Signální dráhy podílející se na identitě čelistí

Mgr. Petra Celá, Ph.D.

Doctoral thesis

Signaling pathways contributing to identity of jaw

Abstract:

Vývoj obličeje je komplexně řízený proces, na jehož regulaci se podílí celá řada signalizačních molekul. Současný výzkum problematiky kraniofaciální oblasti se zaměřuje zejména na hledání nových potenciálně významných genů, které mohou podmiňovat vznik vývojových poruch. K nejběžnějším obličejovým malformacím patří rozštěpové vady, jejichž léčba je i přes veškerý pokrok medicíny značně náročná. Odhalení příčin vzniku těchto defektů proto může vést k časnější a přesnější diagnostice, a především k cílené prevenci. Našim cílem bylo nejdříve analyzovat expresní profil a funkci genů Evi-1 a Morn5, které byly na základě předchozí microarray studie navrženy jako kandidátní geny podílející se na vývoji obličeje. Transkripční faktor Evi-1 byl u kuřecího embrya exprimován během vývoje v mozku, v intermediálním mezodermu, faryngeálních obloucích, maxilární prominenci a okolo nosních jamek. Specifická exprese během vývoje končetin naznačila roli v chondrogenezi a anterio-posteriorním modelování končetiny. Exprese genu Morn5 byla pozorována po celou dobu vývoje maxilární prominence, až po fúzi s frontonazální masou a vznik primárního patra. Mimoto byla exprese výrazná i v mandibulárních prominencích a globulárních výběžcích frontonazální prominence. Tento gen by tedy mohl hrát klíčovou roli během formování horní čelisti. Soustředili jsme se také na objasnění role BMP dráhy a jejího antagonisty Nogginu v průběhu vývoje obličejového skeletu. Zjistili jsme, že BMP dráha reguluje volbu mezi chondrogenním a osteogenním osudem obličejového mezenchymu. Pozorovali jsme stádiově specifickou buněčnou odpověď u kuřecích embryí. K indukci chondrogeneze dochází pouze v rané fázi vývoje snížením hladiny BMP, naopak v pozdějším stádiu se chrupavka nevytváří. Definovali jsme tedy vývojové stádium, kdy je maxilární mezenchym nejvíce plastický, a tedy může být modifikován jeho osud, a rovněž vývojové stádium, kdy jsou již buňky nevratně determinovány. Dále jsme analyzovali jedince deficientní v genu Tmem107, který byl popsán jako nezbytný faktor pro tvorbu cilií a s nimi spojenou SHH signalizaci. Homozygotní jedinci vykazovali široké spektrum kraniofaciálních defektů včetně rozštěpových vad. Tmem107 se zdá mít nezastupitelnou funkci během embryogeneze, zejména pro správný vývoj rtu a patra. Předkládaná práce rozšiřuje spektrum znalostí v oblasti vývojových procesů a signalizace během vzniku a modelování kraniofaciálních struktur. Tyto informace mohou rovněž přispět k objasnění etiologie některých malformací spojených s vývojem a formováním čelistí, a především k prevenci jejich vzniku.

Abstract:

Face development is complexly controlled process, which is regulated by numerous signalling molecules. Current research of craniofacial area focuses on the identification of new potentially essential genes that may participate on the initiation of developmental disorders. The most common facial malformations include lip/palate clefts whose treatment is despite all the advances in medicine demanding. Revealing the causes of these defects may lead to earlier and more accurate diagnosis, and especially to the targeted prevention. First, we aim to analyse the expression pattern and function of genes Evi-1 and Morn5, which were suggested to be candidate genes involved in the development of the face based on previous microarray studies. Transcription factor Evi-1 was expressed during development in the brain, the intermediate mesoderm, pharyngeal arches, maxillary prominence and around the nasal pits. Specific expression during limb development indicated a role in chondrogenesis and anterior-posterior limb modelling. Morn5 gene expression was observed throughout the development of the maxillary prominence until its fusion with frontonasal mass and the formation of the primary palate. Furthermore, Morn5 expression was also prominent in the mandibular prominence and globular processes of the frontonasal mass. This gene could therefore plays a key role during the formation of the upper jaw. Next, we focused on the elucidation of BMP pathway role and the effect of its antagonist Noggin on facial cartilage development. We identified the BMP signalling as a key regulator of switch between chondrogenic and osteogenic fate of facial mesenchyme. Furthermore, we uncovered stage dependent cell response in chicken embryos. The induction of chondrogenetic processes occurred only by decrease of BMP levels at early developmental stages in contrast to later stages when cartilage was not induced. Therefore, we defined pivotal developmental stage when the maxillary mesenchyme is still plastic and it may be modified its fate while mesenchymal cells are irreversibly determined at later stages. Moreover, we described the phenotype of mice deficient in Tmem107, which was determined as a crucial factor for the primary cilia formation and associated to SHH signalling. Homozygous mice exhibited a broad spectrum of craniofacial defects including clefts. Tmem107 seems to play an important role during embryogenesis, especially in accurate development of lip and palate. Our results extend recent knowledge of developmental processes and their regulation during the craniofacial structures patterning. These facts can also contribute to clarifying the aetiology of some malformations associated with the initiation and formation of the upper jaw and especially to their prevention.

Keywords

Vývoj obličeje, maxilární prominence, rozštěpy rtů a patra, primární cilie, Evi-1, Morn5, Tmem107

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 5. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 20. 6. 2016
• Supervisor: doc. RNDr. Marcela Buchtová, Ph.D.
• Reader: doc. MUDr. Miroslava Sedláčková, CSc., Mgr. Jiří Kohoutek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology