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ISSN : 1226-7155(Print)
ISSN : 2287-6618(Online)
International Journal of Oral Biology Vol.40 No.1 pp.1-9
DOI : https://doi.org/10.11620/IJOB.2015.40.1.001

Osteocalcin Expression and Mineralization in Developing Tooth of Xenopus laevis

Jung Hoe Park, Ki-tak Kwon, Byung Keon Park**, Young-Hoon Lee*
Department of Oral Anatomy, School of Dentistry, and Institute of Oral Biosciences, Chonbuk National University
Corresponding Author : Young-Hoon Lee, Department of Oral Anatomy, School of Dentistry, and Institute of Oral Biosciences, Chonbuk National University, Baekje-daero 567, Jeonju, South Korea 561-756 Tel.: 063-270-4048, Fax: 063-270-4004 yhlee@chonbuk.ac.kr
Corresponding Author : Byung Keon Park, Department of Oral Anatomy, School of Dentistry, and Institute of Oral Biosciences, Chonbuk National University, Baekje-daero 567, Jeonju, South Korea 561-756 Tel.: +82-63-270-4044, Fax: +82-63-270-4004 bkpark@chonbuk.ac.kr
January 20, 2015 February 10, 2015 February 10, 2015

Abstract

Osteocalcin (OC) is the most abundant noncollagenous protein of extracellular matrix in the bone. In an OC deficient mouse, bone formation rates are increased in cancellous and cortical bones. OC is known as a negative regulator of mineral apposition. OC is also expressed in the tooth of the rat, bovine, and human. However, little is known about OC during tooth development in Xenopus. The purpose of this study is to compare the expression of OC with mineralization in the developing tooth of Xenopus, by using von Kossa staining and in situ hybridization. At stage 56, the developmental stage of tooth germ corresponds to the cap stage, and an acellular zone was apparent between the dental papilla and the enamel organ. From stage 57, calcium deposition was revealed by von Kossa staining prior to OC expression, and the differentiated odontoblasts forming predentin were located at adjoining predentin. At stage 58, OC transcripts were detected in the differentiated odontoblasts. At stage 66, OC mRNA was expressed in the odontoblasts, which was aligned in a single layer at the periphery of the pulp. These findings suggest that OC may play a role in mineralization and odontogenesis of tooth development in Xenopus.


초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2013R1A1A2010645

    서 론

    치아조직은 진피치아(dermal tooth)의 형태로 약 5억년 이전부터 턱이 없는 척추동물의 외피에 존재하였고 공 통조상으로부터 사람을 포함한 영장류와 포유류, 파충 류, 양서류, 어류의 치아조직으로 진화하였다[1,2]. 조류 를 제외한 대부분의 비포유류 치아는 일생동안 계승치 아의 발생이 반복적으로 나타나는 다생치아로써 포유류 의 치아에 비하여 치아재생과 진화에 관한 기전을 연구 하는데 적합한 실험동물로 활용되고 있다[3-5]. 비포유류 중에서 양서류의 치아는 어류와 파충류, 포유류의 치아 중에서 계통발생학적으로 중간 계통에 해당하는 뼈면치 아(pleurodont)로 되어 있고[3] 양서류 중에서도 아프리카 산 발톱개구리의 알은 다른 척추동물의 알 보다 크기 때문에 초기발생과정 중 신경능선이 유도될 때 신경능 선의 제거와 이식, 운명지도에 관한 연구에 활용되는 실 험동물모델이다[3,6,7].

    치배는 외배엽과 신경능선으로부터 각각 유래하는 치 아상피와 중간엽세포의 상호작용에 의해서 형성되고, 형 태학적으로 판시기와 싹시기, 모자시기를 거쳐 종시기에 이르러 치아상피와 치아유두 사이에서 경조직이 침착된 다[8,9]. 경조직의 형성은 치아기관의 치아상피와 치아유 두의 중간엽세포가 각각 법랑질모세포와 상아질모세포 로 분화된 다음 이들 세포들의 상호작용에 의해서 이루 어지고, 분화된 상아질모세포에서 분비된 I형 아교질뿐 만 아니라 많은 비아교성단백질에 의해서 상아질이 형 성된다. 이어서 이를 바탕으로 법랑질모세포에서 분비된 기질단백질과 효소의 작용으로 법랑질 형성이 개시되고 무기질의 침착이 유도된다[10,11].

