Multipotent stem cells fuel organ renewal by producing a constant supply of differentiating progeny. Tissue specific stem cells are identified in various adult tissues that renew throughout life such as skin, blood, and intestine. The renewal capacity of teeth varies greatly across species. While renewal is restricted to one round of replacement in human, in some species teeth are continuously renewed either by replacement or continuous growth. Generally, the capacity for tooth replacement is suggested to reside in the stem cells of dental epithelium associated with existing teeth. Rodent incisors grow continuously due to stem cells, which have been identified in the proximal end of the incisor by their label-retaining property. However, detailed examination of the incisor stem cells has been hindered by the lack of specific cellular markers. Label-retaining putative epithelial stem cells have also been localized in species with continuous tooth replacement such as reptiles. The regulation of stem cells is crucial for tissue homeostasis and function since disturbances in regulation may lead to excessive cell proliferation and tumor formation. In odontogenic tumors the formation of dental tissues is continuous and these tumors are believed to derive from progenitor cells associated with developing teeth.
In this thesis, a specific marker for epithelial stem cells in continuously growing mouse incisor was sought and its association in the dental epithelium with continuous tooth formation, tooth replacement, and odontogenic tumor formation was investigated. By transcriptome microarray analysis, in situ hybridization, and genetic lineage tracing the transcription factor Sox2 was identified as a specific marker for the incisor epithelial stem cells. Further, Sox2+ stem cells were shown to give rise to all epithelial cell lineages of the mouse incisor. As evidenced by in vitro inhibition assays and transgenic mouse models, Sox2 expression was regulated by Fgfs and miRNAs. Analysis of the expression pattern of Sox2 during two different modes of successional tooth formation, 1) tooth replacement in human, ferret, and five reptilian species, and 2) posterior molar addition in mouse and ferret, revealed that Sox2 marks the epithelial competence to generate teeth in both reptiles and mammals. Finally, immunostaining revealed that SOX2 is expressed in human ameloblastoma, an odontogenic tumor, and that Sox2 expression persists in the dental lamina fragments of the mouse third molar.
The findings indicate that Sox2-expressing stem and progenitor cells in dental epithelium have the capacity to generate epithelial dental tissues in different modes of tooth renewal. Understanding the cellular and molecular mechanisms underlying the self-renewal and differentiation of dental epithelial stem and progenitor cells is essential for developing novel tooth regenerative therapies and unraveling the pathogenesis of odontogenic tumors.Kantasolut tuottavat jatkuvasti uusia soluja kudosten tarpeisiin. Kudokselle tunnusomaisia kantasoluja on löydetty monista jatkuvasti uusiutuvasta kudoksista ja elimistä kuten ihosta, verestä ja ohutsuolesta. Hampaiden osalta uusiutumiskyky vaihtelee eri eläinlajeilla. Ihmisellä hampaat vaihtuvat vain kerran, mutta joillakin lajeilla hampaat uusiutuvat jatkuvasti joko vaihtumalla uusiin tai kasvamalla jatkuvasti. Kyvyn hampaiden jatkuvaan uusiutumiseen on ajateltu perustuvan kantasoluihin. Jyrsijöiden etuhampaat kasvavatkin jatkuvasti hampaan tyviosassa sijaitsevien kantasolujen turvin. Nämä kantasolut on paikannettu niiden hitaan jakautumiskyvyn perusteella, mutta niiden tarkempaa tutkimusta on kuitenkin hidastanut se, ettei niiden tunnistamiseen soveltuvaa spesifistä merkkigeeniä ole löydetty. Samankaltaisia hitaasti jakautuvia hampaiden kantasoluja on löydetty myös lajeilla kuten matelijoilla, joiden hampaat vaihtuvat jatkuvasti. Kantasolujen toiminnan säätely on tärkeää, sillä häiriöt voivat johtaa liialliseen solujen jakautumiseen ja kasvainten muodostumiseen. Hammasperäisissä kasvaimissa uusien solujen muodostuminen on jatkuvaa. Kasvainten oletetaan olevan peräisin hampaiden kehityksen aikaisista kudosjäänteistä.
Tässä väitöskirjatyössä löydettiin merkkigeeni hampaan kantasoluille ja tutkittiin sen esiintymistä hammasepiteelissä hampaiden jatkuvan kasvun, vaihtumisen ja hammasperäisten kasvainten muodostumisen yhteydessä. Kudoksen transkriptomin microarray-analyysillä, in situ -hybridisaatiolla ja solujen jälkeläisten geneettisellä jäljittämisellä osoitettiin, että transkriptiotekijä Sox2 on hiiren etuhampaan epiteelisten kantasolujen spesifinen geenimarkkeri. Lisäksi näytettiin, että Sox2-positiiviset kantasolut tuottavat kaikki hampaan epiteeliset solulinjat. In vitro -kudosviljelyssä tehdyillä inhibitiokokeilla sekä muuntogeenisten hiirimallien avulla näytimme, että Sox2:n ilmentymistä säätelevät sekä Fgf-signalointi sekä mikroRNA:t. Sox2:n ilmentymistä tarkasteltiin kahdessa erityyppisessä hampaiden uusiutumismallissa: 1) hampaiden vaihtumisessa ihmisellä, hillerillä, sekä viidellä eri matelijalajilla sekä 2) takimmaisten poskihampaiden kehityksessä hiirellä sekä hillerillä. Tämä analyysi paljasti, että Sox2 ilmentyy kaikissa lajeissa niissä epiteelin soluissa, joilla on kyky hampaiden uudismuodostukseen. Immunologisilla kudosvärjäyksillä osoitimme Sox2:n ilmentyvän myös hammasepiteelistä peräisin olevassa ameloblastoomakasvaimessa, ja että Sox2:n ilmentyminen säilyy kolmannen poskihampaan hammaslaminan jäänteissä, joista amelobastooman oletetaan saavan alkunsa.
Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat että Sox2:a ilmentävillä hammasepiteelin kanta- sekä esisoluilla on kapasiteetti epiteelisten hammaskudosten muodostamiseen erilaisissa hammaskudoksen uusiutumistyypeissä. Niiden solu- ja molekyylimekanismien ymmärtäminen, jotka liittyvät hampaiden kanta- ja esisolujen uusiutumiseen ja erilaistumiseen on välttämätöntä, jotta voidaan kehittää uudenlaisia hampaiden regeneratiivisia hoitomuotoja ja ymmärtää hammasperäisten kasvainten patogeneesiä
