Geenit säätelevät sikiön kehitystä. Tärkeät geenit ilmentyvät tietyssä kudoksessa tiettynä ajankohtana. Geenien ilmeneminen: DNA jakso kopioidaan lähetti RNA:ksi Keskeinen kysymys: Miten geenien ilmenemistä säädellään? Transkriptiotekijät määräävät geenin kopioimisen alkamisen, eli säätelevät geenien ilmenemistä Transkriptiotekijöitä ilmentämällä voidaan ohjelmoida solut uudelleen Hox geenit ovat ns. homeoottisia geenejä, jotka koodaavat tärkeitä transkriptiotekijöitä Toinen Hox geeni kasvattaa kärpäselle jalat tuntosarvien tilalle Hox geeni käynnistää ylimääräisten siipien kehityksen 1
Homeoottiset geenit ovat esiintyvät rykelminä ja ovat säilyneet hyvin samanlaisina sekä kärpäsessä että ihmisessä Pax6 geeni käynnistää silmän kehityksen kärpäsen jalassa ja päässä Runx2 (Cbfa1) on luun kehityksen mestarigeeni Lim1 geeni on välttämätön pään kehitykselle Solujen välinen viestintä on tärkein kehitystä ohjaava mekanismi Viestimolekyylejä: Hedgehog Fibroblastikasvutekijä (FGF) Transformoiva kasvutekijä (TGF ) Luun morfogeneettinen proteiini (BMP) -- Aktiviini Wnt Ektodysplasiini (Eda) Epidermaalinen kasvutekijä (EGF) Insuliininkaltainen kasvutekijä (IGF) Notch Onko hampaille oma mestarigeeni? Ei ehkä yhtä ainoaa, mutta luultavasti kombinaatio. Signaalit säätelevät mestarigeenien toimintaa 2
Samat signaalit säätelevät kaikkien elinten kehitystä kaikilla eläimillä. Mutaatiot, jotka vaikuttavat signalointiin aiheuttavat kehityshäiriöitä, mutta myös syöpää. Signaaleita käytetään kantasolujen erilaistamiseen ja tulevaisuudessakudosten rakentamiseen. Sonic hedgehog (Shh) ilmentyy mm. karvoissa. Wnt on ensimmäinen karvan indusoiva signaali Sonic hedgehog geenin mutaatio aiheuttaa holoprosenkefalian Mutaatiot Shh jas Wnt signaloinnissa aiheuttavat ihon tuumoreita. Fibroblastikasvutekijä (FGF) indusoi raajan kehityksen Kraniosynostoosi Mutaatiot fibroblastikasvutekijöiden (FGF) viestinnässä aiheuttavat kraniosynostoosin Apertin syndroomassa. Kaikki pään ja kasvojen luiden väliset saumat sulkeutuvat ennenaikaisesti. Raajojen anomaliat liittyvät usein kraniosynostoosiin 3
Kallon peitinluiden kehitys Kraniosynostoosin aiheuttavia geenejä parietaaliluu sutuura parietaaliluu Fibroblastijkasvutekijän reseptorit aivot FGFR1 (Pfeiffer) FGFR2 (Crouzon, Apert, Pfeiffer) FGFR3 (Non Syndromic, Crouzon) Transkriptiotekijät TWIST (Saethre-Chotzen) kallonpohja MSX2 (Boston Type) David Rice RUNX 2 geenin mutaatiot aiheuttavat kleidokraniaalisen dysplasian ylilukuisia hampaita Sutuurat ja fontanellit jäävät avoimiksi syndroomissa, joissa luun muodostus on vajavaista ( esim. kleidokraniaalinen dysplasia) luun hypoplasia vaikeutunut puhkeaminen Kleidokraniaalinen dysplasia RUNX2 +/- Runx2 transkriptiotekijä on luun kehityksen mestarigeeni. Mutta se on myös tärkeä hampaan kehityksen säätelijä: - välttämätön hampaan kehitykselle - estää kolmannen hammaskerran syntymisen Courtesy: Sven Kreiborg Vaihdunta jatkuu: joskus neljäs hammas. Kolmasosalla potilaista on ylimääräisiä molaareja 4
