Fine-tuning of the signalling network controlling morphogenesis and stem cell development in teeth

Tooth development is regulated by sequential and reciprocal interactions between epithelium and mesenchyme. The molecular mechanisms underlying this regulation are conserved and most of the participating molecules belong to several signalling families. Research focusing on mouse teeth has uncovered many aspects of tooth development, including molecular and evolutionary specifi cs, and in addition offered a valuable system to analyse the regulation of epithelial stem cells. In mice the spatial and temporal regulation of cell differentiation and the mechanisms of patterning during development can be analysed both in vivo and in vitro. Follistatin (Fst), a negative regulator of TGFβ superfamily signalling, is an important inhibitor during embryonic development. We showed the necessity of modulation of TGFβ signalling by Fst in three different regulatory steps during tooth development. First we showed that tinkering with the level of TGFβ signalling by Fst may cause variation in the molar cusp patterning and crown morphogenesis. Second, our results indicated that in the continuously growing mouse incisors asymmetric expression of Fst is responsible for the labial-lingual patterning of ameloblast differentiation and enamel formation. Two TGFβ superfamily signals, BMP and Activin, are required for proper ameloblast differentiation and Fst modulates their effects. Third, we identifi ed a complex signalling network regulating the maintenance and proliferation of epithelial stem cells in the incisor, and showed that Fst is an essential modulator of this regulation. FGF3 in cooperation with FGF10 stimulates proliferation of epithelial stem cells and transit amplifying cells in the labial cervical loop. BMP4 represses Fgf3 expression whereas Activin inhibits the repressive effect of BMP4 on the labial side. Thus, Fst inhibits Activin rather than BMP4 in the cervical loop area and limits the proliferation of lingual epithelium, thereby causing the asymmetric maintenance and proliferation of epithelial stem cells. In addition, we detected Lgr5, a Wnt target gene and an epithelial stem cell marker in the intestine, in the putative epithelial stem cells of the incisor, suggesting that Lgr5 is a marker of incisor stem cells but is not regulated by Wnt/β-catenin signalling in the incisor. Thus the epithelial stem cells in the incisor may not be directly regulated by Wnt/β-catenin signalling. In conclusion, we showed in the mouse incisors that modulating the balance between inductive and inhibitory signals constitutes a key mechanism regulating the epithelial stem cells and ameloblast differentiation. Furthermore, we found additional support for the location of the putative epithelial stem cells and for the stemness of these cells. In the mouse molar we showed the necessity of fi ne-tuning the signalling in the regulation of the crown morphogenesis, and that altering the levels of an inhibitor can cause variation in the crown patterning.

Hampaiden kehitystä säätelee epiteelin ja mesenkyymin välinen vuorovaikutus. Molekyylien säätelemään vuorovaikutuksen tärkeimmät osallistujat kuuluvat muutamamaan yleiseen signalointimolekyyliperheeseen. Follistatin (Fst) on TGFβ signalointimolekyyliperheen negatiivinen säätelijä ja myös tärkeä inhibiittori kehityksen aikana. Työmme todisti, että Fst on välttämätön TGFβ perheen signaloinnin säätelijänä kolmessa eri vaiheessa hampaan kehitystä. Ensiksi osoitimme, että Fst säätelyn avulla on mahdollista muokata poskihampaiden nystermien rakentumista ja kruunun muodostumista. Toiseksi tuloksemme esittävät, että jatkuvasti kasvavien hiiren etuhampaiden epäsymmetrinen rakenne on Fst säätelemää. Fst, Activinin ja BMP:n vuorovaikutus johtaa ameloblastien erilaistumiseen ja kiilteen muodostumiseen ainoastaan labiaalipuolelle etuhammasta. Kolmanneksi tunnistimme monimutkaisen signalointiverkoston, joka säätelee etuhampaan epiteliaalisen kantasolupopulaation ylläpitoa ja osoitimme, että Fst on tämän verkoston välttämätön säätelijä. BMP4, FGF, Activin ja Fst vuorovaikutuksen seurauksena labiaalisen kervikaalisen silmun epiteliaalista kantasolupopulaatiota ylläpidetään aktiivisesti, kun taas linguaalipuolella kervikaalisen silmun epiteelisolujen proliferaatio on hyvin vähäistä. Näiden lisäksi tutkimme mahdollisen kantasolumarkkerigeenin, Lgr5, ekspressoitumista etuhampaan epiteeliaalisissa soluissa. Geenin ekspressoitumisalue ehdottaa sen olevan kantasolumarkkeri myös etuhampaassa. Tuloksemme osoittavat, että hiiren etuhampaan epäsymmetristä rakennetta säätelee indusoivien ja inhiboivien molekyylien verkosto. Hiiren poskihampaissa hienovarainen säätely taas muokkaa kruunun rakennetta ja jo pienet vaihtelut säätelygeenien tasoissa voivat saada aikaan suuria muutoksia rakenteeseen.