FZD6, MATN2 AND SLC25A32, POSSIBLE CANDIDATE GENES IN NONSYNDROMIC CLEFT LIP AND PALATE

Nonsyndromic cleft lip with or without cleft palate (NSCLP) is a common birth defect with a multifactorial etiology. Despite decades of research, the genetic underpinnings of NSCLP still remain largely unexplained. A genome wide association study (GWAS) of a large NSCLP African American family with seven affected individuals across three generations found evidence for linkage at 8q21.3-24.12 (LOD = 2.98). This region contained three biologically relevant candidate genes: Frizzled-6 (FZD6) (LOD = 2.8), Matrilin-2 (MATN2) (LOD = 2.3), and Solute Carrier Family 25, Member 32 (SLC26A32) (LOD = 1.6). Sequencing of the coding regions and the 5’ and 3’ UTRs of these genes in two affected family members identified a rare intronic variant, rs138557689 (c.-153+432A>C), in FZD6. The rs138557689/C allele segregated with the NSCLP phenotype; in silico analysis predicted and EMSA analysis showed that the 138557689/C allele creates new DNA binding sites. FZD6 is part of the WNT pathway, which is involved in craniofacial development, including midface development and upper lip fusion. Our novel findings suggest that an alteration in FZD6 gene regulation may perturb this tightly controlled biological pathway and in turn contribute to the development of NSCLP in this family. Studies are underway to further define how the rs138557689/C variant affects expression of FZD6.

ANÁLISE CEFALOMÉTRICA COMPARATIVA ENTRE CRIANÇAS RESPIRADORAS BUCAIS E NASAIS

Existem muitas controvérsias sobre a real interferência da respiração no crescimento craniofacial. Este estudo avaliou a possível relação da influência do padrão respiratório com as variáveis cefalométricas: 1) variáveis esqueléticas sagitais: convexidade do ponto A, profundidade facial, profundidade da maxila e comprimento do corpo mandibular; 2) variáveis esqueléticas verticais: altura facial inferior, eixo facial, cone facial, plano palatal, plano mandibular, altura facial posterior e arco mandibular; 3) variáveis dentárias: protrusão do incisivo inferior e protrusão do incisivo superior. A amostra constituiu-se de 120 crianças do sexo masculino e do sexo feminino com más-oclusões dentárias de Classe I e II-1, respiradores bucais e nasais na fase da dentadura mista e permanente, com indicação para tratamento ortodôntico. Após as avaliações ortodôntica, otorrinolaringológica e fonoaudiológica a amostra foi dividida em 2 grupos: 60 crianças portadoras de más-oclusões Classe I e Classe II-1 respiradoras bucais e 60 crianças portadoras de más-oclusões Classe I e Classe II-1 respiradoras nasais, sendo cada grupo divididos em 3 subgrupos nas faixas etárias: 7 a 8 anos, 9 a 10 anos e 11 a 12 anos. Após a obtenção dos resultados e a interpretação da análise estatística, foi possível concluir que: 1) das relações entre os padrões respiratórios (bucal e nasal) e as variáveis esqueléticas sagitais: constatou-se que houve diferença estatisticamente significante, apresentando-se as variáveis cefalométricas: Convexidade pto. A: aumentada no grupo de respiração bucal, idade de 7 a 8 anos com má-oclusão Classe I. Profundidade facial : aumentada no grupo de respiração bucal, idade de 9 a 10 anos com má-oclusão Classe II-1. Profundidade maxila: aumentada no grupo de respiração bucal, idade de 9 a 10 anos com má-oclusão Classe II-1; 2) das relações entre os padrões respiratórios (bucal e nasal) e as variáveis esqueléticas verticais: constatou-se que houve diferença estatisticamente significante, apresentando-se as variáveis cefalométricas: Cone facial: diminuída no grupo de respiração bucal, idade 9 a 10 anos com má-oclusão Classe I. Arco mandibular : diminuída no grupo de respiração bucal, idade 7 a 8 anos com má-oclusão Classe II-1.; 3) das relações entre os padrões respiratórios (bucal e nasal) e as variáveis dentárias: constatou-se que não houve diferença estatisticamente significante para nenhuma das variáveis dentárias analisadas: protrusão do incisivo inferior e superior , não se relacionando com os padrões respiratórios (bucal e nasal).

