Sostdc1 Plays an Essential Role in Mammalian Tooth Patterning : Insight into the Rodent Dental Evolution

Abstract

This thesis work focuses on the role of TGF-beta family antagonists during the development of mouse dentition. Tooth develops through an interaction between the dental epithelium and underlying neural crest derived mesenchyme. The reciprocal signaling between these tissues is mediated by soluble signaling molecules and the balance between activatory and inhibitory signals appears to be essential for the pattern formation. We showed the importance of Sostdc1 in the regulation of tooth shape and number. The absence of Sostdc1 altered the molar cusp patterning and led to supernumerary tooth formation both in the molar and incisor region. We showed that initially, Sostdc1 expression is in the mesenchyme, suggesting that dental mesenchyme may limit supernumerary tooth induction. We tested this in wild-type incisors by minimizing the amount of mesenchymal tissue surrounding the incisor tooth germs prior to culture in vitro. The cultured teeth phenocopied the extra incisor phenotype of the Sostdc1-deficient mice. Furthermore, we showed that minimizing the amount of dental mesenchyme in cultured Sostdc1-deficient incisors caused the formation of additional de novo incisors that resembled the successional incisor development resulting from activated Wnt signaling. Sostdc1 seemed to be able to inhibit both mesenchymal BMP4 and epithelial canonical Wnt signaling, which thus allows Sostdc1 to restrict the enamel knot size and regulate the tooth shape and number. Our work emphasizes the dual role for the tooth mesenchyme as a suppressor as well as an activator during tooth development. We found that the placode, forming the thick mouse incisor, is prone to disintegration during initiation of tooth development. The balance between two mesenchymal TGF-beta family signals, BMP4 and Activin is essential in this regulation. The inhibition of BMP4 or increase in Activin signaling led to the splitting of the large incisor placode into two smaller placodes resulting in thin incisors. These two signals appeared to have different effects on tooth epithelium and the analysis of the double null mutant mice lacking Sostdc1 and Follistatin indicated that these TGF-beta inhibitors regulate the mutual balance of BMP and Activin in vivo. In addition, this work provides an alternative explanation for the issue of incisor identity published in Science by Tucker et al. in 1998 and proposes that the molar like morphology that can be obtained by inhibiting BMP signaling is due to partial splitting of the incisor placodes and not due to change in tooth identity from the incisor to the molar.

This thesis work presents possible molecular mechanisms that may have modified the mouse dental pattern during evolution leading to the typical rodent dentition of modern mouse. The rodent dentition is specialized for gnawing and consists of two large continuously growing incisors and toothless diastema region separating the molars and incisors. The ancestors of rodents had higher number of more slender incisors together with canines and premolars. Additionally, murine rodents, which include the mouse, have lost their ability for tooth replacement. This work has revealed that the inhibitory molecules appear to play a role in the tooth number suppression by delineating the spatial and temporal action of the inductive signals. The results suggest that Sostdc1 plays an essential role in several stages of tooth development through the regulation of both the BMP and Wnt pathway. The work shows a dormant sequential tooth forming potential present in wild type mouse incisor region and gives a new perspective on tooth suppression by dental mesenchyme. It reveals as well a novel mechanism to create a large mouse incisor through the regulation of mesenchymal balance between inductive and inhibitory signals.

Fossiiliaineiston perusteella voidaan hiiren hampaistossa havaita tapahtuneen suuria muutoksia evoluution kuluessa. Nykyhiireltä näyttää hampaiden kokonaismäärä vähentyneen, kyky hampaiden uusimiseen hävinneen, sekä suurten jyrsimiseen soveltuvien etuhampaiden sijaan hiiren kantamuodolla uskotaan olleen useampi pari pienempiä etuhampaita. Tässä väitöskirjassa esitellään niitä molekyylitason mekanismeja, jotka ovat mahdollisesti olleet mukana muokkaamassa nykyhiiren hampaiston kehitystä.

Hampaan kehitystä säätelee epiteeli- ja mesenkyymikudoksen välinen signaalimolekyylien vaihto. Keskeistä hampaiston kaavoittumisessa näyttäisi olevan tasapaino hampaan kehitystä aktivoivien ja niitä estävien molekyylien välillä. Tämä väitöskirja keskittyy TGF-beta signaaliperheen jäsenten, Bone morphogenetic protein 4:n (BMP4) ja Activinin, säätelyyn hiiren hampaiston kehityksen aikana. Väitöskirja tuo esiin miten keskeistä näiden molekyylien toiminnan rajaaminen kehityksen eri vaiheissa on ja miten muutokset näiden signaalien pitoisuuksissa voivat aiheuttaa muutoksia hampaiden lukumäärissä ja muodoissa, sekä mahdollistaa hammasjäänteiden eli surkastuneiden rakenteiden uudelleen kehittymisen. Sostdc1 on sekä BMP4:n että WNT-signaaliperheen negatiivinen säätelijä. Työmme osoitti sen puuttuminen johtavan hiiren poskihampaiden muodon muuttumiseen ja ylimääräisten hampaiden kehittymiseen sekä etu- että poskihammasalueelle. Tutkimuksissamme selvisi näiden ylimääräisten hampaiden syntyvän hammasjäänteistä, joiden kehittymistä Sostdc1 näyttäisi normaalisti estävän. Osoitimme, että kyseiset hammasjäänteet ovat mahdollista saada kehittymään myös villityyppi hiirelle poistamalla mekaanisesti Sostdc1:tä ilmentävä mesenkyymi villityyppi näytteestä ja kasvattamalla kudosta keinotekoisissa kasvatusolosuhteissa. Päivää myöhemmässä kehitysvaiheessa havaitsimme Sostdc1:n ilmentyvän myös etuhampaan epiteelillä, alueella, jolla kantasolujen ajatellaan sijaitsevan. Kun sama mesenkyymin poisto tehtiin Sostdc1-poistogeeniselle hiirelle, saimme tältä epiteelialueelta kehittymään täysin uusia hampaita. Tutkimuksemme kävi myös ilmi BMP:n ja Activinin, välisen tasapainon keskeinen rooli hampaan varhaiskehityksen aikana. Näiden proteiinin pitoisuuksia muuttamalla saadaan hiiren suuri etuhammas hajoamaan kahteen pienempään hampaaseen. Toisin kuin aiemmin osoitettu, tällä ei näyttäisi olevan mitään tekemistä hampaan identiteetin määräytymisen kanssa, joka oletettavasti on seurausta vielä varhaisimmista tapahtumista. Tutkimustyömme tarjoaa näin ollen samalla uuden tulkinnan aiemmin Science- tiedelehdessä (Tucker et al. 1998) julkaistulle artikkelille hampaan identiteetin määräytymisestä.