Посещений:
НАРУШЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЗУБОВ

Генетические основы

Genetic basis for tooth malformations: from mice to men and back again.
TA Mitsiadis and HU Luder
Clin Genet 2011: 80: 319-329 | doi: 10.1111/j.1399-0004.2011.01762.x

Teeth arise from sequential and reciprocal interactions between the oral epithelium and the cranial neural crest-derived mesenchyme. Their formation involves a precisely orchestrated series of molecular and morphogenetic events. Numerous regulatory genes that have been primarily found in organisms such as Drosophila, zebrafish, xenopus and mouse are associated with all stages of tooth formation (patterning, morphogenesis, cytodifferentiation and mineralization). Most of these genes belong to evolutionary conserved signaling pathways that regulate communication between epithelium and mesenchyme during embryonic development. These signaling molecules together with specific transcription factors constitute a unique molecular imprint for odontogenesis and contribute to the generation of teeth with various and function-specific shapes. Mutations in several genes involved in tooth formation cause developmental absence and/or defects of teeth in mice. In humans, the odontogenic molecular program is not as well known as that of mice. However, some insight can be obtained from the study of mutations in regulatory genes, which lead to tooth agenesis and/or the formation of defective dental tissues.
Зубы происходят из мезенхимы, производной краниального нервного гребня (также наз. эктомезенхимой) и эпителия первой бранхиальной дуги и части фронто-назальных отростков (1-4). Независимо от происхождения (первичные/постоянные) и класса зубов (резцы, клыки, малые коренные и коренные), одонтогенез осуществляется в несколько морфологически отличных стадий (Fig. 1). Подобно развитию др. регионов, которые формируются как эпителиальные придатки (волосы, усики, ногти, железы), формирование зубов начинается с эпителиальных утолщений на месте будущих зубных арок в нижней и верхней челюсти, которые наз. зубными плакодами. Последующими признаками одонтогенеза являются образование почек эпителия и соотв. мезенхимных конденсатов, непрерывному сворачиванию (folding) эпителия, что

 |  Fig. 1. Stages of embryonic human tooth development. Dental epithelium and its derivatives (enamel) are in red color, dental mesenchyme and its derivatives (dentin) in blue. The most significant signaling molecules (in bold capitals) and transcription factors (in italics) that are involved in the various stages of tooth development are shown, epithelial signals and transcription factors in red. mesenchymal signals and transcription factors in blue. Mutations in humans affecting tooth development are presented with asterisks.

отвечает за форму зубных коронок и, наконец, дифференцировка зубных мезенхимных и эпителиальных клеток в дентин продуцирующие одонтобласты и эмаль-продуцирующие амелобласты. соотв. (2, 5).
Серии последовательных и реципрокных эпителиально-мезенхимных взаимодействий регулируют все стадии одонтогенеза от инициации зубов до цитодифференцировки. Хорошо законсервированный молекулярный 'диалог' используется для общения эпителиальных и мезенхимных клеток (2, 3, 6, 7). Сигнальные молекулы контролируют все ступени формирования зубов путем координации клеточной пролиферации, дифференцировки, апоптоза, синтеза внеклеточного матрикса и отложения минералов. Одни и те же молекулы повторно используются во время разных стадий развития зубов и регулируются в соответствии с точным временным механизмом. Главные молекулы, которые участвуют в развитии зубов, принадлежат 5 сигнальным путям: Notch, bone morphogenetic protein (BMP), fibroblast growth factor (FGF), sonic hedgehog (Shh) и wingless/integration 1 (Wnt). Эти сигнальные пути используют многочисленные др. молекулы, такие как рецепторы клеточной поверхности и транскрипционные факторы, которые регулируют экспрессию генов (2, 6-8).

Role of neural crest cells and oral epithelium in tooth initiation


Первое прямое доказательство участия клеток нервного гребня в формировании зубов было получено вследствие инъекции Dil в средний мозг и переднюю часть заднего мозга экспрессии эмбрионов крыс (9). Это позволило проанализировать меченные клетки нервного гребня в одонтогенных регионах первой бранхиальной дуги. Генетические маркеры, такие как Wnt1, также были использованы, чтобы четче показать, что зубная мезенхима у мышей происходит из клеток краниальной части нервного гребня (10).
Эксперименты классической тканевой рекомбинации между ротовым эпителием и эктомезенхимой мышей идентифицировали ротовой эпителий как предоставляющий инструктивную информацию для инициации образования зубов (11, 12). Однако вполне возможно, что ротовой эпителий, использованный в этих экспериментах уже имел приобретенный препаттерн как следствие предыдущего взаимодействия с клетками краниального нервного гребня. В самом деле, зубо-подобные структуры формировались у химер мышь/курица, у которых клетки гребня курицы были замещены клетками гребня мыши (13). Эти трансплантационные эксперименты четко показывают, что клетки краниальной части нервного гребня также обладают одонтогенным потенциалом и вносят равный вклад с ротовым эпителием в инициацию образования зубов (14).

