Interactions between Ultraviolet B (UVB) Radiation and Circadian Clock in the Skin

Abstract

Auringon ultraviolettisäteily on merkittävä karsinogeeni jokapäiväisessä elämässämme. Sen vaikutuksesta ihon solujen perimään kertyy mutaatioita ja samanaikaisesti se lamaa immuunipuolustusta. Biologisesti aktiivisin osa auringon ultraviolettisäteilyn spektriä on ultravioletti B (UVB) aallonpituusalue.

Eläinkokeissa on saatu viitteitä siitä, että herkkyys UVB-säteilyn aiheuttamalle punoitukselle riippuisi vuorokaudenajasta, kun taas ihmisten suhteen, on tästä esitetty vasta arvailuja. Kuitenkin monet ihmisihon toiminnot ovat tutkimuksissa osoittautuneet vuorokaudenajan suhteen rytmisiksi, ja useilla ihon solutyypeilläkin on oma sisäinen kellonsa. Kuten aivoissa sijaitsevassa vuorokausirytmin keskuksessa, myös ihmisihossa syntetisoidaan kelloproteiineja, joista keskeisimpiä ovat kryptokromit, sekä melatoniinia, joka on tärkeä vuorokausirytmiä säätelevä hormoni. Ihon kelloproteiinien ja melatoniinin yhteydestä ihon palamiseen ei toistaiseksi ole juuri lainkaan tietoa.

UVB-säteily aiheuttaa ihon palamista eli punoituksen, joka on seurausta verisuonten laajenemisesta deoksiribonukleiinihapon (DNA) vaurioitumisen yhteydessä. Tutkimuksella haluttiin selvittää tämän punoituksen ja ihon vuorokausirytmin välisiä yhteyksiä.

Vuorokaudenajan vaikutusta UVB-säteilyn aiheuttamaan punoitukseen tutkittiin mittaamalla 19 terveen vapaaehtoisen henkilön ihon punoitusta valotestissä sekä aamulla että illalla. Ihosta eri vuorokaudenaikoina otetuista koepaloista analysoitiin lisäksi kelloproteiinien määrää immunohistokemiallisilla värjäyksillä. Punoitus oli intensiivisempää illalla verrattuna aamuun, ja Cryptochrome-2 (CRY2) kelloproteiini tunnistettiin mahdolliseksi punoitukselta suojaavaksi tekijäksi.

UVB-säteilyn vaikutusta ihon vuorokausirytmiin tutkittiin lähettiribonukleiinihapon (mRNA) analyysien avulla 12 terveen vapaaehtoisen koehenkilön ihonäytteistä. Valottamattoman ja UVB-valotetun ihon ja ihonalaisrasvan kelloproteiinien mRNAn ilmenemistä verrattiin toisiinsa. UVB- säteily vaikutti muokkaavan vuorokausirytmiä säätelevien CRY2 kellogeenin ilmenemistä epidermaalisessa ja dermaalisessa ihossa sekä CRY1 ja Circadian- associated transcriptional repressor (CIART) kellogeenien ilmenemistä ihonalaisrasvassa. Säteily myös muutti kellogeenien CRY1/CRY2 suhdetta.

Yhteensä 39 terveen vapaaehtoisen koepaloista analysoitiin immunohistokemiallisilla värjäyksillä melatoniinin ilmenemistä ihossa eri vuorokaudenaikoina. Kaikkien tutkittavien ihoille tehtiin valotesti. Tutkimuksessa selvitettiin, oliko melatoniinin määrä ihossa kytköksissä UVB-säteilyn aiheuttaman punoituksen voimakkuuteen ja sen vuorokausivaihteluun. Melatoniinin määrä ihossa oli erilainen aamulla ja illalla. Ihossa havaitun melatoniinin määrä ei kuitenkaan selittänyt punoitusherkkyyden vaihtelua UVB-säteilytyksen seurauksena eri vuorokaudenaikoina.

