Genetic analysis of non-syndromic familial multiple supernumerary premolars

Abstract

Supernumerary teeth refer to extra teeth that exceed the normal number in dentition. The incidence of supernumerary teeth is about 3%. Among them, single supernumerary tooth accounts for 76-86% of cases, double supernumerary teeth comprise 12-23%, and three or more supernumerary teeth represent less than 1%. In most cases, multiple supernumerary teeth are associated with other syndromes or developmental disorders. Multiple supernumerary teeth without any associated syndromes or conditions, are very rare and named non-syndromic multiple supernumerary teeth. Most reported cases related to non-syndromic familial multiple supernumerary teeth are related to a mesiodens, and genetic analysis has never been performed on non-syndromic premolar patients. Although incidence of supernumerary premolar is as low as 0.075~0.26%, several members in a family showed supernumerary premolars. For this reason, genetic etiology was expected, and genetic analyses of family members were planned to identify the causative genes of these multiple supernumerary teeth. 59 genes associated with tooth number abnormality were found by literature review. Genes having similar characteristics to the seed gene set known to affect abnormal tooth number were sorted out, in order to find more genes associated with tooth number abnormality. Using 10 characteristics, 101 candidate genes were selected. Genomic DNA from saliva was extracted using Oragene DNA kits. For targeted sequencing, DNA fragments were enriched by solution-based hybridization capture and followed by sequencing with an Illumina Hiseq2500 platform. Targeted exome sequence data of the two subjects affected (I-3 and II-1) showed several shared variants. A frequency cutoff was set considering the incidence of supernumerary premolars. The variants, which appeared more than the frequency cutoff, were excluded from candidate genes, and PDGFRB, MSX2, and FGFR2 were considered candidates. As a result of Sanger sequencing, the PDGFRB mutation was considered as the most likely cause of the supernumerary teeth. PDGF ligands and their receptors are expressed throughout the initial stages of tooth development, while its precise role in tooth development remains unclear. PDGFRB proteins are mainly expressed in the dental mesenchyme during initial tooth development and PDGF-BB signaling is important for dental mesenchymal cell proliferation. Excessive mesenchymal expression by PDGFRB mutation is a possible cause of supernumerary tooth formation, because PDGF-BB serves as a mitogen for dental follicles. This is the first report of the association between supernumerary premolars and PDGFRB mutations. Further molecular studies are required to clarify the causative genes of non-syndromic supernumerary premolars, and this study can be the cornerstone to understand full pathologies on non-syndromic supernumerary teeth.

과잉치는 정상적인 치아 수보다 많은 수의 치아를 이르는 용어이며 발생률은 약 3% 정도로 그 중에서 76-86%는 단일 과잉치, 12-23%는 두 개의 과잉치, 3개 이상의 과잉치가 나타날 확률은 1%이하로 보고되고 있다. 대부분의 경우 다수 과잉치는 전신 질환 또는 증후군과 관련되어 나타난다. 전신적인 요소나 증후군 없이 다수 과잉치가 발생하는 경우는 매우 드물며 비증후군성 다수 과잉치라는 용어로 명명한다. 현재까지 이루어진 가족에서 발생한 다수 과잉치에 대한 연구는 정중과잉치에 대한 연구가 대부분이며, 특히 비증후군성 소구치 과잉치에 대한 유전학적 연구는 시행된 적이 없다. 소구치 과잉치의 발생률은 0.075~0.26%로 매우 적음에도 불구하고 한 가족에서 여러 명의 구성원에게 소구치 과잉치가 발생하였기에 과잉치의 원인 유전자와 치아 수의 이상을 야기하는 분자생물학적인 역학을 밝히는데 도움이 될 것이라고 생각하여 가족 구성원들에 대한 유전학적 분석을 시행하였다. 문헌 검색을 통해 과잉치와 연관이 있다고 언급이 된 59개의 seed 유전자를 찾았다. 아직 연구를 통해 밝혀지진 않았지만 치아 수 이상과 관련이 있을 수 있는 유전자를 찾기 위해 앞서 찾은 seed 유전자들과 기능, biological pathway, sequence, 혹은 domain 등을 공유하거나 발현 양상이 유사한 101개의 후보 유전자를 선별하였다. 오라진 DNA kits를 사용해서 피험자들의 타액을 채취하고 DNA를 추출하였다. 타액에서 추출한 DNA를 PCR로 증폭한 후 Illumina HiSeq2500 platforms을 이용하여 sequencing을 시행하였다. 먼저 과잉치가 나타난 2명에서 Targeted exome sequencing을 시행한 결과 10가지 공통된 변이를 보였고 소구치 과잉치의 발생률 0.075~0.26%를 고려하여 그 이상의 빈도수를 보이는 변이들은 후보 유전자에서 제외하였다. 최종적으로 PDGFRB, MSX2, FGFR2 3가지 gene을 후보로 고려하여, Sanger sequencing을 시행하였고 PDGFRB의 이형접합형 돌연변이를 확인하였다. 치아 발생에서 PDGFRB의 명확한 역할은 밝혀지지 않았지만 PDGF ligand와 receptor가 치아발생의 초기 단계에 발현된다는 사실은 확인되었다. PDGFRB 단백질은 주로 치아 발생 초기단계의 치아 중배엽에서 발현되고 PDGF-BB signaling은 치아 중배엽 증식에 중요한 역할을 한다. PDGF-BB는 치배에 대해 mitogen으로 작용하기 때문에 PDGFRB 변이에 의한 중배엽의 과도한 발현이 과잉치를 발생시키는 원인으로 작용할 것이라고 생각할 수 있다. 본 논문은 비증후군성 다수 과잉치를 가진 한국인 가족에 대한 첫 번째 유전학적 분석으로서 PDGFRB 돌연변이와 소구치 부위 과잉치와의 관련성에 대해 보여주었다. 명확한 원인유전자를 밝히기 위해서는 좀 더 연구가 필요하겠지만 본 연구는 비증후군성 다수과잉치의 발생을 이해하는 기초가 될 수 있을 것이다.