ERK pathway in tooth development

Abstract

[한글]

치아의 발생은 치아상피와 치아간엽조직의 상호작용에 의해 조절된다. 이 상호작용에는 상피와 간엽에 존재하는 많은 유전자들이 관여함으로써, 특정한 형태와 크기를 가지는 치아를 형성하게 된다. 본 연구에서 연구한 ERK pathway는 세포의 분화, 생장, 사멸에 중요한 역할을 한다고 널리 알려져 있다. 하지만 특정 조직에서 ERK pathway를 연구한 사례는 극히 드물며, 특히 구강이나 치아 발생에 있어서는 보고된 바가 전혀 없다. 때문에 ERK pathway의 치아발생에서의 기능구명을 위한 총체적인 연구가 요구되어 지며 또한 이러한 기전을 형태학적인 측면과 분자생물학적인 측면으로 동시에 접근 할 수 있는 체계적인 연구방법이 요구되어진다. 따라서 본 연구는 세포 분화와 증식에 중요한 역할을 하는 ERK가 발생중인 치배의 간엽조직에서 발현되는 FGF10과 연관되어 치아 발생에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 본 연구에서는 E13.5에서 E16.5사이의 생쥐 배아를 이용하여 실험하였으며, MAPK pathway protein인 ERK, MEK, PTEN, PI3K를 시기별, 기관별로 immunohistochemistry 기법을 이용하여 그 활성 위치를 확인하였다. 이 결과를 통해 ERK와 PTEN이 치아 발생과정 중 치아 상피에 특이적으로 활성화된다는 것을 확인할 수 있었다. 치아 ERK와 FGF10의 치아 발생에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였으며 ERK pathway를 저해하는 물질인 U0126과 P98059를 처리하여 치배를 배양한 후 쥐의 신장에 이식한 후 2주 뒤에 형성된 치아의 형태를 분석하였다. U0126을 처리한 경우 치배의 발생이 대조군에 비해 현저히 느려진 것을 확인하였지만 흥미롭게도 FGF10을 같이 처리했을 경우 치배의 발생이 대조군과 거의 비슷하게 복원된 것을 확인 할 수 있었다. ERK pathway 저해제를 처리 한 후 누드 마우스의 콩팥 피막아래공간에 치배를 이식하여 2 주 뒤에 석회화된 치아를 얻을 수 있다. 이렇게 석회화된 치아의 형태를 관찰한 결과 U0126과 P98059를 처리했던 치배에서 자란 치아는 치아의 모양이 비정상적이고 그 크기가 대조군에 비해 매우 작았다. 하지만 FGF10을 같이 처리 후 이식한 치아는 치아의 크기는 작지만 그 모양은 대조군과 같은 모습을 보였다. 대조군과 ERK pathway 저해제를 처리한 치아 모두 치아의 구조는 정상적이었다. 본 연구를 통해 ERK, PTEN, MEK, PI3K의 활성 위치를 치아 발생 단계별로 확인할 수 있었다. 또한 ERK는 치아 발생 중 치아 상피의 증식에 관여하며 이 과정 중 FGF10과 밀접한 관련이 있을 것으로 사료된다.

[영문]

One of the most important pathways for cell proliferation is mitogen-activated protein kinases (MAP kinases), also called ERKs (extracellular signal-regulated kinases) pathway1. MEK/ERK signaling plays a crucial role in a diverse set of cellular functions including cell proliferation2, 3. It has been reported that Ras is a common upstream activator of the Raf/MEK/ERK and PI3K/Akt signaling pathways4. Furthermore PTEN mutation may contribute to suppression of the Raf/MEK/ERK cascade due to the ability of elevated activated Akt levels to phosphorylate and inactivate Raf-15. ERK has been reported that, which targets multiple downstream genes, evokes many downstream responses such as the gene transcription, translation and cytoskeletal rearrangement6, 7, while upstream gene of the ERK is MEK predominantly. The PTEN is the central negative regulator of the PI3K signal transduction cascade5. Cell promotes growth via balance of cell survival over cell death signals and this pathway is also important in organogenesis8. While many developmental signaling pathways are described to date, the signaling pathways which regulate craniofacial development are not well understood.In this study, we investigated the MEK/ERK and PI3K/PTEN signaling pathways in mouse oral development. Towards this end, we used immunohistochemistry to examine the localization patterns of the phospholyated forms of MEK (pMEK), ERK (pERK), and PTEN (pPTEN). We report pERK, pMEK, pPTEN, and PI3K differ in their spatial distribution and their activation level from E11.5 to E16.5. In addition, we found the different localization patterns of pERK, pMEK, pPTEN, and PI3Kin the developing craniofacial area. We identified novel pERK and pPTEN activation patterns in the tooth germ and tongue. Interestingly, during tooth development at the bell stage, pERK was activated in the inner dental epithelium and cervical loop, whereas pPTEN was activated in the outer dental epithelium. We showed that pERK and pPTEN have contrasting localization in the tongue epithelium and PI3K was robustly activated in the inner dental epithelium and cervical loop.We also identified the roles of the Ras/Raf/MEK/ERK and PI3K/PTEN/Akt signaling pathways in the tooth development, we investigated the location of the pERK via FGF signaling in the tooth. We applied comparative immunohistochemistry to p-ERK and its related signaling compounds such as pMEK and pPTEN to investigate tooth development. The activation patterns of these substances also differ strikingly in the developing tooth development. The U0126 was retarded tooth development via decreased pERK activation level. However, U0126 and FGF10 combination treated tooth germs had no differences from control. Moreover, ERK pathway regulated tooth development via FGF10 which was reported that FGF10 stimulates proliferation in dental epithelium. These results reveal that current study of ERK, MEK, and PTEN exhibited specific spatial and temporal localization patterns inmouse molar development. Subsequently, these findings have suggested studying the potential roles of ERK pathway in tooth development via FGF signaling.