Identifying the core transcriptional regulatory network initiating a tooth program

识别启动牙齿计划的核心转录调控网络

基本信息

  • 批准号:
    10710770
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 43.81万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-07-01 至 2028-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY: Loss of teeth due to oral disease, trauma, aging or congenital defects is one of the most common organ failures. The first morphological sign of tooth development is the formation of the dental lamina (DL). How the DL—the critical structure for initiation of a tooth development program—is specified from naïve maxillary and mandibular ectoderm, remains poorly understood. We applied Laser Microdissection coupled spatiotemporal RNA-seq and single cell Multiome-seq to profile mouse mandibular ectoderm during DL specification and tooth initiation (E9.5-E12.5). In comparison to the non-DL epithelium (i.e., future skin), we identified a set of potential driver transcription factors (TFs) for DL specification including Pitx1, Pitx2, Sox2, and Foxe1. In contrast, another set of TFs was notably reduced in the DL, although enriched in aboral/ventral ectoderm, including Tfap2a, Tfap2b, Irx3, and Irx4. While single ectodermal knock-out (KO) of Tfap2a or Tfap2b resulted in normal DL and non-DL epithelial development we found that ectodermal double KO of both resulted in severe non-DL epithelial defects, a spatial expansion of DL specification, and an ectopic tooth. Similarly, we and other groups have found that the single KO of Pitx1, Pitx2 or Sox2 does not affect DL specification, despite expression of these genes prior to DL specification and tooth defects at later stages. Here, we propose that like the non-DL epithelium a redundant network exists to specify the DL epithelium. The long-term goal of this study is development of stem cell-based approaches for tooth repair and regeneration. The overall objective of the proposed research is to dissect the molecular and cellular mechanisms of tooth initiation, particularly the core transcriptional regulatory networks (TRNs) that drive specification of the DL within maxillary and mandibular ectoderm and initiation of a tooth development program. Our central hypothesis is that a few key TFs—including PITX1, PITX2, SOX2, FOXE1, etc.—redundantly drive the core TRNs that regulate DL formation and a tooth initiation program. Further, ectopic expression of a combination of these TFs could convert non-DL epithelium (e.g., skin) to DL epithelium and induce ectopic tooth development. In Aim 1, we will determine genetic redundancy and specificity of Pitx1, Pitx2 and Sox2 through double KO models and CUT&RUN-based TF target identification. In Aim 2, we will define the PITX1/PITX2-driven communication between DL epithelium and mesenchyme during tooth initiation using a Pitx1/Pitx2 KO mouse model. Finally, in Aim 3, we will determine the core set of TFs sufficient to drive DL lineage specification and non-DL epithelial reprogramming. Collectively, using a strong set of in vivo animal models, ex vivo explants, and genome-wide assays, these studies will fill a critical knowledge-gap in our current understanding of DL specification and its application to tooth regeneration. This experimental design and approach, along with PI’s/CoI’s with complementary expertise, and the strong environment outlined in this proposal provide the catalyst to improve oral and craniofacial health.
项目摘要:由于口腔疾病、外伤、衰老或先天缺陷而导致的牙齿缺失是其中之一。 最常见的器官衰竭是牙齿发育的第一个形态学标志。 椎板 (DL)。DL(牙齿发育计划启动的关键结构)是如何指定的 幼稚的上颌骨和下颌骨外胚层仍然知之甚少,我们应用了激光显微切割。 耦合时空 RNA-seq 和单细胞 Multiome-seq 来分析小鼠下颌外胚层 DL 规格和牙齿起始 (E9.5-E12.5) 与非 DL 上皮(即未来的皮肤)相比,我们 确定了一组用于 DL 规范的潜在驱动转录因子(TF),包括 Pitx1、Pitx2、Sox2、 相比之下,另一组 TF 在 DL 中显着减少,尽管在腹侧/腹侧丰富。 外胚层,包括 Tfap2a、Tfap2b、Irx3 和 Irx4,而 Tfap2a 或的单一外胚层敲除 (KO)。 Tfap2b 导致正常 DL 和非 DL 上皮发育,我们发现两者的外胚层双重 KO 导致严重的非 DL 上皮缺陷、DL 规范的空间扩展和异位牙。 同样,我们和其他小组发现Pitx1、Pitx2或Sox2的单个KO不会影响DL 尽管这些基因在 DL 规范之前表达并且在后期阶段出现牙齿缺陷。 在这里,我们建议像非 DL 上皮一样,存在冗余网络来指定 DL 上皮。 这项研究的长期目标是开发基于干细胞的牙齿修复和再生方法。 该研究的总体目标是剖析牙齿的分子和细胞机制 启动,特别是驱动 DL 规范的核心转录调控网络 (TRN) 在上颌骨和下颌骨外胚层内并启动牙齿发育计划。 假设几个关键的 TF(包括 PITX1、PITX2、SOX2、FOXE1 等)冗余地驱动内核 TRNs 调节 DL 形成和牙齿起始程序,此外,异位表达的组合。 这些 TF 可以将非 DL 上皮(例如皮肤)转化为 DL 上皮并诱导异位牙齿发育。 在目标1中,我们将通过双KO确定Pitx1、Pitx2和Sox2的遗传冗余性和特异性 在目标 2 中,我们将定义 PITX1/PITX2 驱动的模型和基于 CUT&RUN 的 TF 目标识别。 使用 Pitx1/Pitx2 KO 小鼠在牙齿萌生过程中 DL 上皮和间质之间的通讯 最后,在目标 3 中,我们将确定足以驱动 DL 谱系规范和的核心 TF 集。 总的来说,使用一组强大的体内动物模型、离体外植体, 和全基因组检测,这些研究将填补我们目前对 DL 理解的关键知识空白 规范及其在牙齿再生中的应用,以及该实验设计和方法。 具有互补专业知识的 PI/CoI 以及本提案中概述的强大环境提供了 改善口腔和颅面健康的催化剂。

项目成果

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