Abstract Epidermal homeostasis depends on a balance between stem cell renewal and terminal differentiation 1,2 . While progress has been made in characterising the stem and differentiated cell compartments 3 , the transition between the two cell states, termed commitment 4 , is poorly understood. Here we characterise commitment by integrating transcriptomic and proteomic data from disaggregated primary human keratinocytes held in suspension for up to 12h. We have previously shown that commitment begins at approximately 4h and differentiation is initiated by 8h 5 . We find that cell detachment induces a network of protein phosphatases. The pro-commitment phosphatases – including DUSP6, PPTC7, PTPN1, PTPN13 and PPP3CA – promote terminal differentiation by negatively regulating ERK MAPK and positively regulating key API transcription factors. Their activity is antagonised by concomitant upregulation of the anti-commitment phosphatase DUSP10. The phosphatases form a dynamic network of transient positive and negative interactions, with DUSP6 predominating at commitment. Boolean network modelling identifies a mandatory switch between two stable states (stem cell and differentiated cell) via an unstable (committed) state. In addition phosphatase expression is spatially regulated relative to the location of stem cells, both in vivo and in response to topographical cues in vitro. We conclude that an auto-regulatory phosphatase network maintains epidermal homeostasis by controlling the onset and duration of commitment.

Mitochondria have long been implicated in Parkinson’s disease (PD), however, it is not clear how mitochondrial impairment and alpha-synuclein pathology are coupled. We report here that intra-mitochondrial protein homeostasis plays a major role in alpha-synuclein fibril elongation, as interference with intra-mitochondrial proteases and mitochondrial protein import significantly aggravate alpha-synuclein aggregation. In contrast, direct inhibition of mitochondrial complex I, increase in intracellular calcium concentration or formation of reactive oxygen species (ROS), all of which have been associated with mitochondrial stress, did not affect alpha-synuclein pathology. We further demonstrate that similar mechanisms are involved in Amyloid β 1-42 (Aβ42) aggregation, suggesting that mitochondria are directly capable of influencing cytosolic protein homeostasis of aggregation-prone proteins.

Epidermal homeostasis depends on a balance between stem cell renewal and terminal differentiation. The transition between the two cell states, termed commitment, is poorly understood. Here we characterise commitment by integrating transcriptomic and proteomic data from disaggregated primary human keratinocytes held in suspension for up to 12h to induce differentiation. We find that cell detachment induces a network of protein phosphatases. The pro-commitment phosphatases – including DUSP6, PPTC7, PTPN1, PTPN13 and PPP3CA – promote differentiation by negatively regulating ERK MAPK and positively regulating AP1 transcription factors. Their activity is antagonised by concomitant upregulation of DUSP10. Boolean network modelling of phosphatase interactions identifies commitment as an inherently unstable biological switch between the stem and differentiated cell states. Furthermore, phosphatase expression is spatially regulated both in vivo and in vitro. We conclude that an auto-regulatory phosphatase network maintains epidermal homeostasis by controlling the onset and duration of commitment.