The role of Cilk1 in tooth pattern formation via Hedgehog pathway

Abstract

Primary cilium is a solitary organelle that transmits chemical and mechanical stimuli to the cell during development and tissue homeostasis. Cilk1 (Ciliogenesis associated kinase 1), which is a highly conserved serine/threonine-protein kinase, localizes in primary cilia and regulates formation and function of primary cilia. It has been reported that the loss of Cilk1 disrupts the regulation of ciliary transport and Hedgehog signaling during development, and leads to severe ciliopathy phenotypes such as polydactyly, edema, cleft palate with perinatal lethality. However, tooth phenotype in Cilk1-deficient mice has not been reported yet. In the present study, Cilk1-deficient mice showed supernumerary teeth developing in both the maxilla and mandible, where they showed elongated cilia length. Tooth pattern was altered in Cilk1-deficient mice due to reduced Hedgehog signaling activity. The correlation of tooth patterns along the Hedgehog pathway was confirmed by cross mating with PCS1-MRCS1△/△ mice, which is a Shh enhancer deleted mice that exhibit supernumerary teeth. In Cilk1−/−;PCS1-MRCS1△/△mice, supernumerary tooth enlargement and molar fusion were observed. Taken together, Cilk1 regulates the tooth patterning by modulating the Hedgehog signaling activity in developing mice.

일차섬모(primary cilia)는 척추동물에서 외부의 신호를 세포 내부로 전달하는 세포소기관으로서 발생과 조직 항상성 유지에 필수적이다. Cilk1 (Ciliogenesis associated kinase 1) 유전자는 일차섬모에서 섬모 형성 및 기능에 중요한 역할을 하는 유전자이다. Cilk1의 기능이 상실되면 Hedgehog 신호 전달경로에 문제가 발생한다고 보고되었고, Cilk1-결핍 마우스에서 다지증, 감각계 기능 이상, 구개열과 같은 심각한 섬모병증(Ciliopathy)이 발생한다고 알려져 있다. 그러나 치아 형성에서 Cilk1의 역할은 아직 보고된 바 없다. 본 연구에서는 정상 마우스의 치배(tooth germ)에서 Cilk1 유전자의 발현 위치를 확인하였고, Cilk1-결핍 마우스에서 일차섬모의 길이 변화와 치아패턴의 변화를 확인하였다. 실험 결과, Cilk1은 치배의 거의 모든 세포에서 발현되었다. Cilk1-결핍 마우스의 치배에서 일차섬모의 길이가 증가하고, Hedgehog 신호 전달경로의 활성이 감소되면서, Cilk1-결핍 마우스의 상악과 하악 모두에서 과잉치가 형성되었음을 확인하였다. 추가로, 과잉치를 보이는 Shh 인핸서 결손 마우스인 PCS1-MRCS1△/△ 마우스와 Cilk1-결핍 마우스의 교차 교배를 통해 제작된Cilk1−/−;PCS1-MRCS1△/△ 마우스는 상악에서 치아융합을 보였고, 하악에서는 과잉치의 크기 증가를 나타냈다. 이러한 결과를 통해, Cilk1이 치배에서도 Hedgehog 신호전달경로를 조절한다는 것을 확인하였고, Hedgehog 신호전달경로의 활성 정도에 따라 치아패턴이 세밀하게 조절된다는 것을 확인하였다.