Genetic basis for the dental field determination


Территории, где должны расти зубы в ротовом эпителии, также как и количество зубов генетически детерминированы с очень ранних стадий эмбрионального развития. Транскрипционный фактор Pitx2 определяет область ротового эпителия, где будут расти зубы (15, 16). Делеция Pitx2 приводи к полному аресту развития зубов ещё до образования плакод (17, 18). Сильные эпителиальные сигналы необходимы для создания зубных плакод. Несколько сигнальных молекул участвуют в качестве активаторов (FGFs, Wnt) или ингибиторов (BMPs) образования плакод (1, 2, 6, 7, 19). Сигнальные молекулы ectodysplasin (Eda) также участвуют в формировании и росте зубных плакод у мышей (20). Усиление передачи сигналов Eda у трансгенных мышей вызывает образование большего числа, чем в норме зубных плакод и приводит к образованию добавочных зубов (21). Напротив, инактивация передачи сигналов Eda у Tabby мышей вызывает частичный агенез зубов и образование уродливых первых моляров. Однако эти фенотипические отклонения зубов могут быть устранены инъекциями Eda белка беременным Tabby мышам (22). Наиболее тяжелый фенотип у мышей вызывается делецией p63 и Runx2, которая приводит к аресту развития всех зубов (23, 24).

Genetic basis for the position, number and shape of teeth


Образование почек зубного эпителия сопровождается конденсацией мезенхимы вокруг почки (Fig. 1). Строго определенная молекулярная программа, которя является критической для продолжения развития зубов, отслеживает эти клеточные события. Во время стадии зачатка одонтогенный потенциал сдвигается с зубного эпителия на конденсирующуюся мезенхиму, которая может инструктировать какого типа эпителий будет формировать зуб-специфические структуры (12). Такой переход четко регулируется с помощью взаимодействий между между зубным эпителием и мезенхимой тканью. Эпителиальные сигналы, такие как молекулы BMP, FGF, Shh и Wnt, могут детерминировать выбор и предопределять судьбу эктомезенхимы для генерации определенных форм и классов зубов (1, 2, 6, 7, 25, 26). Из всех этих молекул, BMP4 и FGF8 составляют важные ранние сигналы ротового эпителия для активации специфических генов в подлежащей мезенхиме (2, 7, 25, 27). Предполагается, что разные концентрации этих двух сигналов должны контролировать формирование паттерна зубов; BMP4 управляет формой резцов, тогда как FGF8 управляет формой моляров (7, 25, 27). BMP4 индуцирует в эктомезенхиме экспрессию Msx1 и Msx2, предоставляя таким образом пространственную информацию для формирования паттерна резцов (1, 15, 16, 27). FGF8 индуцирует в эктомезенхиме экспрессию Barx1, Dlx1, Dlx2, Lhx6 и Lhx7 генов, которые необходимы для морфогенеза моляров (1, 15, 16). Члены каждого семейства этих гомеобоксных генов могут иметь компенсаторные функции. В самом деле, одновременная инактивация генов Msx1 и Msx2 или Dlx1 и Dlx2 ведет к аресту образования зубов на стадии инициации (Fig. 1) (28, 29). Pax9 экспрессируется в мезенхиме как резцов, так и моляров (30, 31). Islet1 экспрессируется только в поле резцов ротового эпителия (32). Существует регуляторная петля между Islet1 и BMP4 в ротовом эпителии (32). Эктопическая экспрессия Islet1 в поле моляров ротового эпителия ведет к подавлению экспрессии Barx1 в мезенхиме, это влечет за собой ингибирование развития моляров (32).
Т.о., комплементарная экспрессия вышеуказанных генов предопределяет территории, ассоциированные с формированием разных классов зубов (1, 25) (Fig. 2). На базе доменов ограниченной и комбинаторной экспрессии сигнальных молекул и транскрипционных факторов в эпителии и эктомезенхиме первой бранхиальной дуги, предложена модель 'co-operative genetic interaction' (25). Клетки, производные нервного гребня, транскрипционные факторы и сигнальные молекулы вносят коллективный вклад в позицию, количество и форму зубов (25). У мышей мутации в генах, кодирующих некоторые транскрипционные факторы, такие как Lef1, Msx1, Pax9 и Runx2 приводят к аресту развития всех зубов на стадии зубного зачатка (2, 7, 26) (Fig. 1).

