Genexpression während der Zahnentwicklung der Maus (Mus musculus)

Gene expression in the tooth development of mice (Mus musculus) The development of teeth and jaw bones are lead by mechanisms that determine cells to become, teeth, bones or cartilages. The ectomesenchymal cells of the lower jaw receives signals from overlying epithelium to differentiate into odontoblasts, osteoblasts and chondrocytes. Cells from the neural crest are influenced by ectodermal signals. An early signal (Fgf8) comes from the oral epithelium and induces the development of the lower jaw. Molar morphogenesis in the maxillary starts from the mesenchyme, influenced by genes like Barx1, Dlx2 and Dlx2. At the same time the absence of genes like Msx1 and genes from the Alx-family is necessary for a normal development (McCollum and Sharpe, 2001). The expression of Msx1 and Alx-genes causes the development of incisors. Mice with null mutation of Dlx1 and Dlx2 fail to develop maxillary molars. Also additional abnormalities appear in the upper jaw. All other teeth are regularly developed (Qiu et al., 1997; Thomas et al., 1997). Dlx5 and Dlx6 are believed to be involved in the development of the lower molar teeth. Ectopic expression of Barx1 in the distal mandibular mesenchym, accompanied by loss of Msx1, results in a transformation of incisors into molars (Tucker et al., 1998). Msx1 mutant mice have defects in the distal jaw skeletal tissue. In conclusion, genes that determine the expression of molar teeth also control the development of the proximal jaw and genes that regulate incisor morphogenesis also regulate distal jaw development (McCollum and Sharpe, 2001). Generation of canine and premolar teeth is caused by overlapping domains of homeobox genes like Msx1, Dlx1 and Dlx2. In mice, the development of teeth in the maxilla seems to be different compared to the mandibula. Activin ßA null mutant mice shows no incisor and molar teeth in the lower jaw. Growth of teeth stops at bud stage in the mandibula while tooth development in the upper jaw in unaffected (Matzuk et al., 1995b). Most of the basic genetic mechanisms during the development of the teeth in the upper and lower jaw are identical. Only some of them lead into a different developmental pattern. This could be due to the different origin of mesenchymal cells (McCollum and Sharpe, 2001). The lower jaw is formed by ectomesenchymal cells originating from the neural crest from the cranial rostral hindbrain and the caudal middlebrain while neural crest cells from the caudal forebrain and middlebrain contribute to the fronto-nasal region (Osumi-Yamashita et al., 1994).Die Entwicklung von Zähnen und Kieferknochen wird durch Mechanismen geleitet, die bestimmen, welche ektomesenchymalen Zellen (die sich von der Neuralleiste ableiten) nun Zähne und welche Zellen Knochen und Knorpel werden. Das ektomesenchymale Gewebe des Unterkiefers erhält seine Signale zur Differenzierung der Zellen in Odontoblasten (Dentin), Osteoblasten (Knochen) und Chondrozyten (Knorpel) vom darüberliegenden Epithel. Die Zellen der cranialen Neuralleiste differenzieren sich unter dem Einfluss ektodermaler Signale. Ein frühes Signal (Fgf8) der Zahnentwicklung geht vom Mundhöhlenepithel aus und sorgt für die Ausbildung des Unterkieferknochens. Die Entstehung von molaren Zähnen geht vom Mesenchym aus, das z.B. von Genen wie Barx1, Dlx1 und Dlx2 beeinflusst wird. Gleichzeitig ist es notwendig, dass Gene wie Msx1 und Alx-Gene nicht exprimiert werden (McCollum and Sharpe, 2001). Diese Gene (Msx1 und die Alx-Familie) führen zur Ausbildung von Schneidezähnen. Bei Dlx1/Dlx2-Doppel-Knockout-Mäusen fehlen die Molaren im Oberkiefer. Alle anderen Zähne entwickeln sich normal (Qiu et al., 1997; Thomas et al., 1997). Jedoch kommt es zusätzlich zu Fehlbildungen im Knochengewebe des Oberkiefers. Die Entwicklung der Molaren im Unterkiefer sowie die Ausbildung des Unterkieferknochens wird mit der Expression der Gene Dlx5 und Dlx6 in Zusammenhang gebracht. Eine ektopische Expression von Barx1 im distalen Unterkiefermesenchym, bei gleichzeitiger Abwesenheit von Msx1, führt zur Ausbildung von Schneidezähnen an Stelle der Molaren (Tucker et al., 1998). Msx1-Knockout-Mäuse weisen Missbildungen des Knochengewebes im Unterkiefer auf. Allgemein gilt, dass Gene, die die Ausbildung von Molaren regulieren, auch für die Ausprägung des knöchernen proximalen Kiefers sorgen, wohingegen die Gene der Schneidezähne für die Ausprägung des distalen Kiefers zuständig sind (McCollum und Sharpe, 2001). Für die Ausbildung von Eckzähnen und Prämolaren sind vermutlich überlappende Domänen der Homöobox-Gene (z.B. Msx1, Dlx1 und Dlx2) verantwortlich. Die Entwicklung der Zähne im Oberkiefer von Mäusen erfolgt auf einem anderen genetischen Weg als die Entwicklung der Zähne im Unterkiefer. Die Generierung einer Activin ßA-Knockout-Maus zeigte, dass im Unterkiefer dieser Tiere keine Schneidezähne und Molaren ausgebildet werden. Ihre Entwicklung wird im Knospenstadium gehemmt. Die Ausprägung der Zähne im Oberkiefer vollzieht sich hierbei uneingeschränkt (Matzuk et al., 1995b). Viele der genetischen Mechanismen bei der Entstehung der Zähne im Ober- und Unterkiefer sind identisch. Einige jedoch führen zu einer abweichenden Morphogenese (McCollum und Sharpe, 2001). Die Ursache hierfür könnte im unterschiedlichen Ursprung der Mesenchymzellen begründet sein. Die Zellen der cranialen Neuralleiste , die die Unterkieferregion formen, stammen vom rostralen Hinterhirn und vom caudalen Mittelhirn, während Zellen, die die fronto-nasale Region bilden, vom caudalen Vorderhirn und Mittelhirn abstammen (Osumi-Yamashita et al., 1994)