When the ancestors of men moved from aquatic habitats to the drylands, their evolutionary strategy to restrict water loss is to seal the skin surface with lipids. It is unknown how these rigid ceramide-dominated lipids with densely packed chains squeeze through narrow extracellular spaces and how they assemble into their complex multilamellar architecture. Here it is shown that the human corneocyte lipid envelope, a monolayer of ultralong covalently bound lipids on the cell surface protein, templates the functional barrier assembly by partly fluidizing and rearranging the free extracellular lipids in its vicinity during the sculpting of a functional skin lipid barrier. The lipid envelope also maintains the fluidity of the extracellular lipids during mechanical stress. This local lipid fluidization does not compromise the permeability barrier. The results provide new testable hypotheses about epidermal homeostasis and the pathophysiology underlying diseases with impaired lipid binding to corneocytes, such as congenital ichthyosis. In a broader sense, this lipoprotein-mediated fluidization of rigid (sphingo)lipid patches may also be relevant to lipid rafts and cellular signaling events and inspire new functional materials.

Department of Biochemical Sciences Faculty of Pharmacy Charles University Heyrovského 1203 Hradec Králové 50005 Czech Republic

Department of Pharmaceutical Technology Faculty of Pharmacy Charles University Heyrovského 1203 Hradec Králové 50005 Czech Republic

Faculty of Chemical Technology University of Chemistry and Technology Prague Technická 5 Prague 16628 Czech Republic

Faculty of Physics University of Vienna Boltzmanngasse 5 Vienna 1090 Austria

Skin Barrier Research Group Faculty of Pharmacy Charles University Heyrovského 1203 Hradec Králové 50005 Czech Republic

Zobrazit více v PubMed

E. Candi, R. Schmidt, G. Melino, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2005, 6, 328.

T. Matsui, M. Amagai, Int. Immunol. 2015, 27, 269.

P. M. Elias, Int. J. Dermatol. 1981, 20, 1.

M. Rabionet, K. Gorgas, R. Sandhoff, Biochim. Biophys. Acta 2014, 1841, 422.

B. Breiden, K. Sandhoff, Biochim. Biophys. Acta 2014, 1841, 441.

J. van Smeden, M. Janssens, G. S. Gooris, J. A. Bouwstra, Biochim. Biophys. Acta 2014, 1841, 295.

A. Kovacik, M. Kopecna, K. Vavrova, Expert Opin. Drug Deliv. 2020, 17, 145.

J. A. Bouwstra, G. S. Gooris, J. A. van der Spek, W. Bras, J. Invest. Dermatol. 1991, 97, 1005.

J. A. Bouwstra, A. Nadaban, W. Bras, C. McCabe, A. Bunge, G. S. Gooris, Prog. Lipid Res. 2023, 92, 101252.

P. M. Elias, R. Gruber, D. Crumrine, G. Menon, M. L. Williams, J. S. Wakefield, W. M. Holleran, Y. Uchida, Biochim. Biophys. Acta 2014, 1841, 314.

A. Narangifard, C. L. Wennberg, L. den Hollander, I. Iwai, H. Han, M. Lundborg, S. Masich, E. Lindahl, B. Daneholt, L. Norlen, J. Invest. Dermatol. 2021, 141, 1243.

L. Atia, J. J. Fredberg, N. S. Gov, A. F. Pegoraro, Cells Dev 2021, 168, 203727.

P. F. Lenne, V. Trivedi, Nat. Commun. 2022, 13, 664.

J. A. Mitchel, A. Das, M. J. O'Sullivan, I. T. Stancil, S. J. DeCamp, S. Koehler, O. H. Ocana, J. P. Butler, J. J. Fredberg, M. A. Nieto, D. Bi, J. A. Park, Nat. Commun. 2020, 11, 5053.

A. Mongera, P. Rowghanian, H. J. Gustafson, E. Shelton, D. A. Kealhofer, E. K. Carn, F. Serwane, A. A. Lucio, J. Giammona, O. Campas, Nature 2018, 561, 401.

R. J. Tetley, M. F. Staddon, D. Heller, A. Hoppe, S. Banerjee, Y. Mao, Nat. Phys. 2019, 15, 1195.

L. Oswald, S. Grosser, D. M. Smith, J. A. Kas, J. Phys. D. Appl. Phys. 2017, 50, 483001.

J. M. Meyer, K. Vavrova, F. P. W. Radner, H. Schneider, A. Dick, T. M. Mauro, P. M. Elias, J. Invest. Dermatol. 2023, 143, 332.

O. Engberg, A. Kovacik, P. Pullmannova, M. Juhascik, L. Opalka, D. Huster, K. Vavrova, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2020, 59, 17383.

