Обновление ткани нуждается в клетках, которые могут продуцировать дифференцирующееся потомство. Многие органы, включая кожу, волоса и кишечник обновляются в течение всей жизни индивида. Интересно, что некоторые органы, такие как зубы, отличаются своей регенеративной способностью у разных видов. Напр., у рептилий зубы заменяются постоянно в течение всей жизни, тогда как у млекопитающих замещение зубов ограничено одним раундом (Fig. 1A). Количество и форма зубов также варьирует между видами. Зубы рептилий в основном homodont (все зубы имеют сходную форму), тогда как млекопитающих имеют heterodont зубы (разной формы зубы, которые принадлежат нескольким классам зубов: резцы, клыки, премоляры и моляры) (Fig. 1A). Во время эволюции млекопитающих способность к замещению зубов была редуцирована, тогда как сложность формы зубов повысилась. Большинство видов млекопитающих замещают свои молочные зубы (резцы, клыки и малые коренные зубы) только раз. Постоянные коренные зубы формируются позади молочных зубов и являются частью первичного образования зубов (Osborn, 1893), но они не замещаются ни у одного вида млекопитающих (Fig. 1A).

Основные свойства зубов были законсервированы в ходе эволюции. Все зубы образуются из поверхностного ротового эпителия и подлежащей мезенхимы, происходящей из нервного гребня. Взаимодействия между тканями обеспечиваются с помощью консервативных сигнальных путей, контролирующих морфогенез и клеточную дифференцировку эпителия (Tummers and Thesleff, 2009). У всех позвоночных первым признаком развития зубов является формирование эпителиальной первичной зубной пластинки (lamina). Она может быть распознана в виде подковообразного утолщения и как локальная полоса генной экспрессии в ротовой полости и глотке эмбриона, которая маркирует будущие ряды зубов (Fraser et al., 2009). У млекопитающих развитие первичных зубов начинается с эпителиальных плакод, формирующихся в зубной пластинке. Знания относительно роли плакод в инициации зубов разного типа всё ещё ограничены, потому что они изучаются в основном у мышей, которые имеют только одиночный постоянно растущий резец и три моляра в каждом челюстном квадранте (Fig. 1A).

Сходным образом, механизмы замещения зубов остаются плохо изученными, поскольку у мышей зубы не замещаются. Единственные замещаемые зубы у др. млекопитающих и постоянно замещаемые некоторые из зубов рептилий обнаруживают сходство по морфологии и молекулярным признакам (Jarvinen et al., 2009; Leche, 1895; Ooe, 1981; Richman and Handrigan, 2011; Smith et al., 2009b). В обоих случаях замещение зубов происходит последовательно из эпителия, ассоциированного с предшествующим зубом, и инициируется во время ранней стадии морфогенеза предшествующих зубов. У большинства позвоночных зачатки эмалевых органов молочных зубов соединены с зубной пластинкой, идущей по стороне, обращенной к языку и связанной с зародышами зубов ротового эпителия (Fig. 1B). Индивидуальное замещение зубов инициируется как расширение зубной пластинки, которая называется successional dental lamina (Jarvinen et al., 2009; Leche, 1895; Ooe, 1981; Philipsen and Reichart, 2004; Richman and Handrigan, 2011; Smith et al., 2009b) (Fig. 1B). Способность к замещению зубов, как полагают, заключена в зубной пластинке и successional зубной пластинке. Недавно были локализованы сохраняющие метку предполагаемые стволовые клетки в successional зубной пластинке у видов с замещением зубов в течение всей жизни, леопардового геккона (Eublepharis macularius) (Handrigan et al., 2010) и Американского аллигатора (Alligator mississippiensis) (P.W. and C.-M.C., unpublished).