Genetic basis for the maxillary and mandibular dentition


Молекулярные пути, которые контролируют образование зубов в верхней и нижней челюсти, не одни и те же. Некоторые гены, такие как Dlx дифференциально экспрессируются в максиллярном и мандибулярном отростках (33), демонстрируя тем самым генетические отличия между спецификацией зубов верхней и нижней челюсти. В самом деле, только моляры верхней челюсти неспособны развиваться у двойных мутантов с отсутствием обоих Dlx1 и Dlx2 (Dlx1; Dlx2-/-) (34). Pitx1 ещё один ген, контролирующий качественные особенности нижней челюсти. В эктомезенхиме Pitx1 экспрессируется исключительно в проксимальной части развивающейся нижней челюсти, где должны развиваться моляры (35). У мышей делеция Pitx1 дает небольшие уродливые моляры нижней челюсти (35). Сходным образом делеция мезенхимного гена Activin JiA у мышей ведет к избирательной потере резцов и моляров нижней челюсти, тогда как моляры верхней челюсти развиваются нормально (36, 37).

Genetic basis for the ameloblast fate


Клетки зубного эпителия дифференцируются в амелобласты, которые дают самую твердую минерализованную ткань тела.

Table 1.  Rab GTPase functions, networks and disease associationsa,b
RabLocalizationRab functionPathological condition

  1. CMT2B, Charcot-Marie-Tooth Disease Type 2B; TGN, trans-Golgi network.

  2. aSource: Agola JO, Thesis.

  3. bRab GTPases are clustered according to their functions in: (i) endocytosis and recycling; (ii) degradation, autophagy, phagocytosis and pinocytosis.