ANÁLISE CEFALOMÉTRICA COMPARATIVA ENTRE CRIANÇAS RESPIRADORAS BUCAIS E NASAIS

Existem muitas controvérsias sobre a real interferência da respiração no crescimento craniofacial. Este estudo avaliou a possível relação da influência do padrão respiratório com as variáveis cefalométricas: 1) variáveis esqueléticas sagitais: convexidade do ponto A, profundidade facial, profundidade da maxila e comprimento do corpo mandibular; 2) variáveis esqueléticas verticais: altura facial inferior, eixo facial, cone facial, plano palatal, plano mandibular, altura facial posterior e arco mandibular; 3) variáveis dentárias: protrusão do incisivo inferior e protrusão do incisivo superior. A amostra constituiu-se de 120 crianças do sexo masculino e do sexo feminino com más-oclusões dentárias de Classe I e II-1, respiradores bucais e nasais na fase da dentadura mista e permanente, com indicação para tratamento ortodôntico. Após as avaliações ortodôntica, otorrinolaringológica e fonoaudiológica a amostra foi dividida em 2 grupos: 60 crianças portadoras de más-oclusões Classe I e Classe II-1 respiradoras bucais e 60 crianças portadoras de más-oclusões Classe I e Classe II-1 respiradoras nasais, sendo cada grupo divididos em 3 subgrupos nas faixas etárias: 7 a 8 anos, 9 a 10 anos e 11 a 12 anos. Após a obtenção dos resultados e a interpretação da análise estatística, foi possível concluir que: 1) das relações entre os padrões respiratórios (bucal e nasal) e as variáveis esqueléticas sagitais: constatou-se que houve diferença estatisticamente significante, apresentando-se as variáveis cefalométricas: Convexidade pto. A: aumentada no grupo de respiração bucal, idade de 7 a 8 anos com má-oclusão Classe I. Profundidade facial : aumentada no grupo de respiração bucal, idade de 9 a 10 anos com má-oclusão Classe II-1. Profundidade maxila: aumentada no grupo de respiração bucal, idade de 9 a 10 anos com má-oclusão Classe II-1; 2) das relações entre os padrões respiratórios (bucal e nasal) e as variáveis esqueléticas verticais: constatou-se que houve diferença estatisticamente significante, apresentando-se as variáveis cefalométricas: Cone facial: diminuída no grupo de respiração bucal, idade 9 a 10 anos com má-oclusão Classe I. Arco mandibular : diminuída no grupo de respiração bucal, idade 7 a 8 anos com má-oclusão Classe II-1.; 3) das relações entre os padrões respiratórios (bucal e nasal) e as variáveis dentárias: constatou-se que não houve diferença estatisticamente significante para nenhuma das variáveis dentárias analisadas: protrusão do incisivo inferior e superior , não se relacionando com os padrões respiratórios (bucal e nasal).

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TIPO FACIAL NOS TAMANHOS DOS ESPAÇOS AÉREOS NASO E BUCOFARÍNGE

A variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo ocorre devido a fatores genéticos e/ou ambientais. A diminuição no tamanho do espaço aéreo nasofaríngeo, causada pela hipertrofia da tonsila faríngea, tem sido associada a alterações no padrão normal de crescimento craniofacial e a efeitos deletérios na oclusão. O objetivo do presente trabalho é avaliar se há variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, assim como avaliar a correlação entre os tamanhos dos espaços e o índice VERT, além de verificar um possível dimorfismo sexual. Na mensuração dos espaços, utilizou-se telerradiografias laterais de 90 pacientes, divididos em três grupos de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, determinado por meio do índice VERT de Ricketts. Os pacientes da amostra, com idades entre 9 e 16 anos, apresentavam padrão respiratório nasal, sem qualquer tipo de obstrução. Não foi observada variação estatisticamente significante nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo, quando comparados os três tipos faciais. Também não foi encontrada correlação entre os tamanhos dos espaços aéreos e os valores do índice VERT de Ricketts dos pacientes e não foi observado dimorfismo sexual. XII

AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TIPO FACIAL NOS TAMANHOS DOS ESPAÇOS AÉREOS NASO E BUCOFARÍNGE

A variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo ocorre devido a fatores genéticos e/ou ambientais. A diminuição no tamanho do espaço aéreo nasofaríngeo, causada pela hipertrofia da tonsila faríngea, tem sido associada a alterações no padrão normal de crescimento craniofacial e a efeitos deletérios na oclusão. O objetivo do presente trabalho é avaliar se há variação nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, assim como avaliar a correlação entre os tamanhos dos espaços e o índice VERT, além de verificar um possível dimorfismo sexual. Na mensuração dos espaços, utilizou-se telerradiografias laterais de 90 pacientes, divididos em três grupos de acordo com o padrão de crescimento craniofacial, determinado por meio do índice VERT de Ricketts. Os pacientes da amostra, com idades entre 9 e 16 anos, apresentavam padrão respiratório nasal, sem qualquer tipo de obstrução. Não foi observada variação estatisticamente significante nos tamanhos dos espaços aéreos naso e bucofaríngeo, quando comparados os três tipos faciais. Também não foi encontrada correlação entre os tamanhos dos espaços aéreos e os valores do índice VERT de Ricketts dos pacientes e não foi observado dimorfismo sexual. XII

Estudo cefalométrico-radiográfico individualizado do posicionamento da maxila em indivíduos com oclusão normal

O posicionamento da maxila no esqueleto craniofacial tem sido motivo de investigação por diversos autores ao longo do tempo. Traduzindo suas idéias por meio de medidas lineares ou angulares, tais autores definiram o que consideraram como a posição ideal , normal , ou aceitável da maxila, relacionando-a, na maioria das vezes, com a base do crânio. A partir da avaliação de indivíduos com oclusão considerada normal e com bom equilíbrio facial, eram calculados valores médios e desvios-padrão de determinadas medidas, os quais eram tomados como parâmetros para avaliações cefalométricas de pacientes distintos. Diante das divergências de opiniões encontradas na literatura, a proposta do presente estudo foi avaliar o posicionamento da maxila nos sentidos vertical, ântero-posterior e a sua inclinação, numa amostra de 94 indivíduos com oclusão normal. Foram determinadas correlações entre medidas do próprio indivíduo: OPI-N com OPI-ENA e N-ENA com ENA-ENP. A partir dos fortes índices de correlação encontrados, concluiu-se que a medida OPI-N pode ser tomada como referência para determinação de OPI-ENA, da mesma forma que ENA-ENP pode ser considerada para determinação de N-ENA, definindo respectivamente a posição da maxila nos sentidos sagital e vertical. A inclinação da maxila, representada aqui pelo ângulo OPI.ENA.ENP, teve valor médio estatisticamente próximo a 0o (zero), indicando forte tendência do prolongamento posterior do plano palatino (ENA-ENP) tangenciar a base posterior do crânio (ponto OPI), o que se revela uma importante característica de indivíduos com oclusão normal.

Estudo cefalométrico-radiográfico individualizado do posicionamento da maxila em indivíduos com oclusão normal

O posicionamento da maxila no esqueleto craniofacial tem sido motivo de investigação por diversos autores ao longo do tempo. Traduzindo suas idéias por meio de medidas lineares ou angulares, tais autores definiram o que consideraram como a posição ideal , normal , ou aceitável da maxila, relacionando-a, na maioria das vezes, com a base do crânio. A partir da avaliação de indivíduos com oclusão considerada normal e com bom equilíbrio facial, eram calculados valores médios e desvios-padrão de determinadas medidas, os quais eram tomados como parâmetros para avaliações cefalométricas de pacientes distintos. Diante das divergências de opiniões encontradas na literatura, a proposta do presente estudo foi avaliar o posicionamento da maxila nos sentidos vertical, ântero-posterior e a sua inclinação, numa amostra de 94 indivíduos com oclusão normal. Foram determinadas correlações entre medidas do próprio indivíduo: OPI-N com OPI-ENA e N-ENA com ENA-ENP. A partir dos fortes índices de correlação encontrados, concluiu-se que a medida OPI-N pode ser tomada como referência para determinação de OPI-ENA, da mesma forma que ENA-ENP pode ser considerada para determinação de N-ENA, definindo respectivamente a posição da maxila nos sentidos sagital e vertical. A inclinação da maxila, representada aqui pelo ângulo OPI.ENA.ENP, teve valor médio estatisticamente próximo a 0o (zero), indicando forte tendência do prolongamento posterior do plano palatino (ENA-ENP) tangenciar a base posterior do crânio (ponto OPI), o que se revela uma importante característica de indivíduos com oclusão normal.

