The role of circadian rhythms in epidermal homeostasis

Abstract

The natural daily cycles of light and dark have played a fundamental role in shaping the development of an adaptive intrinsic clock mechanism which allows organisms to coordinate the function of multiple organs by setting the correct circadian timing of cellular processes ensuring proper homeostasis. In mammalian skin, homeostasis is maintained by epidermal stem cells (epSCs). EpSCs localize to specialized niches where they undergo cycles of quiescence and proliferation. Several pathways are known to play essential roles in epSC function; however, how are these pathways spatiotemporally coordinated, and why not all stem cells within the niche behave in the same manner, is still poorly understood. We have analyzed the role of the molecular circadian clock in fine-­‐tuning the behavior of epidermal stem cells. Using a fluorescent circadian reporter mouse model, we demonstrate that the dormant epidermal stem cell compartment contains two co-­‐existing populations of stem cells in different clock states. Global comparative transcriptome analysis indicated that each clock population corresponds to a distinct predisposition state of response towards stem cell activating and dormancy cues. We provide evidence that the core circadian transcription factors BMAL1 and CLOCK bind to regulatory elements in the promoters of several of these stem cell homeostatic genes, thus being directly responsible for creating these two stem cell clock states. Unbalancing this clock driven equilibrium of epSCs in vivo resulted in progressive changes in the response of stem cells to activating or dormancy cues, which led to a progressive premature tissue aging, and a significant reduction in the development of cutaneous squamous cell carcinomas. Thus, our results indicate that the molecular clock machinery fine-­‐tunes the spatiotemporal behavior of epidermal stem cells within their niche, and that perturbation of this mechanism affects tissue homeostasis and the predisposition to neoplastic transformation.

Los ciclos naturales de luz y oscuridad han sido determinantes en el desarrollo de un reloj molecular intrínseco que permite coordinar la función de múltiples órganos para mantener la homeostasis global del organismo. La homeostasis del compartimento queratinocítico de la piel depende de una población de células troncales adultas epidermales (epSCs). Las epSCs están localizadas en nichos específicos y especializados desde dónde responden a las necesidades de repoblación celular del tejido mediante la alternancia de fases de quiescencia y proliferación. Varias rutas de señalización regulan el comportamiento de las epSCs; sin embargo, aún no entendemos bien porqué no todas las epSCs se comportan de la misma manera dentro de un mismo nicho troncal, y cómo están coordinadas a nivel espacio-­‐temporal. Hemos analizado el impacto del ritmo circadiano sobre las función de las epSCs. Mediante un ratón reportero fluorescente del ritmo circadiano hemos demostrado que el nicho troncal quiescente contiene dos poblaciones de epSCs en diferentes fases de su reloj molecular. El análisis comparativo global del transcriptoma de ambas poblaciones indicó que las dos poblaciones corresponden a dos estados opuestos de predisposición a responder a estímulos de activación y quiescencia. Mostramos resultados que demuestran que los factores de transcripción circadianos Bmal1 y Clock regulan directamente la expresión de genes que regulan el comportamiento de las epSCs. La arritmia in vivo en las epSCs resultó en una pérdida progresiva de la homeostasis tisular, un envejecimiento prematuro y una reducción significativa en el desarrollo de tumores escamosos de piel. Por lo tanto, nuestros resultados indican que la maquinaria del reloj molecular permite a las epSCs a anticiparse y coordinar su respuesta a estímulos locales del nicho, lo que constituye un mecanismo esencial para su correcta función en el tejido