Endocytosis and recycling
 Rab4aEarly endosomes and recycling endosomesRegulates sorting and endocytic recycling to the plasma membraneUpregulated in rodent model of diabetic cardiomyopathy, human systemic lupus erythematosus, Alzheimer's disease and Down's syndrome; inhibited in Niemann–Pick disease; downregulated in tumor cells
 Rab5aPlasma membrane, clathrin-coated vesicles and early endosomesEndocytosis, early endosome fusion, nuclear signaling through APPLHyperactivated in lung adenocarcinoma; upregulated in Alzheimer's Disease
 Rab9aLate endosomesTransport from endosome to TGN; lipid transport; lysosome and lysosome-related organelle biogenesisInhibited in Niemann–Pick C disease
 Rab11a, Rab11b (neuron specific)Golgi and recycling endosomes, early endosomes, phagosomesTrafficking from the TGN to apical recycling endosomes and plasma membrane; polarized trafficking in epithelia; phagocytosis in macrophagesUpregulated in Barrett's epithelia; neurodegeneration in Huntington's disease; Schwann cell demyelination in Charcot-Marie-Tooth type 4C disease; implicated in Batten disease
 Rab14Early endosome, GolgiEndocytic recycling of transferrin; MHC class I cross-presentation; TGN to apical trafficking in epithelia; surfactant secretion in alveolar cells; insulin-dependent GLUT4 translocation 
 Rab15Early/sorting endosome, recycling endosomeTrafficking through sorting/recycling endosomes to the plasma membrane 
 Rab17Recycling endosomeEpithelial transcytosis; polarized trafficking in kidney 
 Rab20Phagosomes, mitochondria, endosomesVacuolar ATPase trafficking in kidney; HIF target in hypoxia induced apoptosis; phagosome acidification and maturation; Gap junction biogenesisModulated by pathogens; overexpressed in pancreatic and breast cancers
 Rab21Early endosomes; macropinosomesEndocytosis of integrins, cell extracellular matrix adhesion and motility; cytokinesis; macropinocytosisCancer cell motility
 Rab22aEarly endosome, plasma membraneTransport of transferrin from sorting endosomes to recycling endosomes; pathogen phagocytosisUpregulated in hepatocellular carcinoma; modulated by mycobacterium tuberculosis
 Rab25Recycling endosomeApical recycling in epithelia, microtubule dependent transformationTumor progression and cancer invasiveness (breast and intestinal cancers; ovarian cancer and hepatocellular carcinoma)
 Rab31/Rab22bTGN and endosomesMannose-6-phosphate transport from TGN to endosomes; transport of myelination associated proteins from TGN to plasma membrane 
 Rab34Golgi and endosomesMacropinosome formation, phagosome maturation and lysosome morphogenesisDiabetic nephropathy
 Rab35Endosomes and plasma membraneFast endocytic recycling; MHC class I and II endocytosis and recycling; Tcell receptor recycling; phosphoinositide regulation; neurite outgrowth through interfaces with Cdc42; actin remodeling through fascin effectorPathogen phagocytosis and trafficking
 Rab36GolgiLate endosome and lysosome clusteringPotential tumor suppressor
 Rab39Golgi and early endosomes, AP1 membrane domainsCaspase-dependent-IL-1β secretion and phagosomal acidification 
Autophagy, phagocytosis and degradation
 Rab7aLate endosomes and lysosomes; stage I and II melanosomes; surfactant endocytosis and signalingTransport from early to late endosomes and late endosome to lysosome fusion; bidirectional transport of signaling endosomes, autophagosomes, and multivesicular bodies on microtubules in association with dynein and kinesin motor proteins. Axon viability; phosphoinositide homeostasisMutant in CMT2B; Helps in pathogen entry and survival; associated with Niemann–Pick disease; upregulated in Alzheimer's disease, thyroid cancer, diffuse peritoneal malignant mesothelioma and adult-onset obesity
 Rab24Autophagosome nuclear inclusionsMyelination; autophagosome formationActivated in cell culture models of neuronal and cardiomyocyte injury; upregulated in hepatocellular carcinoma
 Rab32Perinuclear vesicles, mitochondria, autophagic vesiclesPost-Golgi trafficking of melanogenic enzymes; ER stress mediated apoptosis; mitochondrial dynamicsRab32 gene methylated in inflammatory bowel disease at transition to invasive growth
Fig. 2. Expression of transcription factors in the ectomesenchyme and epithelium of the nasal (np), maxillary (mx) and mandibular (md) processes during embryogenesis. (a) Neural crest-derived cells that migrate into the first branchial arch of an embryo are under the influence of signaling molecules and transcription factors (indicated by a variety of colors). Disposal of the various teeth on the dental axis is time-dependent, and combinations of different signaling molecules and transcription factors will contribute to a variety of tooth shapes/classes (incisors, canines, premolars and molars). Defects in the number of neural crest cells, signals (e.g. SHH) or transcription factors (e.g. MSX1) are responsible for misshaped teeth and/or tooth agenesis, (b) Expression of Barxl in the first branchial arch mesenchyme of a mouse embryo, (c) Expression of Tbxl in oral epithelium of a mouse embryo, oc, oral cavity.

В спецификации этих клеток участвуют молекулы Notch пути (38, 39) и Tbx1 транскрипционный регулятор (40, 41). Notch гены кодируют трансмембранные рецепторы, которые участвуют в коммуникациях между соседними клетками (42). Notch рецепторы активируются трансмембранными лигандами, относящимися к семействам Delta или Jagged. В развивающихся зубах Notch и Jagged и Delta экспрессируются в соседних слоях клеток зубного эпителия (38, 39, 43-45). Notch передача сигналов играет жизненно важную роль в становлении морфологии и цитодифференцировки зубов, поскольку мутантные Jagged2 мыши имеют зубы аномальной формы и в них отсутствует эмалевый матрикс (матрица эмалевых призм) (39, 45).
Клинические и генетические находки показали, что Tbx1 также играет существенную роль в детерминации клеток зубного эпителия в направлении принятия судьбы амелобластов. Пациенты с синдромом DiGeorge, который является TBX1 зависимым нарушением, обнаруживают частичное отсутствие зубов и дефекты эмали (46). У мышей делеция Tbx1 ведет к гипоплазии резцов, в которых отсутствует эмаль (40). FGF молекулы влияют как на экспрессию Tbx1, так и пролиферацию предшественников амелобластов в зубном эпителии (41).

Human congenital tooth malformations


Несмотря на то, что существует удивительное сходство морфологических стадий развития зубов у мыши и человека, знание молекулярного контроля одонтогенеза у людей неизбежно ограничено. Однако некоторая информация

 |  Fig. 3. Panoramic radiographs illustrating types of agenesis of permanent teeth (asterisks), (a) Single agenesis of the lower left second premolar, the most frequently missing permanent tooth apart from the third molars, (b) Oligodontia as it is known to occur due to mutations in MSX1: All the eight premolars, two of four canines and seven of eight incisors, but no molars are missing, (c) Oligodontia as it could occur due to a defect in PAX9: All upper molars, but no other permanent teeth are missing (for a reliable assessment of third molar tooth buds, the patient was too young).