Gestational exposure to ethanol suppresses msx2 expression in developing mouse embryos

Ethanol acts as a teratogen in developing fetuses causing abnormalities of the brain, heart, craniofacial bones, and limb skeletal elements. To assess whether some teratogenic actions of ethanol might occur via dysregulation of msx2 expression, we examined msx2 expression in developing mouse embryos exposed to ethanol on embryonic day (E) 8 of gestation and subjected to whole mount in situ hybridization on E11–11.5 using a riboprobe for mouse msx2. Control mice exhibited expression of msx2 in developing brain, the developing limb buds and apical ectodermal ridge, the lateral and nasal processes, olfactory pit, palatal shelf of the maxilla, the eye, the lens of the eye, otic vesicle, prevertebral bodies (notochord), and endocardial cushion. Embryos exposed to ethanol in utero were significantly smaller than their normal counterparts and did not exhibit expression of msx2 in any structures. Similarly, msx2 expression, as determined by reverse transcription–PCR and Northern blot hybridization, was reduced ≈40–50% in fetal mouse calvarial osteoblastic cells exposed to 1% ethanol for 48 hr while alkaline phosphatase was increased by 2-fold and bone morphogenetic protein showed essentially no change. Transcriptional activity of the msx2 promoter was specifically suppressed by alcohol in MC3T3-E1 osteoblasts. Taken together, these data demonstrate that fetal alcohol exposure decreases msx2 expression, a known regulator of osteoblast and myoblast differentiation, and suggest that one of the “putative” mechanisms for fetal alcohol syndrome is the inhibition of msx2 expression during key developmental periods leading to developmental retardation, altered craniofacial morphogenesis, and cardiac defects.

Isolated cleft palate in mice with a targeted mutation of the LIM homeobox gene Lhx8

Formation of the mammalian secondary palate is a highly regulated and complex process whose impairment often results in cleft palate, a common birth defect in both humans and animals. Loss-of-function analysis has linked a growing number of genes to this process. Here we report that Lhx8, a recently identified LIM homeobox gene, is expressed in the mesenchyme of the mouse palatal structures throughout their development. To test the function of Lhx8 in vivo, we generated a mutant mouse with a targeted deletion of the Lhx8 gene. Our analysis of the mutant animals revealed a crucial role for Lhx8 in palatogenesis. In Lhx8 homozygous mutant embryos, the bilateral primordial palatal shelves formed and elevated normally, but they often failed to make contact and to fuse properly, resulting in a cleft secondary palate. Because development of other craniofacial structures appeared normal, the impaired palatal formation in Lhx8-mutant mice was most likely caused by an intrinsic primary defect in the mesenchyme of the palatal shelves. The cleft palate phenotype observed in Lhx8-mutant mice suggests that Lhx8 is a candidate gene for the isolated nonsyndromic form of cleft palate in humans.

AP-2-null cells disrupt morphogenesis of the eye, face, and limbs in chimeric mice

The homozygous disruption of the mouse AP-2 gene yields a complex and lethal phenotype that results from defective development of the neural tube, head, and body wall. The severe and pleiotropic developmental abnormalities observed in the knockout mouse suggested that AP-2 may regulate several morphogenic pathways. To uncouple the individual developmental mechanisms that are dependent on AP-2, we have now analyzed chimeric mice composed of both wild-type and AP-2-null cells. The phenotypes obtained from these chimeras indicate that there is an independent requirement for AP-2 in the formation of the neural tube, body wall, and craniofacial skeleton. In addition, these studies reveal that AP-2 exerts a major influence on eye formation, which is a critical new role for AP-2 that was masked previously in the knockout mice. Furthermore, we also have uncovered an unexpected influence of AP-2 on limb pattern formation; this influence is typified by major limb duplications. The range of phenotypes observed in the chimeras displays a significant overlap with those caused by teratogenic levels of retinoic acid, strongly suggesting that AP-2 is an important component of the mechanism of action of this morphogen.

