Exploring the impact of serine metabolism on cytokine signalling in psoriasis

La pelle è una barriera fisica e immunitaria che protegge l'organismo dalla perdita di acqua, dagli insulti meccanici e dalle infezioni di agenti patogeni. È un tessuto con un alto profilo metabolico e di rinnovamento e ospita al suo interno diversi tipi di cellule, tra cui cheratinociti e immunociti. Dato il suo fondamentale ruolo nella protezione dell’organismo, l'omeostasi cutanea deve essere strettamente regolata; tuttavia, questa regolazione può fallire, conducendo a malattie della pelle come il cancro e le malattie cutanee a base infiammatoria, come la psoriasi. La psoriasi è una patologia immunomediata, che colpisce circa il 2% della popolazione mondiale ed è caratterizzata dalla presenza di lesioni note come “placche”, porzioni di pelle infiammata estremamente dolorose che contengono un massiccio infiltrato immunitario insieme a cheratinociti che mostrano capacità replicative e differenziative aberranti. Le opzioni terapeutiche attualmente disponibili per il trattamento della malattia si dimostrano ad oggi fortemente inadeguate, a causa dei pericolosi effetti collaterali associati alla loro somministrazione a lungo termine, che per altro può avvenire solo in ambienti specializzati. I trattamenti per la cura della malattia mostrano, inoltre, perdita di efficacia nel tempo e possono dunque offrire ai pazienti solo benefici a breve termine; essi sono, inoltre, caratterizzati da altissimi costumi di produzione. Tutti questi fattori sono causa di un fardello psicologico oltre che fisico per i pazienti affetti da psoriasi, rendendo questa patologia una malattia socialmente rilevante con una forte necessità di sviluppo di terapie nuove ed efficaci. Il metabolismo ad un atomo di carbonio è una via anabolica in grado di sostenere la crescita cellulare fornendo alle cellule ATP e nucleotidi per la sintesi del DNA, grazie alla conversione della serina in glicina da parte delle Serina Idrossi-Metil Transferasi (SHMT1 e SHMT2); l’attività di questi enzimi fornisce substrati anche per il ciclo della metionina e del folato i quali, insieme all’attività di questi enzimi, contribuiscono alla crescita cellulare e possono condurre, se disregolate, a condizioni patologiche come ad esempio il cancro. Poiché come quest’ultimo anche la psoriasi è caratterizzata da un'aumentata proliferazione cellulare, in questo studio abbiamo esplorato il contributo del metabolismo della serina nella psoriasi. Per fare ciò abbiamo dapprima messo a punto un modello di differenziamento in vitro di cheratinociti umani in cui indurre il fenotipo psoriasico attraverso il trattamento con citochine tipicamente associate alla patologia, in presenza di modulatori del metabolismo della serina; successivamente, i nostri studi sono invece stati condotti su un modello murino di psoriasi (IMQ), per la caratterizzazione del ruolo della disponibilità di serina extracellulare nello sviluppo del fenotipo psoriasico in vivo. Utilizzando il nostro modello di differenziamento in vitro di cheratinociti umani psoriasici abbiamo scoperto che la modulazione del metabolismo della serina può influenzare gli effetti indotti dalle citochine sulla proliferazione e la produzione di mediatori infiammatori dei cheratinociti, nonché l'attivazione delle vie di segnalazione delle citochine, mentre tale modulazione non influisce sul differenziamento dei cheratinociti. Inoltre, utilizzando il modello murino di psoriasi IMQ in vivo, abbiamo studiato il ruolo della deprivazione di serina e glicina extracellulari, piuttosto che l'inibizione del catabolismo della serina, sullo sviluppo dei tratti distintivi associati alla psoriasi, riscontrando una sostanziale inversione del fenotipo indotto dall'IMQ nei topi alimentati con una dieta priva di serina e glicina, a livello istologico ma non a livello molecolare. In conclusione, il nostro studio in vitro ha dimostrato che l'inibizione del catabolismo della serina attraverso la somministrazione di SHIN1 è in grado di influenzare gli effetti indotti dalle citochine psoriasiche sulla proliferazione dei cheratinociti e sul loro profilo infiammatorio, mentre il nostro studio in vivo ha dimostrato che la privazione extracellulare di serina e glicina può invertire in una certa misura lo sviluppo delle caratteristiche psoriasiche, anche in questo caso influenzando la proliferazione dei cheratinociti e il conseguente ispessimento epidermico. Nel complesso, i dati di questo lavoro ampliano le conoscenze sull'interazione tra il metabolismo della serina nei cheratinociti e lo sviluppo del fenotipo psoriasico in queste cellule, fornendo inoltre una prospettiva più completa sul contributo del metabolismo della serina nello sviluppo della malattia in vivo, concentrandosi sulla disponibilità di serina extracellulare.

The skin is a physical and immune barrier protecting the organism against water loss, mechanical insults, and pathogen infection. It has an active metabolic and renewing profile and harbours several cellular types, including keratinocytes and immunocytes. Given its fundamental protective role, skin homeostasis must be tightly regulated; however, this regulation might fail, leading to skin disorders such as skin cancer and inflammatory-mediated skin diseases (ISDs) such as Psoriasis. Psoriasis is an immune-mediated skin disorder affecting around 2% of population worldwide and is characterized by the presence of lesions known as “plaques”, extremely hurting, inflamed, skin portions containing a massive immune cell infiltrate together with keratinocytes displaying aberrant proliferation and differentiation capabilities. As regards disease treatment, the currently available therapeutic options can only provide affected individuals with short-term benefits, due to long-term administration-associated dangerous side effects; plus, they are characterized by continuous need for re-administration in clinical setting, show loss of efficacy over time and are extremely expensive. For these reasons, psoriasis represents to date a socially relevant disease with a strong and ongoing need for new and alternative therapy development. One Carbon Metabolism is an anabolic metabolism able to sustain cellular growth by providing cells with ATP and nucleotides for DNA synthesis, thanks to serine conversion into glycine by the Serine Hydroxy Methyl Transferases (SHMT1 and SHMT2) which fuel the downstream methionine and folate cycle, and is found dysregulated in over proliferative diseases such as cancer. Since psoriasis is characterized by increased cellular proliferation as well, here we focused on the contribution of One Carbon Metabolism to the pathology, studying the effects of serine metabolism modulation on psoriasis features development, first establishing an in vitro psoriatic-like human keratinocyte differentiation model and then using a murine model of psoriasis (IMQ). Using our in vitro psoriatic-like human keratinocyte differentiation model we found that serine metabolism modulation could influence cytokine-induced effects on keratinocyte proliferation and inflammatory mediator production, as well as cytokine pathway activation, while it did not affect keratinocyte differentiation. Moreover, using the in vivo IMQ psoriasis murine model we investigated the role of extracellular serine and glycine deprivation rather than serine catabolism inhibition, on psoriasis-associated hallmarks development, finding a substantial reversion of the IMQ-induced phenotype in mice fed with a serine and glycine deprived diet at histological level but not at molecular level. In conclusion, our in vitro study demonstrated that serine catabolism inhibition, using the SHMTs inhibitors SHIN1, is able to affect psoriatic cytokine-induced effects on keratinocyte proliferation and inflammatory profile, while our in vivo study showed that extracellular serine and glycine deprivation can revert to some extent the development of psoriatic features even in this case by affecting keratinocyte proliferation and thus epidermal thickening. Taken together, data from this work expand the knowledge about the interplay between serine metabolism in keratinocytes and psoriatic clinical features, providing also a more well-rounded perspective on the contribution of serine metabolism to disease development in vivo focusing on extracellular serine availability.