Последовательное образование зубов наблюдается в дополнение к замещению зубов, если новые первичные зубы добавляются внутри зубного класса. Этот процесс характерен для heterodont образования зубов у млекопитающих, которые обычно имеют более одного резца, премоляра и моляра (Fig. 1A). В целом первичные зубы внутри одного класса прорезываются в специфической последовательности. Однако, их раннее развитие не было описано детально. Три моляра у мышей представляют модельную систему для анализа последовательного образования зубов, т.к. второй (M2) и третий моляры (M3) добавляются сзади вдоль ряда зубов в задней части челюсти (Fig. 1A; Fig. 5A). Выделенный зародыш первого молярного (M1) зуба дает M2 и M3, если трансплантирован в переднюю камеру глаза, но механизм инициации M2 и M3 остается неясным. Очевидно, что все последовательно формируемые зубы, включая замещение зубов и последовательное добавление в тот же класс зубов развиваются из зубного эпителия, ассоциированного с предшествующим зубом, который сохраняет компетентность к развитию зубов (Jarvinen et al., 2006). Понимание механизмов последовательного образования зубов нуждается молекулярной характеристике эпителия, формирующего зубы и идентификации клеток предшественников. Специфические маркеры для эпителиальной ткани, способной к формированию зубов, неизвестны.

Мы недавно установили, что Sox2 маркирует эпителиальные стволовые клетки в постоянно растущих резцах мышей и продемонстрировали, что Sox2-позитивные (Sox2+) стволовые клетки дают все эпителиальные клеточные клоны резцов (Juuri et al., 2012). Эти находки подвигли нас к исследованию, не связана ли экспрессия Sox2 с обновлением зубов в целом. Здесь мы локализовали экспрессию Sox2 на двух моделях последовательного образования зубов у разных видов: замещение зубов у хорька, человека и у 5 рептилий; и серийное добавление сзади моляров у мышей и хорька. Результаты показали, что Sox2+ предшественники уже присутствуют в первичной зубной пластинке во время инициации зубов и позднее присутствуют в зубной пластинке при обоих способах последовательного образования зубов. Генетическое картирование судеб Sox2-экспрессирующих клеток мышиного M1 показало, что они дают последовательно развивающиеся M2 и M3. Кондиционная делеция Sox2 ведет к экспансии эпителия зубной пластинки, ассоциированной с M2 и M3. Наши результаты показали, что Sox2 маркирует компетентность эпителия генерировать зубы и подтверждают, что он действует как негативный регулятор последовательного образования зубов.

DISCUSSION

Мы локализовали Sox2 в зубном эпителии в местах, которые как известно или как полагают обладают способностью к возобновлению зубов у некоторых млекопитающих и рептилий. С помощью генетического картирования судеб genetic мы продемонстрировали, что клетки Sox2+ мышиного M1 обеспечивают последовательное развитие M2 и M3. Кроме того, кондиционная делеция Sox2 показала, что Sox2 регулирует количество зубного эпителия.

Sox2 экспрессируется в первичной зубной пластинке, которая отмечает будущую зубную арку у позвоночных, и было предположено, что она дает приют стволовым клеткам для всех зубных эпителиальных тканей (Fig. 8) (Smith et al., 2009b). Важно, что Sox2 в дальнейшем экспрессируется в зубной пластинке (lamina) (Fig. 8), которая соединяет зачатки молочных зубов в эпителиальный слой, которые внедрены на её стороне к языку, т.е. на стороне, где происходит замещение зубов у всех животных (Fig. 1B) (Jarvinen et al., 2009; Ooe, 1981; Richman and Handrigan, 2011; Smith et al., 2009b). Эта зубная пластинка, как полагают, вносит вклад в предшественники, предназначенные для замещения зубов, но не было идентифицировано маркеров для отличия зубной пластинки от фланкирующего зубного эпителия. У всех изученных видов, непрерывная полоска Sox2+ клеток, распространяется от ротового эпителия через зубной тяж (cord) и эмалевый орган зубов первой генерации до successional dental lamina. Этот паттерн генной экспрессии уникален, а сравнение замещения зубов у млекопитающих и рептилий показывает, что большинство аспектов Sox2 экспрессии закреплено в ходе эволюции. Следовательно, Sox2 является первым известным геном, который маркирует зубную пластинку и successional dental lamina.