Requirement for the lpA1 lysophosphatidic acid receptor gene in normal suckling behavior

Although extracellular application of lysophosphatidic acid (LPA) has been extensively documented to produce a variety of cellular responses through a family of specific G protein-coupled receptors, the in vivo organismal role of LPA signaling remains largely unknown. The first identified LPA receptor gene, lpA1/vzg-1/edg-2, was previously shown to have remarkably enriched embryonic expression in the cerebral cortex and dorsal olfactory bulb and postnatal expression in myelinating glia including Schwann cells. Here, we show that targeted deletion of lpA1 results in approximately 50% neonatal lethality, impaired suckling in neonatal pups, and loss of LPA responsivity in embryonic cerebral cortical neuroblasts with survivors showing reduced size, craniofacial dysmorphism, and increased apoptosis in sciatic nerve Schwann cells. The suckling defect was responsible for the death among lpA1(−/−) neonates and the stunted growth of survivors. Impaired suckling behavior was attributable to defective olfaction, which is likely related to developmental abnormalities in olfactory bulb and/or cerebral cortex. Our results provide evidence that endogenous lysophospholipid signaling requires an lp receptor gene and indicate that LPA signaling through the LPA1 receptor is required for normal development of an inborn, neonatal behavior.

Differentiation of embryonic mesenchymal cells to odontoblast-like cells by overexpression of dentin matrix protein 1

Cells of the craniofacial skeleton are derived from a common mesenchymal progenitor. The regulatory factors that control their differentiation into various cell lineages are unknown. To investigate the biological function of dentin matrix protein 1 (DMP1), an extracellular matrix gene involved in calcified tissue formation, stable transgenic cell lines and adenovirally infected cells overexpressing DMP1 were generated. The findings in this paper demonstrate that overexpression of DMP1 in pluripotent and mesenchyme-derived cells such as C3H10T1/2, MC3T3-E1, and RPC-C2A can induce these cells to differentiate and form functional odontoblast-like cells. Functional differentiation of odontoblasts requires unique sets of genes being turned on and off in a growth- and differentiation-specific manner. The genes studied include transcription factors like core binding factor 1 (Cbfa1), bone morphogenetic protein 2 (BMP2), and BMP4; early markers for extracellular matrix deposition like alkaline phosphatase (ALP), osteopontin, osteonectin, and osteocalcin; and late markers like DMP2 and dentin sialoprotein (DSP) that are expressed by terminally differentiated odontoblasts and are responsible for the formation of tissue-specific dentin matrix. However, this differentiation pathway was limited to mesenchyme-derived cells only. Other cell lines tested by the adenoviral expression system failed to express odontoblast-phenotypic specific genes. An in vitro mineralized nodule formation assay demonstrated that overexpressed cells could differentiate and form a mineralized matrix. Furthermore, we also demonstrate that phosphorylation of Cbfa1 (osteoblast-specific transcription factor) was not required for the expression of odontoblast-specific genes, indicating the involvement of other unidentified odontoblast-specific transcription factors or coactivators. Cell lines that differentiate into odontoblast-like cells are useful tools for studying the mechanism involved in the terminal differentiation process of these postmitotic cells.

Haploinsufficiency of Sox9 results in defective cartilage primordia and premature skeletal mineralization

