Comparative gene expression analysis of the coronal pulp and apical pulp complex in human immature teeth

Abstract

This study determined the gene expression profiles of the human coronal pulp (CP) and the apical pulp complex (APC) with the aim of explaining differences in their functions. Total RNA was isolated from the CP and the APC, and gene expression was analyzed using complementary DNA microarray technology. Gene ontology analysis was used to classify the biological function. Quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction and immunohistochemical staining were performed to verify microarray data. In the microarray analysis, expression increases of at least 2-fold were present in 125 genes in the APC and 139 genes in the CP out of a total of 33,297 genes. Gene ontology class processes found more genes related to immune responses, cell growth and maintenance, and cell adhesion in the APC, whereas transport and neurogenesis genes predominated in the CP. Quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction and immuno-histochemical staining confirmed the microarray results, with DMP1, CALB1, and GABRB1 strongly expressed in the CP, whereas SMOC2, SHH, BARX1, CX3CR1, SPP1, COL XII, and LAMC2 were strongly expressed in the APC. The expression levels of genes related to dentin mineralization, neurogenesis, and neurotransmission were higher in the CP in human immature teeth, whereas those of immune-related and tooth development-related genes were higher in the APC.

치수는 치유두에서 기원한, 비광화된 구강 내 조직으로 결합 조직과 혈관, 림프, 그리고 신경 조직으로 구성되서 치아내부의 중심인 치수강을 차지하고 있는 조직이다. 미성숙한 치아에서 치수는 치관부 치수(CP)와 근단부 치수복합체(APC)로 구성되어 있다. 이 중 치관부 치수는 근단부 치수복합체보다 성숙한 상아모세포를 포함한 분화된 조직으로 이는 상아질발생, 광화에 관련하며, 근단부 치수복합체는 치근의 발생에 필수적인 역할을 담당하고 있다. 기존의 동물 연구에서는 치수의 분화와 치근의 발생에 대한 연구를 진행하였으나 사람을 대상으로 하는 치관부 치수와 근단부 치수복합체에 대한 연구는 없었다. 이에 본 연구는 사람의 미성숙 치아의 치관부 치수와 근단부 치수복합체의 유전자 발현의 차이를 비교함으로써 두 조직간의 기능의 차이를 설명하고자 한다. 각각의 분자생물학적 차이를 알아보기 위하여 cDNA분석과 역전사효소 중합효소 연쇄반응분석과 면역화학염색법을 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 치관부 치수와 근단부 치수복합체의 cDNA 미세배열 분석 결과, 스크리닝한 33297개의 유전자 중 치관부 치수에서는 139개의 유전자가, 근단부 치수복합체에서는 125개의 유전자가 2배 이상의 차이로 발현되었다. 2. 치관부 치수에서는 상아질 광화에 관련한 DMP1, CALB1, 신경발생에 관련한 ANO1, ST8SIA1, GLRB, GRIA1, NPY1R, NPY1R, KCNN4, KCNK2, KCNK5 유전자가 높게 발현되었다. 이는 치관부 치수 주위의 상아모세포가 좀 더 분화하였으며 외부 자극에 근단부 복합체보다 민감하게 반응할 수 있음을 의미한다. 3. 근단부 치수복합체에서는 면역반응에 관련한 IGHD, IGHM, IGKC, IGHA1, LYZ, CXCL9, LOC652493, IGK@, CES1, GZMK, FCER1A, C3, CX3CR1, GPR183, CCL5와 치아발생 관련한 SFPR4, SFPR1, SMOC2, SHH, BARX1, 그리고 치주인대로 뻗어있는 치낭조직과 관련한 COL12A1, LAMC2 유전자가 높게 발현되었다. 이는 조직의 발생과 재형성에 있어 근단부 치수복합체의 면역반응이 관련되고 치아발생과정에서 근단부 치수복합체가 중요한 역할을 하고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구 통해 사람의 미성숙 치수의 치관부 치수와 근단부 치수복합체의 차이점를 이해할 수 있었고, 향후 조직공학에 적용할 뿐 아니라 미성숙치아의 치수괴사에 대한 치료 및 재생적 근관 치료술식 등 임상에서 마주치는 문제에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.