Q. D. Pham, E. H. Mojumdar, G. S. Gooris, J. A. Bouwstra, E. Sparr, D. Topgaard, Q. Rev. Biophys. 2018, 51, e7.

A. Paz Ramos, G. Gooris, J. Bouwstra, M. Lafleur, J. Lipid Res. 2018, 59, 137.

F. Fandrei, T. Havrisak, L. Opalka, O. Engberg, A. A. Smith, P. Pullmannova, N. Kucerka, V. Ondrejcekova, B. Deme, L. Novakova, M. Steinhart, K. Vavrova, D. Huster, J. Lipid Res. 2023, 64, 100356.

I. Sagrafena, G. Paraskevopoulos, P. Pullmannova, L. Opalka, A. Novackova, O. Lourantou, K. Vavrova, J. Invest. Dermatol. 2022, 142, 2036.

D. C. Swartzendruber, P. W. Wertz, K. C. Madison, D. T. Downing, J. Invest. Dermatol. 1987, 88, 709.

D. Crumrine, D. Khnykin, P. Krieg, M. Q. Man, A. Celli, T. M. Mauro, J. S. Wakefield, G. Menon, E. Mauldin, J. H. Miner, M. H. Lin, A. R. Brash, E. Sprecher, F. P. W. Radner, K. Choate, D. Roop, Y. Uchida, R. Gruber, M. Schmuth, P. M. Elias, J. Invest. Dermatol. 2019, 139, 760.

M. Akiyama, J. Dermatol. Sci. 2017, 88, 3.

M. Pichery, A. Huchenq, R. Sandhoff, S.‐M. Freire, S. Zaafouri, L. Opalka, T. Levade, V. Soldan, J. Bertrand‐Michel, E. Lhuillier, G. Serre, A. Maruani, J. Mazereeuw‐Hautier, N. Jonca, Hum. Mol. Genet. 2017, 26, 1787.

A. Rath, M. Glibowicka, V. G. Nadeau, G. Chen, C. M. Deber, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 1760.

M. Janssens, J. van Smeden, G. S. Gooris, W. Bras, G. Portale, P. J. Caspers, R. J. Vreeken, T. Hankemeier, S. Kezic, R. Wolterbeek, A. P. Lavrijsen, J. A. Bouwstra, J. Lipid Res. 2012, 53, 2755.

M. Jarnik, M. N. Simon, A. C. Steven, J. Cell Sci. 1998, 111, 1051.

D. C. Swartzendruber, D. J. Kitko, P. W. Wertz, K. C. Madison, D. T. Downing, Arch. Dermatol. Res. 1988, 280, 424.

T. Takeichi, T. Hirabayashi, Y. Miyasaka, A. Kawamoto, Y. Okuno, S. Taguchi, K. Tanahashi, C. Murase, H. Takama, K. Tanaka, W. E. Boeglin, M. W. Calcutt, D. Watanabe, M. Kono, Y. Muro, J. Ishikawa, T. Ohno, A. R. Brash, M. Akiyama, J. Clin. Invest. 2020, 130, 890.

Y. Zheng, H. Yin, W. E. Boeglin, P. M. Elias, D. Crumrine, D. R. Beier, A. R. Brash, J. Biol. Chem. 2011, 286, 24046.

L. E. Uche, G. S. Gooris, J. A. Bouwstra, C. M. Beddoes, Biochim Biophys Acta Biomembr 2021, 1863, 183487.

S. Rebaud, O. Maniti, A. P. Girard‐Egrot, Biochimie 2014, 107 Pt A, 135.

D. J. McGillivray, G. Valincius, D. J. Vanderah, W. Febo‐Ayala, J. T. Woodward, F. Heinrich, J. J. Kasianowicz, M. Losche, Biointerphases 2007, 2, 21.

J. M. Meyer, D. Crumrine, H. Schneider, A. Dick, M. Schmuth, R. Gruber, F. P. W. Radner, S. Grond, J. S. Wakefield, T. M. Mauro, P. M. Elias, Am. J. Pathol. 2021, 191, 921.

M. J. Sarmento, M. Prieto, F. Fernandes, Biochim. Biophys. Acta 2012, 1818, 2605.

Y. Kitajima, T. Sekiya, S. Mori, Y. Nozawa, H. Yaoita, J. Invest. Dermatol. 1985, 84, 149.

C. S. Poojari, K. C. Scherer, J. S. Hub, Nat. Commun. 2021, 12, 6594.

M. E. Stewart, D. T. Downing, J. Lipid Res. 2001, 42, 1105.

S. A. Akimov, V. A. Frolov, P. I. Kuzmin, J. Zimmerberg, Y. A. Chizmadzhev, F. S. Cohen, Phys. Rev. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. 2008, 77, 051901.

A. Mangiarotti, M. Siri, N. W. Tam, Z. Zhao, L. Malacrida, R. Dimova, Nat. Commun. 2023, 14, 6081.

H. Y. Wang, S. H. Chan, S. Dey, I. Castello‐Serrano, M. K. Rosen, J. A. Ditlev, K. R. Levental, I. Levental, Sci. Adv. 2023, 9, eadf6205.

