Identification of the epigenetic mechanisms underlying the sensitization of chronic pruritus in atopic dermatitis

Abstract

Chronic pruritus significantly diminishes the quality of life in individuals with pruritic skin diseases, including atopic dermatitis (AD). Despite advancements in understanding the immunopathogenesis of AD, the transcriptomic alterations within neurons at the single-cell level and the epigenomic regulatory landscape remain largely unexplored in the context of chronic itch in AD. In this context, we utilized single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) with ATAC and CUT&RUN multi-omic profiling to elucidate the molecular landscape of sensory neurons in response to chronic pruritic stimulation. Using murine models of chronic inflammatory skin diseases, including AD and psoriasis, we conducted comprehensive scRNA-seq of dorsal root ganglion (DRG) neurons and skin tissues. This high-resolution approach uncovered distinct neuronal subpopulations with inflammation-specific transcriptional signatures, revealing key pathways involved in neuronal excitability, synaptic plasticity, and neuroimmune interactions. Notably, these transcriptional changes suggested that chronic pruritic stimuli induce adaptive responses in sensory neurons, contributing to persistent itch. Comparative analyses between different disease models highlighted both shared and unique neuronal signatures, providing insights into the differential regulation of pruritus across inflammatory contexts. Epigenomic profiling through chromatin accessibility analyses, including ATAC-seq and CUT&RUN, revealed dynamic regulatory changes associated with chronic itch. These analyses identified differentially accessible regions linked to genes implicated in sensory neuron function, synaptic modulation. Integrative multi-omic analysis highlighted critical transcriptional regulators orchestrating pruritogenic gene expression programs. Functional validation through conditional knock out mouse model demonstrated that targeted disruption of these regulatory pathways in sensory neurons significantly reduced spontaneous scratching behaviors, alleviated epidermal hyperplasia in murine models of chronic itch. Further analysis uncovered an upstream neuroimmune signaling axis that drives persistent neuronal sensitization through transcriptional reprogramming. This axis is mediated by immune-derived signals that activate specific neuronal pathways, forming a feedback loop that connects peripheral inflammation to sustained neuronal plasticity. Comprehensive cell-cell interaction analyses identified critical ligand-receptor pairs facilitating this neuroimmune crosstalk, highlighting the role of inflammatory signals in maintaining neuronal hyperresponsiveness. By reinforcing neuronal hyperexcitability and reshaping gene regulatory networks over time, this neuroimmune feedback loop plays a central role in the chronicity of pruritus. Together, this study defines novel regulatory networks, offering critical insights into the molecular mechanisms driving chronic itch. By integrating single-cell transcriptomics with epigenomic profiling, our findings deepen the understanding of neuroimmune interactions in pruritus. These insights provide a foundation for developing targeted therapies aimed at alleviating chronic itch and improving patient outcomes in pruritic disorders. 만성 가려움증은 삶의 질을 심각하게 저하시킬 수 있는 만성적인 질환으로, 아토피피부염을 포함한 다양한 피부질환에서 주요한 임상적 특징으로 나타난다. 그러나, 아토피피부염의 면역병리학적 기전에 대한 이해에 비해서, 만성 가려움증을 지속시키는 신경면역 상호작용의 기전과 등쪽뿌리신경절 내에서 발생하는 장기적인 후성유전체 및 전사체의 변화에 대해서는 여전히 명확히 연구되어 있지 않다. 본 연구는 이러한 지식적 공백을 해결하기 위해, 단일세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq), ATAC-seq 및 CUT&RUN 기반 다중오믹스 분석을 활용하여 만성 가려움 자극에 대한 감각 신경의 분자적 변화를 규명하고자 하였다. 아토피피부염 및 건선 마우스 모델을 이용하여 등쪽뿌리신경절의 감각신경세포 및 피부 조직의 단일세포 전사체 분석을 수행한 결과, 염증 조건에 따라 특정한 전사적 특성을 지닌 신경세포 아형이 존재함을 확인하였다. 이러한 아형들은 신경 흥분성 조절, 시냅스 가소성 및 신경-면역 상호작용과 관련된 경로가 활성화된 특징을 보였으며, 이는 만성 가려움 자극이 감각 신경의 적응적 변화를 유도하여 지속적인 가려움증을 유발할 가능성을 시사하였다. 또한, 다양한 염증 모델 간 비교 분석을 통해 공통적이면서도 질환 특이적인 신경세포 전사적 변화를 확인하였다. 후성유전체적 분석을 위해 ATAC-seq 및 CUT&RUN 기반 크로마틴 접근성 분석을 수행한 결과, 만성 가려움증과 관련된 유전자 조절인자의 활성화가 확인되었다. 특히, 감각신경 기능, 시냅스 조절 및 만성 염증과 연관된 유전자들을 조절할 것으로 생각되는 핵심적 후성유전 인자를 발굴하였다. 단일세포전사체와 후성유전체를 통합적으로 분석한 결과, RFX, IRF, STAT 등의 염증과 신경발달에서 중요한 역할을 담당하는 전사인자를 발굴하였고, 특히 Ebf1 이라는 전사인자가 만성 가려움증에 핵심적인 역할을 수행할 것으로 예측되었다. 이를 Ebf1 결손 마우스모델 유래 단일세포전사체 및 가려움증 행동 측정을 진행한 결과, 해당 조절 경로를 감각신경에서 선택적으로 억제할 경우, 자발적 긁기 행동이 현저히 감소하고, 만성 가려움증 마우스 모델에서 표피 비후가 완화됨을 확인하였으며, 단일세포전사체에서 만성 가려움증에 핵심적 역할을 수행하는 유전자가 유의하게 감소하는 것을 확인하였다. 추가적으로, Ebf1의 상위에 존재할 것으로 생각되는 신경-면역 상호작용 리간드-수용체 쌍을 발굴하였다 아토피피부염 상태에서 증가된 리간드가 감각신경에 발현된 수용체에 결합하여, 주변 염증과 감각 신경의 지속적 가소성을 연결하는 피드백 루프를 형성하는 것으로 나타났다. 이러한 염증 신호가 지속적인 신경 과흥분성을 유도하고 장기적인 유전자 조절 네트워크 변화를 촉진함으로써 가려움증의 만성화를 유지하는 핵심 기전임을 규명하였다. 종합적으로, 본 연구는 만성 가려움증을 조절하는 새로운 후성유전학적 조절 네트워크를 규명함으로써, 감각신경 내 염증 자극에 의해 유도되는 전사체의 변화를 단일세포 수준에서 상세히 분석하였다. 단일세포 전사체 및 후성유전체 분석을 통합한 본 연구 결과는 만성 가려움증에서 신경-면역 상호작용의 분자적 이해를 확장하며, 이러한 경로를 표적으로 하는 치료 전략 개발의 새로운 가능성을 제시할 것이다.