получается в экспериментах, которые ведут к наследственным врожденным нарушениям, таким как агенез зубов или дисплазии эмали.

Tooth agenesis


Термин агенез зубов означает заболевание, при котором молочные (первичные) и/ или постоянные зубы не развиваются. Это также обозначается как гиподонтия, но тот же самый термин используется также, чтобы охарактеризовать агенез 6 зубов (за исключением третьих моляров) (Fig. 3a). Напротив, агенез более чем 6 зубов (Fig. 3b) или всех зубов определенного класса (Fig. 3c) обозначается как oligodontia, а термин anodontia означает чрезвычайно редкое состояние, когда все зубы неспособны развиваться.
Агенез зубов является наиболее частым онтогенетическим уродством рото-лицевого комплекса. Однако превалирующие соотношения варьируют значительно между поколениями и классами зубов и выявляются некоторые характерные паттерны. Т.о., с частотой менее 1%, агенез первичных зубов очень редок (47, 48). Для постоянных зубов отсутствие, по крайней мере, третьего моляра (распространенность 20-30%) наиболее частое. Агенез др. постоянных зубов достоверно чаще у женщин, чем у мужчин и варьирует на разных континентах (49). Как правило, зубы класса, которые формируются последними, наиболее часто не развиваются. Т.о., если не учитывать третьи моляры, мандибулярные вторичные премоляры отсутствуют наиболее часто (встречается в 3%), затем следуют максиллярные вторые резцы и максиллярные вторые премоляры (49). С увеличением количества отсутствующих зубов у индивидуальных пациентов, величина распространенности агенеза зубов заметно снижается и частота oligodontia составляет лишь 0.1-0.2% (49).
Большинство случаев агенеза зубов наблюдается без онтогенетических дефектов в др. органах и обозначается как не синдромальное. Однако отсутствие зубов может также наблюдаться в ассоциации с др. нарушениями, наиболее часто с расщеплением губы с или без расщепления нёба. Интересно, что агенез зубов вне области расщепления также достоверно выше, чем в общей популяции (50, 51). Даже если гиподонтия кажется не синдромальной она обычно ассоциирует с общим уменьшением размеров коронок и задержкой образования зубов (52-55). Т.о., агенез зубов может рассматриваться как крайняя степень уменьшения размера зубов, которая происходит ниже определенного критического порога одонтогенного потенциала (51, 52).
Генетические дефекты пока могут быть идентифицированы только при тяжелых формах несиндромного агенеза зубов. Они затрагивают гомеобоксный ген MSX1 (56-59), paired-box ген PAX9 (26, 60-71) и AXIN2, ген внутриклеточного антагониста передачи сигналов Wnt (72). Все эти три гена, как было установлено, являются важными регуляторами ранних стадий развития зубов у мышей, особенно при переходе от стадии почки к стадии шапочки (50, 51). Следовательно, мутации, вызывающие oligodontia у человека, как полагают, являются результатом ареста развития зубов на стадии зачатка, когда гаплонедостаточность снижает дозу гена и, следовательно, потенциал развития зуба ниже критического уровня (51). Однако в противоположность этому можно ожидать, базируясь на подразумеваемой роли MSX1, PAX9 и AXIN2 в развитии зубов, олигодонтия, вызываемая дефектами этих генов, выявляет типичные, хотя и частично перекрывающиеся и сильно изменчивые паттерны агенеза зубов (Fig. 3b,c). Мутации PAX9 и MSX1 у человека не затрагивают все зубы одного и того же класса (56-68). Напр., мутации в гене PAX9 затрагивают в основном моляры. Мутации в AXIN2, по-видимому, дают комбинацию MSX1 и PAX9 фенотипов. Они затрагивают исключительно рост постоянных зубов, но никогда не затрагивают максиллярные центральные резцы (51, 72). Они, а также клыки и первые моляры являются очень стабильными зубами и редко обнаруживается врожденное их отсутствие (73). Наблюдение, что чувствительность к последствиям определенных генетических дефектов варьирует между первичными и постоянными зубами, также как и между классами и типами зубов вызывает некоторые вопросы относительно универсальной законности концепций контроля формирования зубов. В этом контексте, не нужно забывать, что наиболее распространенной моделью для изучения одонтогенеза, являются мыши, обладающие только одной генерацией и двумя классами зубов.

Tooth genetics


Генетические дефекты, ассоциированные с синдромальными формами гиподонтии, в основном затрагивают другие гены, чем гены, ассоциированные с не синдромальными формами олигодонтии. Исключением являются мутации MSX1, которые также могут вызывать синдром Witkop, при котором дефекты ногтей пальцев рук и ног сопровождают агенез зубов (74). Наиболее выраженные дефекты кожи и её придатков в комбинации с гиподонтией и уменьшением размеров зубов наблюдаются при некоторых формах эктодермальной дисплазии, которая вызывается генетическими дефектами EDA пути, т.e. генов EDA, EDAR, EDARADD, IKKy, NEMO и p63 (50, 51, 75-78). Интересно, что мутации в EDA могут быть также ответственны за не синдромальную гиподонтию (79, 80). Поразительный фенотип агенеза зубов характеризуется единообразным, чрезвычайно редким отсутствием максиллярных центральных резцов, наблюдаемым при синдроме Rieger, который вызывается дефектами гомеобоксного гена PITX2 (51, 77, 81).
Семейное проявление и конкордантность агенеза зубов у близнецов указывают на значительное генетическое влияние также при умеренных формах гиподонтии, напр., широко распространенный агенез премоляров-резцов (51, 82-85). Если олигодонтию рассматривать как следствие критической недостаточности дозы гена, то вполне разумно предположить, что умеренная гиподонтия является результатом вариантов последовательности ДНК, которые менее тяжело сказываются на функции гена. Однако исследования полиморфизмов генов кандидатов, ответственных за олигодонтию, дают противоречащие результаты (86-90). Существенную роль в гиподонтии, как было установлено, играют варианты и гаплотипы TGFA (86, 91), IRF6 (92, 93), FGFR1 (92) , а также MMP1 и MMP20 (94). Т.о., по-видимому, отсутствует главный локус гиподонтии (51).

Amelogenesis imperfecta


Термин amelogenesis imperfecta (AI) обозначает наследственное нарушение развития зубной эмали. В строгом смысле определение включает только дисплазии эмали, которые возникают в отсутствие дефектов в др. тканях. Современная широко используемая номенклатура AI базируется на способе наследования, фенотипе и (если известна) молекулярной причине дефекта эмали (95). Фенотипическая классификация учитывает, что эмаль образуется в два основных этапа. На первом этапе, секреторной стадии амелогенеза, амелобласты секретируют органический матрикс, в котором рыхло откладываются кристаллы hydrox-yapatite. На втором этапе большинство матричных белков деградирует и резорбируется амелобластами, тогда как кристаллы растут в толщину до тех пор, пока они не приходят в контакт др. с др. и плотность минерала в эмали не достигнет примерно 95% (96). Нарушения секреторной стадии вызывают гипопластического типа AI, характеризующуюся количественным дефицитом эмали (Fig. 4a-f). Количественный дефицит колеблется в пределах от (действительной) аплазии, наз. smooth hypoplastic AI (Fig. 4a,c,e), до вертикальных борозд (Fig. 4b), горизонтальных углублений или ямок (Fig. 4d,f), в целом обозначаемых как грубая (локальная) гипопластическая AI. Нарушения процесса минерализации приводят к гипоминерализованному типу AI, характеризующейся количественным дефицитом, т.е.

 |  Fig. 4. Smooth (a, c, e) and rough (b, d, f) hypoplastic forms of amelogenesis imperfecta, (a) Intraoral view of the maxillary dentition of a female patient showing the conical shape of the tooth crowns, which in the absence of enamel is determined by the dentin cores (crowns of the incisors had been constructed prosthodontically). Note the missing right second molar (arrow), the eruption of which is delayed in comparison with the contralateral tooth, (c) Intraoral radiograph from the brother of the patient shown in (a): No enamel can be recognized, (e) Backscattered electron micrograph of an upper third molar surgically removed from the patient shown in (a): In comparison with the enamel (E) of a healthy third molar (g), the mineral density of the enamel-like material of the patient's tooth is essentially normal, but its thickness is only about 3-5%. (b) Frontal view of the incisors of a female patient showing vertica' enamel furrows and streaks (arrows), as they occur as a result of X-chromosome inactivation (Lyonization). How these furrows and streaks arise is illustrated by a light micrograph from an incisor tooth germ (h) at the stage of enamel (E) and dentin (D) formation: X-chromosome inactivation is a random process taking place in the stem cells, which reside in the cervical loop (CL). The result of inactivation is propagated to all descendant daughter cells that differentiate in the vertical direction (arrow) and produce new inner enamel epithelial (IEE) cells to finally become enamel-forming cells, ameloblasts. As a consequence, clusters of ameloblasts arise along the circumference of the tooth germ, which carry an X chromosome with either a normal or defective AMELX gene and alternatively produce a normal or defective enamel matrix, (d) Frontal view of the incisors of a female patient showing enamel pits, (f) A backscattered electron micrograph of a maxillary premolar from the same patient reveals similar pits associated with regions of slightly hypomineralized enamel (arrow), which account for the slight yellow-brown discoloration. D, dentin, DP, dental papilla, OEE, outer enamel epithelium. Original magnifications (e) xllO, (f, g) x50, (h) x20.

