Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Role of estrogen receptor signaling in the control of the hair follicle cycle

Conrad, Franziska

The hair follicle (HF) underlies a life-long cyclic transformation and can serve as a perfect model system for dissecting the impact of steroid hormones such as estrogens on epithelial-mesenchymal interactions. Even though the HF is highly estrogen-sensitive, it is still unclear how exactly estrogens affect hair growth. In animals, estrogen (17-ß-estradiol, E2)  exhibits inhibitory effects on hair follicle growth and cycling, whereas in human scalp skin E2 is thought to prolong the growth phase of the hair cycle (anagen). Therefore, E2-modulation of hair growth must be addressed species-specific. The aim of the current study was to show how  the  two major subtypes of estrogen receptors (ER), ERα and ERß, are expressed throughout the murine hair cycle and in human scalp hair follicles. In addition it was studied whether ER-expression in the HF is regulated by recognized endogenous ER-modulators in vitro. Finally, new estrogen-modulated target genes in the hair follicle were explored. In mice, ERα and ERß expression was shown to be strikingly hair cycle-dependent, both on the protein and gene level. In murine skin organ culture,  ER-expression of both subtypes decreased rapidly within a few hours, both on the protein and on the gene level. After modifying the model by shortening the length of the culture period (total 6 hours), an inhibitory effect of E2, prolactin and melatonin on ERß-expression could be assessed, on RNA and, in case of melatonin, also on protein level. These results were confirmed in microdissected, organ-cultured human scalp HFs: ERß immunoreactivity, known to be predominant in human skin (compared to ERα), decreased after prolactin or melatonin treatment in cultured human female scalp HFs. Furthermore, ERß-expression in human scalp hair follicles showed surprisingly sex-dependent differences (predominant ERß-expression in male scalp HF: matrix keratinozytes; in female HF: fibroblasts of the dermal papilla). Treatment with E2 modulates ERß-expression in male scalp HFs. The effect of E2 on human hair shaft elongation in vitro was therefore investigated with regard to sex-differences. In female scalp hair folicles, E2 inhibited hair shaft elongation and hair matrix keratinocytes proliferation. In contrast, E2 stimulated both the hair shaft elongation of male frontotemporal scalp hair follicles and hair matrix keratinocytes proliferation in organ-culture. Next, potential cross-talk between peptide growth factors and ER-signaling was investigated and significant changes of the immunofluorescent signals for IGF-I were detected in E2-treated human scalp HFs. This supports the emerging concept that ER stimulation possibly affects the expression of key growth factors. Because pure ERα-deficient mice were currently not available, ERß-deficient (BERKO) mice were investigated with respect to hair cycle abnormalities. Compared to the wild-type animals, BERKO mice showed no significant alteration in catagen development, but a significant increase of dermal thickness. ERα showed similar immunoreactivity pattern in the skin of BERKO-mice and wild-type controls. In order to detect novel, ER-regulated target genes in human HFs, E2 treated scalp HFs (male and female) were subjected to DNA-microarray. Several novel estrogen-related target genes were detected in this way including, e.g. K6HF (cytokeratin type II), filamin, filaggrin and fibronectin. In addition, sex-dependent differences in E2-mediated gene regulation were detected (e.g., for BMP7, EPS8 [belongs to the epidermal growth factor receptor-pathway], CYR61[homolog of insulin-like growth factor-binding protein], FOS-like antigen2). To summarize, these results suggest a crucial role of estrogens and their receptors in both murine and human hair growth and control, and call attention to previously underappreciated, critically important features of ER-mediated signaling within the skin, such as sex-dependent differences and endogenous modulation. These novel findings have to be taken into account in the investigation and treatment of estrogen-related hair growth disorders, and open new insights into the role of estrogens in hair follicle biology.