R. Rubio‐Sanchez, B. M. Mognetti, P. Cicuta, L. Di Michele, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 11265.

C. Bernardini, S. D. Stoyanov, L. N. Arnaudov, M. A. Cohen Stuart, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2100.

M. L. Longo, A. M. Bisagno, J. A. Zasadzinski, R. Bruni, A. J. Waring, Science 1993, 261, 453.

M. M. Lipp, K. Y. C. Lee, D. Y. Takamoto, J. A. Zasadzinski, A. J. Waring, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 1650.

A. Novackova, I. Sagrafena, P. Pullmannova, G. Paraskevopoulos, A. Dwivedi, A. Mazumder, K. Ruzickova, P. Slepicka, J. Zbytovska, K. Vavrova, J. Invest. Dermatol. 2021, 141, 1915.

B. Skolova, K. Hudska, P. Pullmannova, A. Kovacik, K. Palat, J. Roh, J. Fleddermann, I. Estrela‐Lopis, K. Vavrova, J. Phys. Chem. B 2014, 118, 10460.

L. Norlen, M. Lundborg, C. Wennberg, A. Narangifard, B. Daneholt, J. Invest. Dermatol. 2022, 142, 285.

I. Iwai, H. Han, L. den Hollander, S. Svensson, L. G. Ofverstedt, J. Anwar, J. Brewer, M. Bloksgaard, A. Laloeuf, D. Nosek, S. Masich, L. A. Bagatolli, U. Skoglund, L. Norlen, J. Invest. Dermatol. 2012, 132, 2215.

P. Jancalkova, M. Kopecna, M. Kurka, A. Kovacik, L. Opalka, I. Sagrafena, K. Vavrova, J. Invest. Dermatol. 2023, 143, 2427.

D. Y. Takamoto, E. Aydil, J. A. Zasadzinski, A. T. Ivanova, D. K. Schwartz, T. Yang, P. S. Cremer, Science 2001, 293, 1292.

L. Caseli, R. G. Oliveira, D. C. Masui, R. P. Furriel, F. A. Leone, B. Maggio, M. E. Zaniquelli, Langmuir 2005, 21, 4090.

P. W. Wertz, K. C. Madison, D. T. Downing, J. Invest. Dermatol. 1989, 92, 109.

P. Milani, J. Chlasta, R. Abdayem, S. Kezic, M. Haftek, J. Mol. Recognit. 2018, 31, 2722.

J. B. Fournier, N. Khalifat, N. Puff, M. I. Angelova, Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 018102.

D. W. Thompson, On Growth and Form, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1917.

J. Steinkuhler, E. Sezgin, I. Urbancic, C. Eggeling, R. Dimova, Commun Biol 2019, 2, 337.

N. F. Hadley, Prog. Lipid Res. 1989, 28, 1.

N. F. Hadley, Adv. Lipid Res. 1991, 24, 303.

L. Opalka, A. Kovacik, M. Sochorova, J. Roh, J. Kunes, J. Lenco, K. Vavrova, Org. Lett. 2015, 17, 5456.

E. G. Bligh, W. J. Dyer, Can. J. Biochem. Phys. 1959, 37, 911.

K. Vavrova, D. Henkes, K. Struver, M. Sochorova, B. Skolova, M. Y. Witting, W. Friess, S. Schreml, R. J. Meier, M. Schafer‐Korting, J. W. Fluhr, S. Kuchler, J. Invest. Dermatol. 2014, 134, 746.

P. Pullmannova, K. Stankova, M. Pospisilova, B. Skolova, J. Zbytovska, K. Vavrova, Biochim. Biophys. Acta 2014, 1838, 2115.

P. J. Koch, P. A. de Viragh, E. Scharer, D. Bundman, M. A. Longley, J. Bickenbach, Y. Kawachi, Y. Suga, Z. Zhou, M. Huber, D. Hohl, T. Kartasova, M. Jarnik, A. C. Steven, D. R. Roop, J. Cell Biol. 2000, 151, 389.

W. Abraham, D. T. Downing, Biochim. Biophys. Acta 1990, 1021, 119.

T. Hirao, M. Denda, M. Takahashi, Exp. Dermatol. 2001, 10, 35.

T. Hirao, T. Terui, I. Takeuchi, H. Kobayashi, M. Okada, M. Takashahi, H. Tagami, Exp. Dermatol. 2003, 12, 591.

D. Groen, G. S. Gooris, J. A. Bouwstra, Langmuir 2010, 26, 4168.

M. Sochorova, P. Audrlicka, M. Cervena, A. Kovacik, M. Kopecna, L. Opalka, P. Pullmannova, K. Vavrova, J. Colloid. Interf Sci 2019, 535, 227.

B. Skolova, A. Kovacik, O. Tesar, L. Opalka, K. Vavrova, Bba‐Biomembranes 2017, 1859, 824.