Tinkering with cusp patterning : Developmental Genetic Mechanisms in Mouse Molar Development

Teeth display considerable morphological variability, which mammals have been able to use to their advantage. Consequently, mammal teeth provide a bountiful research subject that combines information on development, functional proper-ties, and thanks to their durable substance, evolutionary history. This thesis work is focused on the patterning of cusps, the peaks that form the shape of the tooth crown, in the mouse. Mouse tooth development has been studied extensively and offers a wide variety of established methods, including culture of embryonic teeth, which allows their observation and manipulation, and the mapping of gene expression patterns and protein distributions on histological sections. It has been established that teeth develop through a series of inductive interactions between the epithelium and the mesenchyme. The interactions are mediated by signalling molecules mostly belonging to the Wnt, Bmp, Fgf, and Shh families and are used similarly in the development of other organs. The growth of a tooth is controlled by epithelial signalling centres called enamel knots, each of which gives rise to a cusp. The patterning of enamel knots, and thus of cusps, can be modelled with reaction-diffusion dynamics, which suggests the patterning to be robust against interference yet capable of propagating change. As a semi-independent developmental module, teeth can vary without affecting the rest of the organism, an assumed prerequisite for evolvability. However, the use of tooth development in evolutionary studies has been hampered by a lack of mutations and manipulations causing small-scale variation. We have explored the dynamics of cusp patterning by studying mouse mutants with altered cusp patterns and by producing cusp pattern variation in cultured molars. In addition to taking advantage of established methods, we have shown Shhwt/GFPcre reporter molars to allow real-time observation of cusp patterning in culture, derived quantified data from developing molars, and imaged their three-dimensional structure at cellular resolution with X-ray scanning. Our results indicate that cusp patterning is controlled by feedback inhibition of enamel knot differentiation, and we identify Bmp, Activin, Eda, and Fgf20 as activators, and ectodin and Shh as inhibitors of differentiation. Each of these has slightly different functions and the correct regulation of all of these is required for normal cusp patterning. Bmp and ectodin, and Eda and Shh, seem to form feedback loops providing developmental stability. The manipulation of Eda signalling provided an opportunity to quantify development, revealing that variation increased in a linear fashion the further one deviated from the wild type level of signalling. Our results support the use of reaction-diffusion dynamics in modelling cusp patterning, but they also show that growth dynamics play an equally important role. Consequently, the evolution of crown shape can be followed cusp by cusp, and the developmental order of enamel knot induction closely corresponds to the evolutionary order of cusp appearance. Thus the mechanisms of molar development can be assumed to restrict, or channel, variation available to selection. In agreement with this, most of the molar features we generated have counterparts in extinct or extant rodent species. A general trend in evolution, evident also in molars, has been an increase in complexity. In the absence of experimental ways to repeat this phenomenon, its dynamics have remained elusive. In tuning Eda, Activin, and Shh signalling we found that an increase in cusp number correlated with the number of signalling pathways tuned simultaneously. Though intuitively obvious, the result had not previously been reported. Should an increase