почти нормальной толщины, но уменьшено содержание минерала и повышено содержание белка (Fig. 5a-g). Умеренное снижение плотности минерала в основном ограничено границами между эмалевыми призмами (Fig. 5e), приводя к недозрелому типу AI (Fig. 5a,c,e). Результатом ещё более тяжелого дефицита минерала и удержания белка является гипокальцифицированная форма AI (Fig. 5b,d,f). Большинство генетических дефектов, отвечающих за AI, было идентифицировано в генах белков и энзимов эмалевого матрикса, необходимых для деградации эмалевого матрикса

 |  Fig. 5. Hypomaturated (a, c, e, g) and hypocalcified (b, d, f) forms of amelogenesis imperfecta, (a) Lateral view of the posterior permanent teeth of a female patient showing extensive enamel chipping, because hypomaturated enamel exhibits reduced resistance to mechanical loading, but is hard enough to break, (c) In the panoramic radiograph from the same patient, an enamel shade can be recognized only along interdental tooth surfaces, (e) A backscattered electron micrograph from an impacted maxillary third molar reveals that the mineral density of the inner 2/3 to 3/4 of the enamel (E) is considerably reduced (arrows), (g) The detail marked by the rectangle in (e) shows that the mineral deficiency is not uniform, but particularly prominent along the borders of the enamel prisms (arrows). This may account for the disproportionate reduction in biomechanical properties, (b) Frontal view of the permanent incisors of a male patient. In contrast to hypomaturated (a), hypocalcified enamel exhibits a yellow-brown discoloration and is so soft that it does not break, but is rapidly lost as a result of masticatory function. Note the primary molars which seem markedly less affected, (d) The panoramic radiograph from the same patient does not allow discriminating enamel from dentin, (f) As shown by a light micrograph from a ground section of a maxillary primary canine, the hypocalcified enamel (E) is stained as intensely as dentin (D), because it contains large amounts of organic matrix, (h) In contrast, normal enamel (E) is not stained at all, although coloration of the dentin (D) is comparable to that shown in (f). P, pulp. Original magnifications (e) x25, (f) x50, (g) xllOO, (h) xl2.5.

во время стадии созревания. Ген для наиболее обильного эмалевого матричного белка, amelogenin, локализуется на X- и Y-хромосомах, но у особей мужского пола 90% белка транскрибируется с AMELX, копии на X хромосоме (96, 97). Следовательно, мутации в AMELX будут вызывать X-сцепленную AI, которая дает разнообразные фенотипы в зависимости от пола и места мутации (96). В частности, гипопластические формы AI отличаются у разных полов. В то время как у самцов присутствует smooth hypoplastic AI, фенотип у самок характеризуется вертикальными бороздами, которые обусловлены инактивацией Х хромосомы (Fig. 4b) (98). Мутации в сигнальном пептиде AMELX приводят к недостаточности секреции белка, а также к дефектам, которые укорачивают критический С-конец amelogenin, вызывая smooth hypoplastic AI. Напротив, мутации в N-терминальной области AMELX, которые удаляют или изменяют сайт proteinase расщепления, дают недозрелого типа AI (97, 99).
Figure 6. Axon viability depends on coordinated endocytic trafficking and signaling. Nerve growth factor (NGF) binds to the TrkA receptor tyrosine kinase and stimulates phosphorylation and internalization. Endocytosed TrkA is transported from Rab5-positive early endosomes to Rab7-positive late endosomes. In peripheral neurons long distance transport of late endosomes to the cell body is critical for growth factor degradation and proper nuclear signaling to maintain cell viability and differentiation. Transport occurs on microtubules through Rab7, the Rab interacting lysosomal protein (RILP) effector and dynactin minus-end directed motor complex. Return transport to the synapse is mediated by Rab7 in conjunction with a plus-end directed kinesin motor, likely KIF3a. Inset illustrates endosomal membrane protein complexes involved in Rab conversion that allows transfer of cargo along the degradative pathway. Several conserved multimeric protein complexes first identified in yeast are thought to aid in Rab conversion, directed transport and fusion (RETROMER endosome to Golgi; CORVET early to late endosome; HOPS late endosome to lysosome).

