Interakce při vývoji kostí a přilehlých struktur: zapojení vybraných signálních molekul

Mgr. Veronika Oralová, Ph.D.

Doctoral thesis

Interaction during bone development and adjacent structures: involvement of selected signalling molecules

Abstract:

Vznik a vývoj kostí, osteogeneze, je regulovaný proces, který je provázen dvěma různými formami osifikace. Většina kostí podstupuje endochondrální osifikaci zahrnující tvorbu chrupavky (chondrogenezi). U intramembranózní osifikace je kost tvořena přímou diferenciací mezenchymových buněk do osteoblastů. Přesto, že je již známa celá řada molekul a signálních drah, které s osteogenezí souvisejí, stále se objevují další poznatky. Cílem této práce byl výzkum nových interakcí a funkční analýza nových kandidátních molekul s modulačním potenciálem v chondrogenezi s využitím modelů dlouhých kostí myších končetin a souvisejících přístupů in vitro. Druhá část práce byla zaměřena na unikátní komplex alveolární (intramembranózní) kosti s dalšími tvrdými tkáněmi (zubu). Zde byly detekovány časoprostorové souvislosti exprese molekul, specifikován osteogenní potenciál peridentálních mezenchymových populací buněk a sledován vliv molekulárních faktorů na utváření nemineralizovaného rozhraní zubů a kostí. Transkripční faktor c-MYB se uplatňuje při řízení buněčného cyklu, diferenciace buněk a apoptózy. Výsledky této práce ukazují na novou roli proteinu c-MYB, a to v regulaci a podpoře chondrogeneze. Signální dráhy WNT a FGF jsou důležité při regulaci endochondrální osifikace. Prezentované výsledky potvrzují spolupráci těchto molekul v diferenciačních procesech. Společně aktivují tvorbu osteoblastů, zatímco proces diferenciace chondrocytů je inhibován. Protein BMP6 vykazuje modulační potenciál také u alveolární kosti. Temporospaciální a korelační analýza provedená v této práci ukázala přítomnost BMP6 v oblastech nezbytných při erupci zubu a remodelaci kosti. BMP6 tak zřejmě přispívá ke správné integraci zubu a kostí v průběhu erupce zubu a jeho ukotvení v čelisti. V tomto procesu hraje významnou roli také vytvoření nemineralizovaného rozhraní zubu a kosti (TBI). V průběhu tvorby TBI je nezbytná správná koordinace při odstranění kosti z erupční dráhy zubu aktivními osteoklasty. V případě myší postrádajících c-Fos, které mají autonomní deficienci v diferenciaci osteoklastů, bylo ukázáno, že defekty u kořenů a při erupci zubů jsou řízeny ztrátou osteoklastů. Na základě PCR Array analýzy byly stanoveny další kandidátní molekuly v buňkách peridentálního mezenchymu, které mohou být zahrnuty v regulaci vývoje alveolární kosti. Úspěchy získané v základním výzkumu přispívají k lepšímu pochopení buněčných a molekulárních aspektů signálních drah. Tyto poznatky mohou být dále použity v praktických biomedicínských aplikacích.

Abstract:

Bone formation and development of bone (osteogenesis) is a highly regulated process that is accompanied by two distinct forms of ossification. Most of the bone undergoes endochondral ossification including the formation of cartilage (chondrogenesis). Intramembranous bone formation is characterised by direct differentiation of mesenchymal cells into osteoblasts. Although a wide range of molecules and signaling pathways related to osteogenesis has been already known, there are still more knowledge to be discovered. The aim of this thesis was to investigate new interactions and provide functional analysis of novel candidate molecules with modulating potential in chondrogenesis using the murine model of limb long bones and related in vitro approaches. The second part was focused on the unique complex of alveolar (intramembranous) bones and other hard tissues (teeth). Here were detected spatiotemporal interactions of the molecular expression, osteogenic potential of peridental mesenchymal cell populations was specified and the effect of molecular factors in formation of non-mineralized teeth and bones interface was observed. The transcription factor c-MYB is involved in cell cycle control, cell differentiation and apoptosis. The results of this work demonstrate a new role for c-MYB protein in chondrogenesis control and promotion. WNT and FGF signaling pathways are important during regulation of endochondral ossification. Our results confirm cooperation of these molecules in differentiation processes. WNT and FGF together activate the production of osteoblasts, while the process of chondrocyte differentiation is inhibited. BMP6 protein shows modulation potential also in the alveolar bone. Temporospatial and correlation analysis presented in this thesis show the presence of BMP6 in essential regions for tooth eruption and bone remodeling. BMP6 obviously contributes to the correct integration of the teeth and bones during tooth eruption and tooth anchorage in the jaw. Creation of unmineralized tooth-bone interface of (TBI) plays an important role in this process. Correct coordination of bone removal from the tooth eruption pathway by active osteoclasts is necessary during TBI formation. In the case of c-Fos mutant mice, which are autonomously deficient in osteoclasts differentiation, defects of the root and eruption of the teeth were shown to be driven by loss of osteoclasts. On the basis of the PCR Array analysis were determined other candidate molecules in peridental mesenchyme cells, which may be involved in the regulation of alveolar bone. Achievements, from basic research contribute to better understanding of cellular and molecular aspects of signaling pathways. These findings might be further used in practical biomedical applications.

Keywords

osteogeneze, odontogeneze, rozhraní mezi zubem a kostí, alveolární kost, signální dráhy, osteogenesis, odontogenesis, tooth-bone interface, alveolar bone, signalling pathways

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 10. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 27. 11. 2015
• Supervisor: prof. RNDr. Eva Matalová, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Petr Beneš, Ph.D., MVDr. Vladimír Jekl, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Molecular and Cellular Biology