    경조직의 형성에 관여하는 비아교성단백질 osteocalcin (OC)은 칼슘과 수산화인회석과 높은 친화력을 가진 gla (γ-carboxyglutamic acid) 단백질을 포함하고 있고, 뼈와 치아에서 무기질의 침착을 조절하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다[12-14]. OC의 발현은 사람과 흰쥐, 어류, 닭을 포함하는 많은 종의 뼈에서 확인되었 고[15-18], 사람을 비롯하여 흰쥐, 소, 어류의 이틀뼈와 치아에서 OC 단백질과 mRNA의 발현이 보고되었다 [17,19-22]. OC 단백질의 발현이 사람에서는 법랑질과 법랑질모세포의 돌기, 상아질모세포, 상아질모세포의 돌 기에서 관찰되었으나 상아질에서는 나타나지 않았고 흰 쥐와 어류에서는 법랑질과 법랑질모세포의 돌기, 상아 질, 상아질모세포, 상아질모세포의 돌기에서 확인되었다 [17,19-21]. OC mRNA의 발현은 사람과 흰쥐, 어류에서 상아질모세포와 상아질모세포의 돌기에서 확인되었다 [17,20,21]. OC 단백질의 발현은 종에 따라서 약간의 차 이가 나타났으나 mRNA의 발현은 동일하게 확인되었고 최근에는 OC가 치수의 뼈모세포와 상아질모세포의 분 화에 관련된 표지인자로써 활용되고 있다[23]. 그러나 비포유류 중에서는 어류의 치아에서만 OC의 발현이 보 고되었을 뿐 파충류와 양서류 치아의 형태발생과정에서 OC mRNA의 발현은 잘 알려져 있지 않다. 그러므로 이 연구에서 아프리카산 발톱개구리의 발생하는 치아에서 OC mRNA의 발현과 무기질 침착 양상을 비교하여 다 생치아의 발생의 기전을 규명하는데 기초자료로 활용하 고자 한다.

    재료 및 방법

    1.실험재료

    성숙한 암컷의 아프리카산 발톱개구리의 등쪽림프주머 니(dorsal lymph sac)에 human chorionic gonadotropin (HCG, Sigma) 1,000 IU를 주사했다. 다음날 개구리에서 알을 수집하고, 수컷의 고환을 0.1 X normal amphibian medium (NAM) 용액에서 넣어 잘게 자르고 상층액을 알 에 뿌려 수정시켰다. 수정된 알을 0.1 X NAM 용액에 배 양하여 Nieuwkoop and Faber (1967)의 기준[24]에 따라 치 배가 형성되는 시기인 stage 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 62, 66의 올챙이 또는 개구리의 위턱을 4% paraformaldehyde 용액에 실온에서 1시간 동안 고정하였다.

    2.Total RNA 추출 및 osteocalcin plasmid DNA와 cRNA 합성

    Stage 59의 아프리카산 발톱개구리 올챙이의 위턱부 위를 채취하여 RNA extraction kit (QIAGEN)를 이용하여 total RNA를 추출하였다.

    아프리카산 발톱개구리의 osteocalcin (OC, accession # AF055576.1) cDNA를 합성하기 위해서 forward primer (5'-TACTTGTGGGAGCAGCAGTG-3', 16~35)와 reverse primer (5‘-CCAGGAGGAGATTCCCAAAT-3', 403~422)를 작성하 였고, 각각의 primer와 total RNA (60ng/μl), One step RT-PCR kit (QIAGEN)에 포함되어 있는 5X buffer와 dNTP, Enzyme mix를 혼합하여 reverse transcription 반응 을 위하여 50°에서 30분간 시행하고 95°에서 PCR 활성 화를 위해 15분간 시행하였다. 합성된 cDNA를 증폭하 기 위해서 denaturing, annealing, synthesis의 과정을 94°C 에서 30초, 55°C에서 1분, 72°C에서 1분 동안 35주기를 시행하였다.

    RT-PCR에 의해서 얻어진 부산물을 pGEMT Easy vector (Promega, USA)에 삽입한 다음 DH5α competent cells에 transformation을 하였다. pGEMT Easy vector에 삽입된 것 을 확인하기 위하여 IPTG/β-Gal 용액과 ampicillin이 포함 된 LB agar에 DH5α 100 μl를 도포한 다음 14-16시간 동안 37℃에서 배양하였다. LB agar에서 흰색의 colony를 선택 하여 3 ml의 ampicillin이 포함된 LB medium에서 배양한 다음 plasmid DNA를 정제한 후 sequencing 하였다. 이어 서 얻어진 pGEMT Easy-OC plasmid를 NdeI와 NcoI으로 자른 다음 T7과 SP6 polymerase로 OC antisense와 sense riboprobe를 각각 합성하였다.

    3.주사전자현미경 표본 제작

    치배와 치아의 배열을 관찰하기 위하여 위턱을 채취 하여 1.5% glutaraldehyde와 1.5% paraformaldehyde, 0.1 M 인산완충액 혼합용액(pH 7.4)으로 실온에서 16시간 동안 전고정하였고, 0.1 M 인산완충액 (pH 7.4)으로 수 세한 다음, 2.5% KOH 용액에 37℃에서 2-3일 동안 반 응시킨 후, 구강점막을 제거하였고, 처리된 조직을 0.1 M 인산완충액으로 수세한 다음, 1% osmium tetroxide 용 액으로 후고정하였다. 고정된 조직을 같은 완충액으로 수세하고 알콜로 탈수한 다음 isoamyl acetate 용액으로 치환하고, 액체이산화탄소로 건조시킨 후, 금입자로 코 팅한 다음 Hitachi SN-3000 주사전자현미경(Japan)으로 사진촬영하였다.

    4.H-E와 von Kossa 염색

    4% paraformaldehyde로 고정한 다음 무기질의 침착을 관찰하기 위하여 탈회하지 않았다. 고정된 표본을 70% 와 90%, 100% 아세톤에 탈수한 후 glycol methacrylate (GMA) 수지를 포매하였고, 2 μm의 절편을 작성한 다음 H-E 염색과 von Kossa 염색을 실시하였다. 염색한 조직 을 Axiophot 광학현미경(Carl Zeiss, Germany)으로 관찰한 다음, Color view II 디지털카메라(Soft-Imaging System GmBH, Germany)로 사진촬영하였다.

    5.In situ hybidization

    4% paraformaldehyde로 고정하였고 stage 58 이후의 표 본에서는 10% EDTA, 7.5% PVP, 0.1 M tris 용액(pH 7.4)으로 3~7일 동안 탈회하였다. 탈회 후 알콜로 탈수 하고 xylene으로 투명한 후 파라핀으로 침투, 포매하였 다. OC의 발현을 관찰하기 위하여 12 μm의 조직절편을 제작한 다음 Lemaire와 Gurdon (1994)의 방법에 따라 in situ hybridization을 실시하였다[25]. 절편은 함수과정을 거친 후 4% paraformaldehyde에 재고정하였고, 인산완충 액으로 세척 후 proteinase K (3 μg/ml)를 37°C에서 10분 동안 처리하였다. Digoxigenin으로 표지된 OC cRNA probe (3 μg/ml)를 hybridization용액으로 희석하여 절편에 분주한 다음 60°C에서 14~16시간 동안 배양하였다. 이 어서 hybridization 용액으로 10분간 60°C에서 세척하고 hybridization 용액과 2X SSPE 용액을 1:1과 1:3으로 혼 합하여 각각 10분씩 60°C와 37°C에서 세척하였다. 이어 서 alkaline phosphate-conjugated anti-digoxigenin antibody (1:2,000)을 이용하여 실온에서 2시간 동안 면역반응을 실시하였다.

    면역반응이 끝난 후에 세척하고 BM purple-alkaline phosphatase substrate (Roche)를 이용하여 빛을 차단한 다 음 실온에서 14~16시간동안 발색하였다. 발색과정을 마친 후 eosin으로 1분 동안 대조염색을 시행하였고 Axiophot 광학현미경(Carl Zeiss, Germany)을 이용하여 관찰한 다 음, color view II 디지털카메라(Soft-Imaging System GmBH, Germany)로 사진촬영하였다.

    결 과

    실체현미경 관찰

    아프리카산 발톱개구리에서 치배는 수정 후 26일째 되는 stage 54부터 관찰되었고 그 위치는 콧구멍의 앞외 측이었고 먼쪽(distal)에 가깝게 형성되었다(Fig. B, B′, B″, 화살촉). 수정 후 32일째 되는 stage 55에서 치배의 수는 이전 시기(stage 54) 보다 많아졌고 정중앙으로부터 먼쪽에 배열되었다(Fig. 1C, C′, C″). 치아조직의 형성은 수정 후 41일째 되는 stage 57부터 시작되었고 그 위치 도 치배가 처음 형성되는 자리와 같았다(Fig. 1D, 1D′, D″, 화살표). 치아활에 분포하는 치아는 stage 59까지 한 줄이었고, stage 62부터는 2열로 배열되었다.

    수정 후 24일째 되는 stage 53에서 치배는 아직 형성 되지 않았는데 이는 비강 앞쪽에서 균질하게 관찰되는 것으로 알 수 있었다(Fig. 1A, A′, A″). Stage 54에서 처 음 발생하는 치배는 주위 조직 보다 밝게 관찰되었고, 치배의 모양은 입술쪽에서 초승달모양으로 관찰되었다 (Fig. 1B, B′, B″, 화살촉). 수정 후 41일째 되는 stage 57 에서 관찰되는 치아는 화살촉모양으로 나타났고 색소가 침착된 세포들이 치배 주위를 둘러싸고 있었다(Fig. 1D, D′, D″). 수정 후 44일째 되는 stage 58에서 치아는 원뿔 모양이었고 인접한 치아와 치배 사이의 간격은 이전 시 기보다 감소하였다(Fig. 1E, E′, E″). Stage 66까지 성장하 면서 치아의 크기와 폭은 이전 시기보다 증가하여 치아 의 끝은 입술 쪽에 가깝게 관찰되었다(Fig. 1F, F′, F″).

    주사전자현미경 관찰

    아프리카산 발톱개구리의 치아는 교두 끝이 구강내로 약간 돌출된 구조이었고 치아의 배열을 관찰하기 위해 서 2.5% KOH 용액으로 처리하여 구강점막을 제거하였 다(Fig. 2). 치아의 배열은 2줄로 나타났고 첫째 열 치아 의 배열은 치아활 중앙의 치아가 안쪽과 먼쪽의 치아보 다 입술 쪽에 가깝게 관찰되었으며 치아의 방향은 입술 면의 접선과 수직으로 나타났다. 즉 가장 안쪽의 치아는 정중면과 나란하였고 먼쪽으로 향할수록 바깥쪽으로 기 울어지는 양상이었다. 첫째 열에서 처음 발생한 치아는 혀 쪽으로 휘어진 원뿔 또는 갈고리모양이었고 둘째 열 에 형성된 치아는 총알 모양이었다(Fig. 3). 치아의 교두 부분은 표면이 매끄럽게 관찰되었고, 기저부분(뿌리)은 치아의 축과 나란한 미세한 주름이 나타났다(Fig. 3C). 교두부분과 기저부분이 만나는 부위의 표면에는 뼈의 거친면(tuberosity)처럼 불규칙하고 미세한 패임이 관찰되 었다(Fig. 3D). 2번째 발생한 치아(second generation tooth)의 모양은 총알과 유사하였으며 치아의 표면은 교 두쪽에서 기저부로 내려가면서 많은 결절들이 관찰되었 다(Fig. 3E). 종시기의 치배를 확대하여 관찰한 결과, 교 두 쪽에는 작은 결정체들이 섬유소 사이에 침착되어 있 었다(Fig. 3F).