Der Haarfollikel (HF) durchläuft zeitlebens zyklische Transformationen und ist als Modell hervorragend geeignet für Studien bezüglich des Einflusses von Steroidhormonen wie Östrogen auf epithelial-mesenchymale Wechselwirkungen. Bekanntermaßen ist der HF sensitiv für Östrogene, wobei die exakten Wirkmechanismen noch nicht vollständig geklärt sind. So hemmt Östrogen (17ß-Östradiol, E2) bei Tieren das Haarwachstum und den Haarfollikelzyklus, wohingegen E2 in menschlicher Kopfhaut die Wachstumsphase des Haarzyklus (Anagen) verlängert. Daher sollten Studien über den Einfluss von E2 auf die Modulation des Haarwachstums spezies-abhängig erfolgen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu zeigen, in welcher Weise die zwei bedeutendsten Vertreter der Östrogenrezeptoren (ER), ERα  und ERß während des gesamten murinen Haarzyklus und im menschlichen Haarfollikel der Kopfhaut exprimiert werden. Des weiteren wurden Einflüsse von endogenen Modulatoren auf die Expressionsmuster der ER im HF in vitro untersucht. Außerdem sollte der Frage nach Zielgenen von E2 im Haarfollikel nachgegangen werden. Im Mausmodell zeigte sich eine haarzyklus-abhängige Expression von ERα und ERß sowohl auf der Protein-, als auch auf der Genebene. In einer Maushautorgankultur sank die ER-Expression schon nach wenigen Stunden rapide ab, ebenfalls sowohl auf der Protein-, als auch auf der Genebene. Nach Optimierung der Kulturbedingungen durch eine drastische Verkürzung der Gesamtdauer (auf sechs Stunden), konnte ein hemmender Einfluss von E2, Prolaktin und Melatonin auf die ER-Expression beobachtet werden, im Falle von Melatonin war zusätzlich zu den verringerten mRNA-Mengen ebenfalls eine mindere Immunreaktivität zu verzeichnen. Diese Ergebnisse konnten im Humanmodell bestätigt werden. Mittels mikrodissezierter menschlicher Kopfhauthaarfollikel, welche in Kultur verbracht wurden, konnte eine verminderte ERß Immunreaktivität nach Behandlung mit Prolaktin oder Melatonin in weiblichen HF festgestellt werden. Da ERß im Vergleich zu ERα im menschlichen HF überwiegt, wurden die Untersuchungen diesbezüglich verstärkt durchgeführt. Erstaunlicherweise stellte sich heraus, dass ERß im menschlichen Kopfhauthaarfollikel geschlechtlich unterschiedlich exprimiert wird (im weiblichen HF liegt die Expression im Bereich der Dermalen Papillen Fibroblasten und der Matrixkeratinozyten, wohingegen im männlichen HF die meiste Expression in den Matrixkeratinozyten zu finden ist). Nach Behandlung mit E2 veränderte sich die ERß-Expression im männlichen Kopfhauthaarfollikel. Als nächstes wurde die Wirkung von E2 auf die Elongation des Haarschaftes in vitro im Hinblick auf geschlechtliche Unterschiede untersucht und es stellte sich heraus, dass E2 im weiblichen Follikel das Haarschaftwachstum und die Proliferationsrate der Matrixkeratinozyten hemmt und im männlichen HF  sowohl das Wachstum des Haarschaftes als auch die Proliferation der Matrixkeratinozyten deutlich stimuliert. Potentielle Wechselwirkungen zwischen Wachstumsfaktoren und den Östrogenrezeptoren wurden anhand von IGF-I am humanen HF untersucht. Es zeigte sich, dass die Verteilung der Immunreaktivität durch eine Behandlung mit E2 stark variierte. Diese Beobachtung stützt die Vermutung, dass eine Stimulation der ER ebenfalls Auswirkungen auf wichtige  Wachstumsfaktoren hat. Da zur Zeit keine ERα-defizienten Mäuse zu erhalten sind, wurden ausschließlich ERß-defiziente (BERKO) Tiere hinsichtlich eventueller Haarzyklusveränderungen untersucht. Im Vergleich zu den Wildtypen gab es in den BERKO Mäusen keine Unregelmäßigkeiten im Verlauf der Regressionsphase des Haarfollikels (Catagen), aber es wurden signifikante Unterschiede in der Hautdickenmessung festgestellt. Immunhistochemische Darstellung von ERα in der Haut zeigte keinerlei Unterschiede zwischen den Wildtypen und den BERKO-Mäusen. Auf der Suche nach den Zielgenen  von Östrogenen im menschlichen  HF wurden Kopfhauthaarfollikel beider Geschlechter nach einer Stimulation mit E2 per cDNA Microarray analysiert. Dadurch wurden bislang noch nicht bekannte Östrogen-abhängige Gene, wie z.B K6HF (Cytokeratin TypII), Filamin und Filaggrin im humanen Haarfollikel entdeckt. Zusätzlich stellte sich heraus, dass einige Gene auf eine geschlechtsspezifische Weise reguliert werden, z.B. BMP7, EPS8 (zum epidermalen Wachstumsfaktor gehörend), FOS-like antigen2. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Studie die bedeutende Rolle der Östrogene und der Östrogenrezeptoren im menschlichen und tierischen Haarwachstum nachdrücklich suggerieren. Einige bislang eher unbedeutende Faktoren, wie z. B. die geschlechtlichen Unterschiede oder die Beeinflussbarkeit durch endogene Stoffe, erhalten auf Grundlage der hier präsentierten Ergebnisse eine höhere Gewichtung und sollten in zukünftige Forschungen dringend einbezogen werden. Durch die vorliegenden Ergebnisse eröffnen sich neue Perspektiven und Ansatzpunkte für weitergehende Untersuchungen über die Bedeutung von Östrogenen  und der Östrogenrezeptoren in der Haarfollikelbiologie

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Conrad, Franziska: Role of estrogen receptor signaling in the control of the hair follicle cycle. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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