Fig. 8. Sox2 expression is associated with epithelial competence of dental lamina in different modes of successional tooth formation. Schematic of the localization of Sox2 (red) in the primary dental lamina in the lower jaw, and in the dental lamina during different types of successional tooth formation: mammalian tooth replacement, continuous replacement and molar addition. The drawings also illustrate the morphological similarity between the two modes of successional tooth formation. 1°, first generation tooth; 2°, second generation tooth; A, anterior; B, buccal; dc, dental cord; dC, deciduous canine; dl, dental lamina; L, lingual; Le, left; M, molar; P, posterior; Ri, right; sl, successional dental lamina; t, tongue.

У рептилий Sox2 экспрессируется во всех последующих зубах и в successional lamina. Интересно, что у хорьков полоска Sox2+ клеток продолжается в зародыши постоянных зубов, указывая на присутствие зубной пластинки со стороны языка эмалевого органа. Хотя замещение зубов у хорька ограничено одним раундом, зубная пластинки, по-видимому, поддерживается как часть развивающихся постоянных зубов, подобно рептилиям. Мы не использовали человеческий материал достаточно продвинутых стадий, чтобы посмотреть зачатки постоянных зубов, но successional dental lamina, расширяющаяся от развивающихся постоянных зубов человека, существует (Ooe, 1981). Это вместе с др. нашими наблюдениями согласуется с гипотезой, что может существовать дремлющая способность для будущего раунда замещения зубов у млекопитающих (Jarvinen et al., 2006; Jensen and Kreiborg, 1990; Richman and Handrigan, 2011). Кроме того, наши находки показывают, что даже моляры мышей могут обладать компетентностью замещения зубов, хотя зубы мышей обычно не замещаются и млекопитающие не не замещают моляров. Sox2 экспрессировался у мышей в сходных местах, которые наблюдались и у хорька, подтверждая, что эпителий моляров мышей может иметь внедренную зубную lamina. Кроме того, Sox2+ эпителиальный зачаток обнаруживается выпячивающимся из тяжа (cord) вблизи соединения с OEE, представляя собой скорее абортированную инициацию замещения зубов.

Серийное горизонтальное добавление первичных зубов внутри класса зубов представляет собой др. пример последовательного формирования зубов. Мы наблюдали, что динамическая экспрессия Sox2 повторяется, когда добавляются мышиные моляры в зубной ряд, показывая, что экспрессия Sox2 связана с задним расширением зубного эпителия, когда происходит добавление нового зуба (Fig. 8). С помощью генетического картирования судеб, мы продемонстрировали, что Sox2+ клетки мышиного M1 дают все эпителиальные клеточные клоны для последовательно развивающихся M2 и зачатка M3. Мы полагаем, что Sox2+ клетки обладают способностью формировать эпителиальный компонент новых зубов.

Постоянное горизонтальное добавление моляров происходит у некоторых млекопитающих, таких как серебристого слепыша (Heliophobius argenteocinereus), и это напоминает постоянное замещение зубов у рептилий (Rodrigues et al., 2011). Добавочные задние моляры иногда присутствуют у людей (Shahzad and Roth, 2012), а также у мышей дикого типа (our unpublished observations). Эти примеры подтверждают мнение об устойчивой компетентности эпителия к формированию зубов. Наши наблюдения подчеркивают разительное сходство между процессами замещения зубов и серийным добавлением первичных зубов у млекопитающих. Во-первых, когда инициируются мышиные моляры и замещение зубов у хорька, то предшествующие зубы зубы достигают только ст. раннего бокала или раннего колокола. Во-вторых, в обоих случаях новые зубы образуются последовательно из Sox2+ зубной эпителиальной ткани, ассоциированной с зубным тяжом и эмалевым органом предшествующего зуба, т.е. с зубной пластинкой (Fig. 8). Эти два процесса различаются в ориентации и направлении образования новых зубов: образование замещающих зубов инициируется на стороне, обращенной к языку, предшествующего зуба и происходит в вертикальном направлении, тогда как добавление первичных зубов внутри класса зубов инициируется с заднего (иногда с переднего) аспекта предшествующего зуба и осуществляется горизонтально (Fig. 8). Сходство между формированием замещающих зубов и задних моляров уже отмечалось ранее (Jarvinen et al., 2008; Jensen and Kreiborg, 1990) и базировалось на очевидном сходстве в морфологии, времени развития и паттерне экспрессии Sox2 , мы предположили, что два способа последовательного образования зубов действительно представляют собой вариации одного и того же онтогенетического процесса. Исходя из нашего генетического картирования судеб и морфологического и молекулярного сходства между добавлением задних моляров и замещением зубов, мы предположили, что Sox2+ клетки в зубной пластинке, которые вносят вклад в последующие моляры, также вызывает замещение зубного эпителия. Это необходимо подтвердить экспериментально с использованием генетического картирования у видов с постоянным замещением.

