien bekannt war, und eine neue Spleißvariante von K10 in der humanen Epidermis exprimiert werden. Mittels vergleichender Genomanalyse konnte der Verlust der suprabasalen Keratine der Epidermis, (K1, K2 und K10) in aquatischen Säugetieren gezeigt werden, während die stressassoziierten Keratine K6 und K17 im Transkriptom der Haut von Delfinen detektiert wurden. Diese Resultate deuten darauf hin, dass das homöostatische epidermale Differenzierungsprogramm terrestrischer Säugetieren in Delfinen durch das epidermale Stressprogramm ersetzt wurde. Der zweite Teil dieses Dissertationsprojekts zeigte ein im Vergleich zur Epidermis hohes Expressionsniveau von K24 in suprabasalen Zellschichten der Hornhaut des humanen Auges. Vergleichende Genomstudien zeigten den Verlust von K24 in Walen, Ohrenrobben, Walross und auch in Kamelen, was auf evolutionäre Anpassungen der Hornhaut in verschiedenen Säugetieren hindeutet. Im dritten Teil der Arbeit wurde eine Gruppe von Keratinen identifiziert, die einen hohen Cysteingehalt aufweisen, ausschließlich in Sauropsiden (Reptilien und Vögel) vorkommen, aber nicht direkt mit den Haarkeratinen der Säugetiere verwandt sind. Die Expression eines dieser Keratine konnte mittels Immunohistochemie in den kornifizierenden Teilen von Federn nachgewiesen werden. Die Studie deutet auf eine konvergente Evolution von cysteinreichen Keratinen im Zytoskelett von Haaren und Federn hin. Zusammenfassend demonstrieren die Resultate dieser Dissertation die wichtigen Rollen der genetischer Diversifizierung, des Verlusts einzelner Gene in Genfamilien und der Konvergenz von Aminosäuresequenzen in der Evolution von Keratinen. Keratins are the main components of the cytoskeleton in epithelial cells. A large number of keratins are expressed in different epithelia of humans and other vertebrates. The aims of this PhD thesis were to determine the tissue expression patterns of a selected set of keratins in mammals and birds, to determine the presence of keratin gene homologs in terrestrial vertebrates and to build models of the evolution of those keratins that establish the highly resistant cell layers on the body surface and the skin appendages. Studies of the first part of the thesis demonstrated that K23, previously detected only in simple epithelia, and a newly characterized splice variant of keratin K10 are expressed in human epidermis. Comparative genomics and transcriptomics showed absence of the suprabasal epidermal keratins K1, K2, and K10 in fully aquatic mammals as well as expression of K6 and K17, which are tissue stress-associated keratins, in the skin of dolphins. This suggested that the homeostatic epidermal differentiation program of terrestrial mammals has been replaced by an evolutionarily ancient epidermal stress response program in dolphins. In the second part of the thesis, K24 was shown to be expressed at high levels in the suprabasal epithelial layers of the cornea of the eye whereas its expression levels are extremely low in the epidermis of the skin. Several aquatic mammals, such as dolphins, whales, eared seals and walrus lack K24; but it has also been lost in camels, indicating that different types of evolutionary adaptation of the integument are compatible with the absence of K24. The third part of the thesis led to the identification of a group of cysteine-rich keratins, not directly related to mammalian hair keratins, that are present exclusively in sauropsids (reptiles and birds). One of these keratins was detected, by immunohistochemistry with newly made antiserum, in the cornifying feathers of the chicken. These results suggested convergent evolution of cysteine-rich keratins as cytoskeletal components of feathers and hair. In conclusion, the results of this thesis demonstrate important roles of genetic diversification, gene loss and amino acid sequence convergence in the evolution of keratins. Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft Medizinische Universität Wien, Diss., 2019 (VLID)4795776