Hampaat ovat ektodermin elimiä. Ne kehittyvät samanlaisten mekanismien ohjaamina kuin esim. karvat ja sylkirauhaset plakodi initiaatio muotoutuminen SILMU LAKKI kiillekyhmy solujen erilaistuminen kovakudosten eritys KELLO ameloblasti odontoblasti PUHKEAMINEN kiille dentiini HAMPAAN KEHITYS pulpa Hammas Karva Rauhanen Höyhen leukaluu Gene Expression in Tooth - a graphical data-base http://bite-it.helsinki.fi Tietokannassa on yli 300 geenin ilmenemiskuviot. Edar expression Fgf8 geeni on välttämätön hampaan initiaatiolle Hampaan kehitys alkaa kun epiteeli lähettää viereisille mesenkyymisoluille viestin. FGF8:n lisäksi Wnt ja BMP signaalit ovat välttämättömiä Kiillekyhmy on hampaan viestintäkeskus viestimolekyylit: BMP, FGF, Wnt p21 msx2 lef1 Edar BMP 2,4,7 Shh FGF 3,4,9,20 Wnt 3,10a,b transkriptiotekijät: msx1, pax9, lhx6 ym. Aktiviini; Fgf-3; Bmp-4 5
Signaaliverkostot säätelevät hampaan kehitystä Hampaiden puutoksia (hypodontiaa) aiheuttavia geenejä Hiiri Ihminen Mutaatiot vihreissä geeneissä johtavat hampaiden puuttumiseen hiirellä. Ihmisellä monien mutaatiot aiheuttavat oligodontian = laaja hammaspuutos (yli 6 hammasta puuttuu) msx1 pax9 pitx2 Eda Edar Edaradd p63 lef1 activin A runx2 MSX1 PAX9 PITX2 EDA (yleisin ED geeni) EDAR EDARADD P63 AXIN2 WNT10 (yleisin ei-syndroomisen oligodontian geeni) PAX9 geenin mutaatio aiheuttaa oligodontian PITX 2 geenin mutaatiot (+/-) aiheuttavat Rieger syndrooman Hampaiden kehitys alkaa suun epiteelin hammaslaminasta Mutaatiot AXIN2 geenissä aiheuttavat laajan hammaspuutoksen ja paksusuolen syövän E11 E13 Pitx2 geeni ilmentyy hammaslaminassa Pitx2 knockout hiirten hampaan kehitys pysähtyy initiaatiovaiheeseeen Axin2 on Wnt signaalin estäjä ja kohdegeeni 6
Wnt signaloinnin hyperaktivaatio transgeenisessä hiiressä saa aikaan jatkuvan hampaiden kehityksen. Wnt signaloinnin hyperaktivaatio transgeenisessä hiiressä saa aikaan jatkuvan hampaiden kehityksen. 42 hammasta kehittyi yhdestä tg hiiren 1.molaarin hammasaiheesta kun se oli siirretty kasvamaan munuaiskapselin alle Tg hiiren molaarin aihetta kasvatettiin 19 päivää elinviljelmässä Kontrollihiiren hampaasta kehittyi 3 molaaria Wnt signalointi ylläpitää kantasoluja monissa kudoksissa Järvinen et al. 2006 Gene mutations causing ectodermal dysplasia with oligodontia Hypohidroottinen ektodermaalinen dysplasia (HED) Condition Associated defects Gene Type of molecule Hypohidrotic ectodermal dysplasia (HED) EDA EDAR EDARADD Signal molecule, EDA (Ectodysplasin) EDA receptor EDA signal mediator HED-ID Immunodeficiency EEC Ectrodactyly, Cleft palate CLPED1 Cleft lip and palate OODD* Keratoderma, Nail hypoplasia Smooth tongue, Hyperhidrosis *Odonto-onycho-dermal dysplasia IKK NF B activator P63 FGF and BMP target PVRL1 (nectin) Adhesion molecule WNT 10A Signal molecule --- Wnt 10a mutaatiot: yleisin geenivirhe ei-syndroomisissa oligodontioissa Estynyt ektodysplasiini viestintä Ectodysplasiini (Eda) tumor necrosis factor perheen (TNF) kasvutekijä mutaatiot: X-kromosomaalinen hypohidroottinen ectodermaalinen dysplasia (HED) Edar Eda reseptori mutaatiot: autosomaalinen HED Edaradd death domain adapteri molekyyli mutaatiot: autosomaalinen HED Kaikki fenotyypit samanlaisia- johtuvat NFkB signaloinnin estymisestä Tavallisesti hiirillä on 3 poskihammasta Eda mutantti hiiren ektodysplasiinigeeni ei toimi, ja sillä on vain 2 poskihammasta Siirtogeeniselle hiirelle, jolla on ylimääräisiä ektodysplasiinigeenejä (K14-Eda), kehittyy ylimääräisiä hampaita. 7
Ektodysplasiini kiihdyttää kaikkien ektodermaalisten elinten kehitystä Ektodysplasiini (Eda) Edar E12 E13 E14 Ektodysplasiini säätelee Edar-reseptorin välityksellä hampaan viestikeskuksia, plakodeja ja kiillekyhmyjä Hypohidroottinen ektodermaalinen dysplasia on ensimmäinen geneettinen kehityshäiriö, joka on parannettu pysyvästi lyhytaikaisella rekombinanttiproteiinihoidolla Hypohidrotic ectodermal dysplasia and immunodeficiency (HED-ID) Ektodysplasiini-injektiot Eda -/- koirille 2-11 vrk syntymän jälkeen Casal et al., Am J Hum Genet 81: 1050, 2007 Causative gene: IKKg (NEMO), activator of NF-kB (Incontinentia pigmenti is caused by mutations in the same gene) EEC= ectrodactyly-ectodermal dysplasia-clefting syndrome Heterozygous germline mutations in transcription factor p63 Hampaiden ja karvojen kehitys pysähtyy ennen plakodivaihetta P63 knockout hiirillä Ectrodactyly Ectodermal dysplasia (split hand and/or foot) Cleft lip and palate Oligodontia WT p63 -/- WT p63 -/- E11 E12 (Van Bokhoven & McKeon. Trends Mol Med, 2002) (Fryns et al., JMedGenet,1990) Hammasplakodit puuttuvat Karvaplakodit puuttuvat 8
Mutations in NECTIN-1 cause ectodermal dysplasia (ED) Nektiinit ovat solujen adheesiota välittäviä molekyylejä Cleft lip/palate- ED syndrome (CLPED) Margarita island ED / Zlotogora-Ogur syndrome Characteristics of the patients: cleft lip and palate, mental retardation, syndactyly, and ED. ED symptoms in these syndromes: hyperkeratinised skin, sparse and kinky hair, missing teeth, dry mouth Nectins are immunoglobulin-like cell adhesion molecules functioning in the formation of cell- cell junctions Suzuki et al., 1998 The nectin family comprises 4 members: Nectins 1, 2, 3 and 4 Nectins interact with each other and the interaction recruits adherent junction, then tight junction. Nectin-1 deficient mice exhibit reduction of desmosomal junctions and have mild enamel defects (Barron et al., 2008). Tight junction Adherens junction Sakisaka et al., 2007 Brancati et al. : Mutations in NECTIN-4 cause Ectodermal Dysplasia- syndactyly syndrome (EDSS) Am J Hum Genet 87, 265, 2010 9