Поскольку пока не обнаружено дефектов, ответственных за AI, в гене, кодирующем AMBN, несколько амелобластных мутаций идентифицировано в гене enamelin (ENAM), расположенном на хромосоме 4q21 (97, 99-102). Они проводят к аутосомно доминантной или рецессивной гладкой или грубой гипопластической AI. В то время как гладкий гипопластический фенотип напоминает тот. что наблюдается при мутациях AMELX, грубая гипопластическая AI, вызываемая дефектами в ENAM, обнаруживает своеобразный фенотип, характеризующийся горизонтальными углублениями (103). Было предположено, что дефекты эмали, обусловленные мутациями ENAM, являются зависимыми от дозы, гладкий и грубый гипопластические фенотипы сегрегируют как рецессивный и доминантный признак, соотв. (100).
Др. группа мутаций, вызывающая AI затрагивает гены enamelysin (MMP20) и kallikrein 4 (KLK4), каждая из которых специфична для зубов и важна для собственно созревания эмали (96, 99, 104, 105). Фактически, все идентифицированные генетические дефекты приводят к потере функции энзимов и к аутосомно рецессивной AI (пигментированного) недозрелого типа. Довольно неожиданно некоторые мутации, вызывающие очень сходные фенотипы AI были недавно идентифицированы в WDR72, в гене для белка. содержащего WD повторы 72 (106, 107). Он в самом деле экспрессируется на стадии созревания амелобластов (107), но пока неизвестно его участие в образовании эмали.
Мутации, отвечающие за аутосомно доминантную гипокальцифицированную AI, которая является третьей основной формой AI и наиболее широко распространена в Сев. Америке, были идентифицированы лишь недавно. Kim et al. (108) описали две nonsense мутации в FAM83H (family with sequence similarities 83 member H), которые в точности сегрегируют с болезнью. Идентификация дополнительных дефектов в том же самом гене (109-112) позволила выявить генотип-фенотипические корреляции (113). Все мутации, большинство из которых nonsense мутации, возникают в последнем экзоне и существенно укорачивают предполагаемый белок. Было предположено, что короткий белок вызывает генерализованную гипокальцифицированную AI, тогда как менее тяжело укороченный белок ведет к бросающемуся в глаза ослабленному фенотипу, характеризующемуся гипокальцифицированной эмалью, ограниченной шеечной частью коронки (113). Поскольку ген FAM83H экспрессируется не только в зубах (108), то возникает вопрос, почему мутации, вызывающие AI, не оказывают каких-либо очевидных последствий на др. ткани. Предполагается, что минерализация эмали критически зависит от высоких уровней белка и что укороченный белок может оказывать доминантный негативный эффект (109, 113).
Итак, разные фенотипические формы AI являются генетически гетерогенными. Мутации и в AMELX и в ENAM могут вызывать или гладкую или грубую гипопластическую AI, а недозрелый тип может вызываться генетическими дефектами в AMELX, MMP20, KLK4 и WDR72. Лишь мутации в FAM83H, по-видимому, последовательно приводят к гипокальцифицированной AI, хотя и с некоторой изменчивостью в экспрессивности. Однако в целом менее половины случаев AI может быть объяснено дефектами известных генов кандидатов (114, 115).

Conclusion


Over the last years, a big effort has been made to understand the molecular and cellular mechanisms controlling tooth development and pathology. Much information on the genes that are important for human tooth formation has been revealed using the mouse model. However, very little is known on the generation of well-known human dental pathologies that are the consequence of aberrant cell differentiation and subsequent dental matrix formation. The complex genetic interactions leading to these human dental malformations can be only studied in detail in transgenic mice. Elucidating when and how signaling molecules and transcription factors dictate tooth initiation, morphology and mineralization will open new horizons to the dental discipline and will create new challenges. Novel genetic knowledge together with tissue engineering and stem cell approaches will probably instruct development of novel therapies in dentistry (116, 117).
Сайт создан в системе uCoz