In humans, SOX9 heterozygous mutations cause the severe skeletal dysmorphology syndrome campomelic dysplasia. Except for clinical descriptions, little is known about the pathogenesis of this disease. We have generated heterozygous Sox9 mutant mice that phenocopy most of the skeletal abnormalities of this syndrome. The Sox9+/− mice died perinatally with cleft palate, as well as hypoplasia and bending of many skeletal structures derived from cartilage precursors. In embryonic day (E)14.5 heterozygous embryos, bending of radius, ulna, and tibia cartilages was already prominent. In E12.5 heterozygotes, all skeletal elements visualized by using Alcian blue were smaller. In addition, the overall levels of Col2a1 RNA at E10.5 and E12.5 were lower than in wild-type embryos. We propose that the skeletal abnormalities observed at later embryonic stages were caused by delayed or defective precartilaginous condensations. Furthermore, in E18.5 embryos and in newborn heterozygotes, premature mineralization occurred in many bones, including vertebrae and some craniofacial bones. Because Sox9 is not expressed in the mineralized portion of the growth plate, this premature mineralization is very likely the consequence of allele insufficiency existing in cells of the growth plate that express Sox9. Because the hypertrophic zone of the heterozygous Sox9 mutants was larger than that of wild-type mice, we propose that Sox9 also has a role in regulating the transition to hypertrophic chondrocytes in the growth plate. Despite the severe hypoplasia of cartilages, the overall organization and cellular composition of the growth plate were otherwise normal. Our results suggest the hypothesis that two critical steps of the chondrocyte differentiation pathway are sensitive to Sox9 dosage. First, an early step presumably at the stage of mesenchymal condensation of cartilage primordia, and second, a later step preceding the transition of chondrocytes into hypertrophic chondrocytes.

Endogenous Msx1 antisense transcript: In vivo and in vitro evidences, structure, and potential involvement in skeleton development in mammals

Msx1 is a key factor for the development of tooth and craniofacial skeleton and has been proposed to play a pivotal role in terminal cell differentiation. In this paper, we demonstrated the presence of an endogenous Msx1 antisense RNA (Msx1-AS RNA) in mice, rats, and humans. In situ analysis revealed that this RNA is expressed only in differentiated dental and bone cells with an inverse correlation with Msx1 protein. These in vivo data and overexpression of Msx1 sense and AS RNA in an odontoblastic cell line (MO6-G3) showed that the balance between the levels of the two Msx1 RNAs is related to the expression of Msx1 protein. To analyze the impact of this balance in the Msx-Dlx homeoprotein pathway, we analyzed the effect of Msx1, Msx2, and Dlx5 overexpression on proteins involved in skeletal differentiation. We showed that the Msx1-AS RNA is involved in crosstalk between the Msx-Dlx pathways because its expression was abolished by Dlx5. Msx1 was shown to down-regulate a master gene of skeletal cells differentiation, Cbfa1. All these data strongly suggest that the ratio between Msx1 sense and antisense RNAs is a very important factor in the control of skeletal terminal differentiation. Finally, the initiation site for Msx1-AS RNA transcription was located by primer extension in both mouse and human in an identical region, including a consensus TATA box, suggesting an evolutionary conservation of the AS RNA-mediated regulation of Msx1 gene expression.

Serotonin regulates mouse cranial neural crest migration.

Serotonergic agents (uptake inhibitors, receptor ligands) cause significant craniofacial malformations in cultured mouse embryos suggesting that 5-hydroxytryptamine (serotonin) (5-HT) may be an important regulator of craniofacial development. To determine whether serotonergic regulation of cell migration might underly some of these effects, cranial neural crest (NC) explants from embryonic day 9 (E9) (plug day = E1) mouse embryos or dissociated mandibular mesenchyme cells (derived from NC) from E12 embryos were placed in a modified Boyden chamber to measure effects of serotonergic agents on cell migration. A dose-dependent effect of 5-HT on the migration of highly motile cranial NC cells was demonstrated, such that low concentrations of 5-HT stimulated migration, whereas this effect was progressively lost as the dose of 5-HT was increased. In contrast, most concentrations of 5-HT inhibited migration of less motile, mandibular mesenchyme cells. To investigate the possible involvement of specific 5-HT receptors in the stimulation of NC migration, several 5-HT subtype-selective antagonists were used to block the effects of the most stimulatory dose of 5-HT (0.01 microM). Only NAN-190 (a 5-HT1A antagonist) inhibited the effect of 5-HT, suggesting involvement of this receptor. Further evidence was obtained by using immunohistochemistry with 5-HT receptor antibodies, which revealed expression of the 5-HT1A receptor but not other subtypes by migrating NC cells in both embryos and cranial NC explants. These results suggest that by activating appropriate receptors 5-HT may regulate migration of cranial NC cells and their mesenchymal derivatives in the mouse embryo.