Vývojové procesy podílející se na vzniku rozštěpů rtů a patra

Mgr. Marek Hampl, Ph.D.

Doctoral thesis

Developmental processes involved in formation of the cleft lip and palate

Abstract:

Vývoj obličeje je komplexní proces regulovaný řadou signálních drah. Vlivem řady vnějších a vnitřních faktorů může dojít k narušení jednotlivých vývojových fází, což může vést ke vzniku obličejových vad. Mezi nejfrekventovanější vrozené vady obličeje v lidské populaci se řadí rozštěpy rtu a/nebo patra. Odhalení potenciálních etiologických faktorů přispívajících k jejich vzniku je nutným předpokladem, jak jim v budoucnu předcházet. První část disertační práce se zaměřuje na morfologii sekundárního patra u chameleona jemenského. Během vývoje nedochází u tohoto živočišného druhu k jeho úplnému uzavření, což vede ke vzniku fyziologického rozštěpu. K tomuto jevu dochází částečně vlivem nízké proliferace buněk patrových plotének a rovněž na základě měnících se rozměrových parametrů hlavy během vývoje. Snižující se buněčná proliferace v patrových ploténkách je částečně způsobena klesající produkcí proteinového ligandu SHH v dané tkáni. Tato signální dráha zde pravděpodobně hraje roli v medio-laterálním růstu patrových plotének. Rozdíly v růstu a morfologii patrových plotének u chameleona jsou doprovázeny změnami v expresi genů Msx1, Meox2 a Pax9, které se významně uplatňují v rostro-kaudálním modelování patra také u savců. Druhá část práce se soustředí na myší modely prezentující výrazné vývojové vady včetně lokalizace v kraniofaciální oblasti, které jsou způsobeny mutacemi ve dvou různých genech. V případě prvního modelu se jedná o mutaci v genu Cdk13 kódujícím enzym protein kinázu CDK13 regulující transkripci a alternativní sestřih. Fenotypový projev mutace v Cdk13 se u myší liší v závislosti na formě mutace. Mutant nesoucí hypomorfní alelu má méně výrazný fenotyp zahrnující rozštěp patra, kompletní myší knockout má rozsáhlé vady centrální části obličeje včetně rozštěpu rtu a patra. Rovněž u lidí způsobuje mutace tohoto genu četné vývojové vady, včetně kraniofaciálních malformací. Myší model s mutací v genu Tmem107 slouží jako model tří syndromů popsaných u lidí. Jedinci postižení některou z těchto poruch vykazují typický kraniofaciální fenotyp, včetně orofaciálních rozštěpů. TMEM107 protein je součástí tranzitní zóny primárních cílií a jeho působením dochází k adhezi cílie k buňce a k regulaci transportu proteinů do cílie a zpět do buňky. Tmem107-deficientní jedinci vykazují projevy typické i pro jiné ciliopatie jako polydaktylii, vady ledvin, situs inversus a rozštěpy rtu a patra. Závěrem lze shrnout, že disertační práce přináší unikátní informace o kraniofaciálním vývoji chameleona jemenského a představuje tento druh jako nový potenciální model pro další evolučně-vývojově (EVO-DEVO) zaměřené studie. Dále pak naše výsledky charakterizují myší modely deficientní ve dvou klíčových genech pro kraniofaciální vývoj - Cdk13 a Tmem107. Tyto poznatky přispějí k porozumění molekulární podstaty vrozených vývojových poruch vzniklých jejich mutacemi a mohou tak vést k prevenci jejich vzniku u lidí.

Abstract:

Development of the face is a sophisticated process regulated by myriad signalling pathways. Each step of facial development can be affected by various factors, resulting in facial malformations. The most frequent craniofacial defects in humans are cleft lip and cleft palate. Determining new factors that contribute to their development would help clinicians prevent their initiation in a faster and more accurate way. The first part of this thesis focuses on the morphogenesis of the secondary palate in the veiled chameleon, which forms large palatal shelves in contrast to other squamate reptiles; only a small physiological cleft remains in most adult animals. In the veiled chameleon, insufficient growth of palatal shelves towards the midline is caused by decreasing proliferation and overall changes in head dimensions during development. Decreased proliferation was associated with decreased synthesis of sonic hedgehog (Shh) signalling molecule in the palatal shelves, and SHH probably also plays a role in their medio-lateral growth. Moreover, embryonic development of the chameleon palate was accompanied with alterations in Msx1, Meox2 and Pax9 gene expression, all of which play important roles in mammalian palatogenesis. The second part of the thesis focuses on mouse models with extensive craniofacial developmental defects caused by deficiency in two candidate genes. First, we analyzed a mouse model with a mutation in Cdk13. Mutation of this gene in humans causes numerous developmental defects, including craniofacial abnormalities. This gene encodes the protein CDK13, a kinase that regulates transcription and alternative splicing. In a mouse model, a hypomorphic allele caused a mild craniofacial phenotype including cleft palate, while complete knockout resulted in midfacial structure deficiency along with cleft of the secondary palate. A mouse with a mutation in Tmem107 represents a model of three human syndromes with a typical craniofacial phenotype that includes orofacial clefts. This gene encodes a protein that is located in the transition zone of the primary cilium; it regulates protein trafficking to and from this organelle. In mice, phenotypic manifestations are very similar to humans, with polydactyly, kidney defects, situs inversus and cleft lip and palate. In conclusion, our results provide novel information about craniofacial development of the veiled chameleon and introduce this species as a new model for evolutionary developmental biology (EVO-DEVO) studies. Moreover, our findings characterize two mouse models of human syndromes that could help to resolve molecular background of diseases caused by mutations in CDK13 and TMEM107 genes in humans.

Keywords

vývoj obličeje, rozštěp rtu, rozštěp patra, sekundární patro, primární cílie, chameleon jemenský, Cdk13, Tmem107 facial development, cleft lip, cleft palate, secondary palate, primary cilia, veiled chameleon, Tmem107

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 8. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 31. 8. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Marcela Buchtová, Ph.D.
• Reader: prof. MUDr. Mgr. Zbyněk Tonar, Ph.D., Julian Petersen, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Animal physiology, immunology and developmental biology / Animal physiology, immunology and developmental biology