Vuorokaudenaika näyttäisi vaikuttavan UVB-säteilyn aiheuttaman punoituksen intensiteettiin terveiden henkilöiden iholla. Vuorovaikutus toimii toiseenkin suuntaan, sillä UVB-säteily muuttaa vuorokausirytmiä säätelevien kellogeenien ilmenemistä ihossa. On mahdollista, että UVB-säteily toimii sisäistä kelloa tahdistavana tekijänä. Vaikka melatoniinin määrä ihossa on erilainen eri vuorokaudenaikoina, ei ilmiö selittäne UVB-säteilyn aiheuttaman ihon punoituksen intensiteetin vaihtelua. Se, että ymmärrys ihon punoitusherkkyyteen vaikuttavista tekijöistä ja niiden yhteydestä sisäiseen kelloon lisääntyy, voi avata uusia kehityssuuntia ihosyöpien ehkäisyssä ja ihosairauksien hoidossa. Laaja ymmärrys sisäistä kelloa tahdittavista tekijöistä on myös tärkeää ihmisen kokonaisvaltaisen hyvinvoinnin kannalta.

In everyday life, ultraviolet (UV) radiation from the sun is a significant carcinogen. It induces deoxyribonucleic acid (DNA) mutations and, at the same time, is immunosuppressive. From the whole solar UV radiation spectrum, the wavelengths of UVB are the most biologically active part.

There are indications that the timing of UVB exposure may affect sensitivity to sunburn, but these findings have not been confirmed in human studies. However, almost all functions of the human skin are rhythmic in a circadian (approximately a day of 24 hours) manner, and most skin cell types have their own intrinsic circadian clock. Similar to the central circadian clock in the brain, the human skin expresses clock proteins, e.g., cryptochromes which are essential to circadian function, and melatonin, which is well known for its ability to influence human chronobiology. So far, little is known about the link between skin clock proteins, melatonin, and erythema.

In the skin, UVB induced erythema is a consequence of vasodilatation after DNA damage. In this thesis, we aimed to investigate, if there were connections between skin erythema and the circadian clock. In order to investigate the impact of the hour of the day on UVB induced erythema, we performed photosensitivity testing of the skin of 19 healthy volunteers twice, first in the morning and second in the evening. Using immunohistochemistry we also analysed skin biopsies taken at a different hour of the day, the expression of the core clock proteins. Erythema was found to be more pronounced after evening irradiations than after morning irradiations. Cryptochrome-2 (CRY2) was identified as a possible protecting factor.

The effect of UVB irradiation on circadian time in the skin was studied by performing mRNA expression analyses on skin samples obtained from 12 healthy volunteers. We compared expression of clock proteins in non-irradiated and UVB irradiated skin samples and in corresponding samples of subcutaneous adipose tissue. UVB exposures seemed to modify the expression of CRY2 in epidermal and dermal skin, and that of Cryptochrome-1 (CRY1) and Circadian-associated transcriptional repressor (CIART) in subcutaneous adipose tissue. Irradiation also altered the CRY1/CRY2 ratio.

In a further study, 39 healthy volunteers were analyzed using immunohistochemistry for the presence of melatonin in the non-UVB exposed buttocks skin at different times of the day. The photosensitivity testing was performed on the skin of all our volunteers. We discovered melatonin content of the non-irradiated skin to vary diurnally. However melatonin expression in the skin detected by immunohistochemistry did not correlate with the circadian change in erythema sensitivity.

In conclusion, the hour of the day of UVB irradiation seems to influence the erythema formation in healthy human skin. The connection is also reverse, because UVB irradiation changes the mRNA expression of clock driving proteins. It is possible that UVB serves as a cue for circadian time entrainment through the skin. Even though the melatonin content of the skin varies diurnally this does not appear to be the reason why UVB induces more erythema in the evening than in the morning. Understanding factors influencing erythema sensitivity of the skin and its interactions with the circadian clock could promote the development of skin cancer prevention strategies as well as dermatological treatments. An extensive understanding of circadian clock entrainment is an important part of overall human health.