Интересно, что образование избыточных зубов описано у людей, несущих гетерозиготную мутацию потери функции в гене SOX2 (Numakura et al., 2010). Фенотип добавочных зубов напоминает тот, что наблюдается при двух др. синдромах, cleidocranial dysplasia (CCD) и craniosynostosis and dental anomalies syndrome (CRDSA) (Jensen and Kreiborg, 1990; Nieminen et al., 2011). Клиническое отслеживание развития добавочных зубов у пациентов с CCD показало. что они формируются подряд как часть дополнительного замещения и как добавочные задние моляры (Jensen and Kreiborg, 1990), гистологическая проверка ткани, ассоциированной с добавочными зубами при CCD выявила изобилие зубного эпителия (Lukinmaa et al., 1995). Sox2c KO мыши формируют гиперпластичный зубной эпителий, ассоциированный с развитием M2 и M3, это согласуется с фенотипом избыточных зубов у пациентов с мутацией SOX2 и указывает, что Sox2 предупреждает экспансию зубного эпителия. Усиление канонической передачи сигналов Wnt вызывает формирование избыточных зубов при синдроме семейного adenomatous polyposis у людей и способность к постоянному образованию зубов оказывается незамкнутым у мышей, у которых активирован путь Wnt за счет стабилизации β-catenin в ротовом эпителии (Wang and Fan, 2011). В самом деле, Sox2 может функционировать как ингибитор канонической передачи сигналов Wnt (Mansukhani et al., 2005). Т.о., Sox2 может действовать как ингибитор формирования замещающих зубов и избыточных моляров за счет ингибирования роста эпителия. Мы не наблюдали изменений в пролиферации или экспрессии Axin2 у Sox2cKOs, но это может быть результатом неполноты делеции Sox2 у мутантов.

Постоянное обновление и замещение зубов нуждается в источнике стволовых клеток, которые могут самообновляться и продуцировать потомство. У изученных рептилий экспрессия Sox2 перекрывает регионы в зубной пластинке, где располагаются предполагаемые стволовые клетки (Handrigan et al., 2010) (P.W. and C.-M.C., unpublished). Sox2 может играть важную роль в поддержании зубной пластинки, которая, скорее всего, является обязательным условием последовательного образования зубов. прекращение постоянного формирования зубов у млекопитающих может быть однако не результатом истощения Sox2+ клеток, поскольку экспрессия Sox2 поддерживается в зачатков вторичных зубов у хорька, у которых не происходит замещения зубов. Одной из объяснимых причин постоянного последовательного формирования зубов может быть отсутствие передачи сигналов, которая индуцирует инициацию зубов из Sox2+ клеток в зубной пластинке. У рептилий, как полагают, мезенхимные сигналы инициируют этот процесс (Handrigan and Richman, 2010). Эксперименты по генетическому картированию судеб продемонстрировали, что Sox2+ клетки вносят вклад во все эпителиальные типы клеток последовательно сменяющихся моляров, что сходно с нашими наблюдениями на резцах (Juuri et al., 2012). Следовательно, Sox2 может быть маркером для клеток первичных зубных предшественников, которые обладают способностью генерации новых зубов. Роль Sox2 в зубной пластинке может быть связана с ингибированием пролиферации предшественников и/или поддержанием из состояния предшественников.