    광학현미경 관찰

    수정 후 38일째 되는 stage 56의 아프리카산 발톱개구 리 올챙이의 구강점막에서 치아상피는 증식하여 중간엽 쪽으로 융기되어 있었고, 치배는 치아기관과 치아유두로 구성되어 있었다. 치아기관은 내치아상피와 외치아상피, 별그물조직으로 구성되어 있었다. 치아기관과 치아유두 사이에 무세포대가 관찰되었고, 이 시기에 치배 부위에 서 무기질 침착과 osteocalcin의 발현은 관찰되지 않았다 (Fig. 4).

    수정 후 41일째 되는 stage 57의 치배에서 법랑질모세 포와 상아질모세포 사이에 치아기질이 형성되었는데, 치 아기질은 von Kossa 염색에 의해서 진한 갈색으로 염색 된 상아질과 염색되지 않은 풋상아질로 구분되었다(Fig. 5B, B′). 법랑질모세포는 교두끝에서 가장 긴 원주형이 었고 치아싹목고리 쪽으로 내려가면서 입방형으로 관찰 되었다. 치아유두에는 치아기질과 접해 있는 상아질모세 포와 치아싹목고리 쪽에 접해 있는 중간엽세포로 이루 어져 있었다(Fig. 5A′, B′). 이 시기의 치배에서 osteocalcin (OC)의 발현은 관찰되지 않았다(Fig. 5C, C′).

    수정 후 44일째 되는 stage 58의 치배에 형성된 치아 는 법랑질과 상아질, 풋상아질로 구분되었고(Fig. 6A, A′, B, B′) 법랑질과 상아질은 von Kossa 염색에 의해서 짙은 갈색으로 확인되었다(Fig. 6B, B′). 내치아상피에서 는 법랑질을 덮고 있는 법랑질모세포와 치아싹목고리 부위의 풋상아질을 덮고 있는 Hertwig 상피치근집으로 나타났고, 법랑질모세포의 핵과 세포질은 Hertwig 상피 치근집 세포의 핵과 세포질에 비하여 옅게 염색되어 관 찰되었으며, 법랑질모세포는 원주형, Hertwig 상피치근집 세포는 입방형이었다(Fig. 6A, A′, B, B′). 치수의 가장자 리에 배열된 상아질모세포는 풋상아질에 근접해 있었고 치아싹목고리 주위에서는 중간엽세포들이 관찰되었다 (Fig. 6A, A′, B, B′). OC는 교두 쪽 상아질모세포에서만 발현되었다(Fig. 6C, C′).

    수정 후 49일째 되는 stage 62의 치배에서 처음 형성 되는 치아는 치아의 장축이 수평 또는 전하방으로 기울 어져 배열된 2가지 형태로 나타났고, 전하방으로 기울어 져 배열된 치아의 뒤쪽에서 계승치아의 치배가 모자시 기의 모양으로 관찰되었다(Fig. 7A, D). 수평방향으로 배 열된 치아의 법랑질모세포는 이전의 시기인 stage 58과 유사하였으나 전하방으로 배열된 치아의 법랑질모세포 는 입방형으로 세포의 크기는 이전의 시기에 비하여 감 소하였다(Fig. 7A-D, 7A′-D′). 치수의 가장자리에 배열된 상아질모세포의 형태는 원주형이었고, 치아싹목고리 쪽 으로 향할수록 상아질모세포의 크기는 증가하였으며 폭 은 감소하였다(Fig. 7A-D, 7A′-D′). 치수 중앙에서 혈관이 형성되었고 치아기질에 무기질 침착 양상은 이전의 시 기인 stage 58과 유사하게 관찰되었다(Fig. 7C, C′, 7D, D′). OC는 치아기질에서의 무기질 침착 부위와 인접해 있는 교두 쪽의 상아질모세포에서 발현되었다(Fig. 7E, E′, 7F, F′).

    수정 후 58일째 되는 stage 66의 치아발생 부위에서 치아는 위턱뼈에 유착되었고 치관이 구강내로 맹출되었 다(Fig. 8A-D, 8A′-D′). 수평으로 배열된 치아에서는 치아 기질과 법랑질모세포, Hertwig 상피치근집, 상아질모세포 는 이전의 시기와 유사하게 나타났고(Fig. 8A-D, 8A′-D′) 위턱뼈에 유착된 치아의 상아질모세포는 입방형으로 세 포의 크기가 stage 62에 비하여 감소하였으며, 치아 전 체 부위에서 무기질 침착이 관찰되었다(Fig. 8AD, 8A′-D′). OC의 발현은 수평방향의 치아에서는 교두쪽 상아 질모세포에서 관찰되었고, 위턱뼈에 유착된 치아에서는 치수의 가장자리에 배열된 상아질모세포와 상아질모세 포와 인접한 풋상아질에서 미약하게 확인되었다(Fig. 8E, E′, 8F, F′).

    고 찰

    척추동물의 치아는 5억년 이전부터 공통조상의 입오 목(stomodeum) 주위 외피의 진피치아(dermal tooth)에서 구강과 인두의 치아로 진화되었고[1], 멸종된 척추동물 의 화석에서 보존된 치아와 현재까지 서식하고 있는 종 의 치아를 비교분석함으로써 예상되는 치아의 변화에 대한 정보를 확보할 수 있다[1,26,27]. 전통적으로 치아 의 발생에 관한 연구는 생쥐에서 많은 연구가 이루어져 있지만 최근에 다생치아의 특징을 가진 비포유류에서 치아재생과 관련된 유전인자에 관한 정보를 얻기 위한 연구들이 수행되고 있다[3-5]. 비포유류 중에서 양서류는 석탄기/데본기 말기에 출현하였고, 양서류의 치아는 척 추동물 치아의 진화과정에서 중간단계에 있다. 양서류는 포획과 번식, 사육하는데 용이하게 순화되었고 오랜 기 간 동안 치아 연구에 활용되고 있다[3]. 양서류의 치아 에 관한 연구는 도룡뇽과 개구리에서 많이 보고되었고, 개구리의 치아는 도룡뇽의 치아 보다 늦은 시기에 발생 되는 단점이 있지만 개구리 중에서 아프리카산 발톱개 구리는 초기발생에 관한 연구에 활용되는 실험동물모델 로써 많은 유전인자들이 보고되었다. 아프리카산 발톱개 구리의 치배는 수정 후 1개월째 되는 시기 stage 55에 위턱에서 발생하기 시작하고 중앙에서 짝수 열과 홀수 열이 번갈아 가면서 맹출되는 발달양상을 나타내었다 [24,28]. 이 연구에서 실체현미경과 광학현미경으로 관찰 한 결과를 토대로 아프리카산 발톱개구리의 치배는 stage 26일째 되는 stage 54에서 관찰되었고(Fig. 1) 치아 열의 발생양상은 이전의 연구와 같은 결과를 얻었다. 이 연구에서 얻어진 치배의 발생시기가 이전 연구결과 보 다 빠르게 확인된 것은 시료에 비추는 광원의 각도에 따라 다르게 관찰되기 때문이다. 광원을 측면에서 조사 하여 관찰하였을 때 치배가 형성된 부위는 다른 구강부 위 보다 밝게 관찰되었는데 이는 치배를 구성하는 조직 이 다른 부위의 조직 보다 많은 세포들로 이루어져 있 고, 조사된 빛이 이들 세포들에서 굴절 및 반사되었기 때문이다. 치아의 발생과정에서 치배가 언제 출현하고 유도되는지는 매우 중요한 자료이고 이 연구결과는 치 배의 유도와 분화에 관한 연구를 수행하기 위한 기관배 양(organ culture) 실험을 활용하는 중요한 자료라고 생각 된다.