in complexity require multiple simultaneous changes in development as a rule, the overwhelming majority of reports on decreasing complexity, typically studying the effects of a single change at a time, would be explained. In conclusion, our results provide new information on the developmental genetic mechanisms of cusp patterning, how they provide developmental stability, and what kind of evolutionary constraints they cause.Hampaiston muuntelevuus on ollut nisäkkäiden keskeinen kilpailuvaltti evoluutiossa. Erityisesti takahampaiden purupinnan nystermien koko, muoto ja kaavoitus vaihtelee suuresti lajien välillä, heijastaen kunkin lajin ruokavaliota. Kovan rakenteensa ansiosta hampaiden purupinnassa tapahtuneita muutoksia voidaan tutkia paitsi nykyisen lajikirjon, myös kattavan fossiiliaineiston avulla. Lisäksi hampaan sikiöaikaista kehitystä on tutkittu pitkään käyttäen koe-eläimenä hiirtä, jonka takahampaat ovat melko samankaltaiset ihmisen takahampaiden kanssa. Käytettävissä on siis paljon taustatietoa ja monta vakiintunutta tutkimusmenetelmää. Tämän vuoksi hampaat tarjoavat tutkimusmallin, jossa voidaan ainutlaatuisella tavalla yhdistää tietoa toiminnallisista ominaisuuksista, evoluutiohistoriasta, ja yksilönkehityksestä. Evoluution yleisimpänä mekanismina pidetään geeniverkostojen säätelyssä tapahtuvia hienovaraisia muutoksia, jotka yksilönkehityksen kautta johtavat ilmiasun muuntumiseen. Olemme tutkineet tätä ilmiötä kokeellisesti muuntogeenisillä hiirillä ja peukaloimalla kudosviljelyolosuhteissa kasvatettavien hiiren takahampaiden kehitystä. Näin olemme säädelleet hampaan kehityksessä normaalisti käytössä olevien viestintäpolkujen aktiivisuutta, nimellisesti Bmp, Ectodin, Ectodysplasin, Activin, Sonic hedgehog, ja Fibroblast growth factor 20 välitteistä viestintää. Kudosviljelyssä kasvatettujen takahampaiden kehitys kvantifioitiin mittaamalla kehitystä kuvaavat suureet päivittäin otetuista valokuvista. Solutason muutokset kohdegeenien ilmenemisessä osoitettiin in situ hybridisaatiolla, solunjakautuminen ja solukuolema puolestaan immunohistokemiallisilla värjäyksillä. Purupinnan kolmiulotteinen muoto visualisoitiin mineralisoitumattomista hampaista röntgen-skannauksella ja mineralisoituneista hampaista laser-konfokaali-skannauksella. Tuloksemme osoittavat, että Bmp, Activin, Ectodysplasin, ja Fgf20 vaikuttavat nystermien indusoitumiseen positiivisesti, kun taas ectodin ja Shh vaikuttavat negatiivisesti. Näistä Bmp ja ectodin, ja Ectodysplasin ja Shh, näyttävät muodostavan kaksi negatiivista takaisinkytkentä-silmukkaa, jotka vakauttavat hampaan kehitystä pieniä häiriöitä vastaan. Ectodysplasin-viestintää pystyttiin säätämään vähitellen, jolloin paljastui, että hampaan muuntelu lisääntyy sitä suuremmaksi, mitä kauemmaksi normaalitasosta Ectodysplasin-viestintä pakotetaan. Täten Ectodysplasin-viestinnän tason muuttuminen on saattanut olla tärkeää hampaan, tai muiden pinta-elinten, kuten kynsien ja hiusten, evoluutiohistoriassa. Lisäksi huomasimme, että ylimääräisten nystermien määrä korreloi peukaloitujen viestintäpolkujen määrän kanssa. Tuloksemme vahvistavat pitkään vallinneen teorian, että rakenteiden monimutkaisuuden lisääminen vaatii useita kehityksellisiä muutoksia, kun taas rakenteiden yksinkertaistaminen näyttäisi olevan helpompaa. Rakenteiden monimutkaisuuden lisääntyminen on ollut vallitseva suuntaus evoluutiossa, joten ilmiön toistaminen kokeellisesti avaa uusia, mielenkiintoisia tutkimusmahdollisuuksia. Yhteenvetona, tutkimuksemme ovat selventäneet miten hampaan kehityksen dynamiikka on puskuroitu tietynlaisia geneettisiä muutoksia kestäväksi, kun taas toisenlaiset muutokset tuottavat suhteettoman suuria seurauksia. Tuloksemme osoittavat, että hampaan kehityksen mekanismit ovat vinouttaneet luonnonvalinnalle tarjolla olevaa muotojen valikoimaa vaikuttaen siten evoluution kulkuun