Role of TG3 in the protection of epidermis from UVB photodamage

Transglutaminase (TG3) is a soluble protein that belongs to an important family of Ca2+-dependent enzymes responsible for protein cross-linking. Transglutaminases stabilize protein assemblies by catalysing the formation of intra- or intermolecular Nε(γglutamyl)lysine bonds between adjacent polypeptides. TGs family includes nine members, among them three (TG1, TG3 and TG5) expressed in the skin during keratinocyte differentiation. This process is an exclusive model of terminal differentiation and programmed cell death, also known as cornification. During cornification, TG3 undergoes to proteolytic activation resulting in high cross-linking activity enzyme. It cooperates with TG1 for the assembly and the reinforcement of the stratum corneum, by catalysing the cross-linking of several structural proteins, including loricrin, small proline-rich proteins, and trichohyalin. In our study, we characterized a novel TG3-deficient mouse. TG3-depleted mice have normal gross morphology, but we identified an altered expression of the late differentiation markers in the TG3KO epidermis. Since CEs isolated from TG3KO epidermis are more susceptible to sonication than WT, we hypothesized that TG3KO mice could be more sensitive to apoptosis induced by UVB than WT mice, due to the decreased UVBfiltering capacity of the stratum corneum. We found that the skin of TG3-deficient mice is high sensitive to the formation of cyclobutane pyrimidine dimers after UVB irradiation of new-born mice skin, leading to increased level of UVB-induced cell death. This data have been confirmed by a stronger activation of the caspase 3 and a higher amount of TUNEL-positive cells in irradiated TG3KO skin. Our results indicate that TG3 strongly contributes to the protective function of the stratum corneum from UVB, by reinforcing CEs adding specific crosslinks. This novel finding could explain the reason for including TG3 among candidate tumour suppressor genes in human head and neck cancers.

La transglutaminasi 3 è una proteina solubile che appartiene a un’importante famiglia di enzimi dipendenti dal Ca2+, che catalizzano diversi tipi di modificazioni post-traduzionali. La più studiata e nota reazione catalizzate dalle transglutaminasi è il legame crociato tra proteine. La generazione di legami covalenti ε(γ-glutamil)lisina tra polipeptidi adiacenti oppure intracatena, permette la stabilizzazione di complessi proteici durante vari processi cellulari. La famiglia delle transglutaminasi include nove membri, di cui tre (TG1, TG3 e TG5) sono espressi nella pelle durante il differenziamento dei cheratinociti. Questo processo è noto come cornificazione e rappresenta un modello esclusivo di differenziamento e morte cellulare programmata. Durante la cornificazione, la TG3 è attivata tramite proteolisi, che le permette di cooperare con la TG1 nell’assemblaggio e il rinforzo dello strato corneo. La TG3 catalizza la formazione di legami crociati di diverse proteine strutturali, tra cui la loricrina, le small proline-rich proteins e la tricoialina. Nel nostro lavoro, abbiamo caratterizzato un nuovo modello di topo knockout per TGM3 (TG3KO), il gene codificante la TG3. Nonostante i topi non esprimenti la TG3 presentino un fenotipo apparentemente normale, abbiamo scoperto che nella loro epidermide c’è un’alterazione dell’espressione dei marcatori tardivi del differenziamento cheratinocitico. Avendo anche dimostrato che i corneociti estratti dall’epidermide dei topi TG3KO sono più suscettibili alla disintegrazione cellulare con ultrasuoni (sonicazione) rispetto ai WT, abbiamo ipotizzato che i topi TG3KO potessero essere più sensibili all’apoptosi indotta da irradiazione UVB, per via di una ridotta capacità filtrante dello strato corneo. Con i nostri esperimenti, abbiamo quindi provato che I’assenza della TG3 causa una maggiore formazione di dimeri di pirimidine a seguito dell’irradiazione con UVB di topi neonati di 5 giorni di età. L’esteso danno al DNA fa sì che, di conseguenza, nell’epidermide dei topi TG3KO sia presente anche un maggior numero di cellule apoptotiche. Tali dati sono stati confermati dal rilevamento di un cospicuo livello di caspasi 3 attiva e di cellule TUNEL-positive nell’epidermide dei topi TG3KO rispetto ai WT. In conclusione, i nostri risultati indicano che il legame crociato dei precursori dell’involucro corneo mediato dalla TG3 contribuisce in maniera importante alla funzione protettiva dello strato corneo dagli UVB. Questa nuova evidenza potrebbe anche spiegare il motivo per il quale la TG3 è inclusa tra i fattori prognostici e i candidati soppressori tumorali dei tumori umani della testa e del collo.