    양서류의 치아는 주로 원뿔형이었고 처음 발생하는 치아는 하나의 교두를 가진 치아 관찰되었으나 어린 도 룡뇽과 성 성숙기 도룡뇽의 치아에서 2개의 교두를 가 진 치아로 변형되었다. 이러한 변화는 성 성숙기에 androgen의 영향에 의해서 나타나는 변화라고 보고되었 다[3]. 아프리카산 발톱개구리의 치아는 원뿔의 치아만 관찰되었고[28] 이 연구에서도 이전의 연구와 같은 결과 를 확인하였다. 비포유류에 속하는 파충류와 양서류의 치아에서 법랑질과 상아질의 중간단계에 해당하는 enameloid가 보고되었고 enameloid는 법랑질모세포와 상 아질모세포에 의해서 형성되는 구조로 확인되었다. 어린 도룡뇽에서 enameloid가 상아질로 변형된다고 보고되었 다[3]. 아프리카산 발톱개구리의 치아에서는 enameloid가 형성되는지를 확인할 수 있는 미세구조적 연구는 수행 되지 않았다. 그러므로 이 연구에서 얻어진 stage 57부 터 stage 59까지의 실험결과를 토대로 아프리카산 발톱 개구리의 치아 발생에 관한 미세구조적 연구가 필요하 고 아프리카산 발톱개구리에서는 신경능선이 발생하는 과정에서 아가미활로 이동하는 신경능선을 제거하고 이 식하는 실험이 가능한 실험동물이다[6,7]. 그러므로 아프 리카산 발톱개구리를 이용하여 신경능선을 제거한 후 치아발생에 어떤 영향을 미치는지를 확인하는데 연구에 활용하고자 한다.

    Osteocalcin (OC)은 뼈와 치아에서 발현되고, 무기질의 침착에 관여하는 비아교성단백질이다[12-14]. 흰쥐 치아 의 생리적인 이동시, 이틀뼈에 인접한 치주인대의 뼈형 성세포에서 OC의 발현이 확인되었는데, 이 발현이 이틀 뼈가 형성되는 부위에서는 나타났고 흡수부위에서는 관 찰되지 않았다[17]. OC가 제거된 생쥐의 대퇴골에서 뼈 치밀도와 해면뼈, 피질뼈의 두께가 증가되었는데, 이로 써 OC가 무기질 침착에 대해서 음성조절인자로 작용하 는 것으로 추측하였다[18]. 사람과 흰쥐, 어류에서 OC mRNA의 발현은 상아질모세포와 상아질모세포의 돌기 에서 관찰되었고 OC mRNA은 종에 따라서 동일한 발 현양상을 나타냈다[17,20,21]. 이 연구에서 아프리카산 발톱개구리의 치아발생과정에서 OC mRNA의 발현은 상아질모세포에서 관찰되었고 이러한 결과는 사람을 포 함한 다른 동물의 치아에서 OC mRNA의 발현양상과 같았다. 이는 진화론적으로 아프리카산 발톱개구리의 치 아발달과정에서 OC mRNA가 상아질 형성에 관여하기 위해서 잘 보존되어 있는 것으로 생각된다. 또한 사람과 흰쥐, 어류에서 OC 단백질의 발현이 보고되었는데, 흰 쥐와 어류에서는 상아질과 상아질모세포, 상아질모세포 돌기, 법랑질, 법랑질모세포돌기에서 OC 단백질의 발현 이 관찰되었고, 사람에서는 상아질을 제외한 부위에서 그 발현이 확인되었다[12-16]. 이들의 연구에서 OC의 단 백질이 mRNA의 발현 부위보다 더 넓은 부위에서 확인 되는 것은 세포의 활성에 의한 것이 아니고 치아가 형 성된 다음, 혈청에 존재하는 OC이 법랑질로 이동하거나 흡수되어 나타나는 것으로 추측하였다[17,20,21]. 아프리 카산 발톱개구리의 발생하는 치아에서 치아기질의 형성 과 무기질침착은 같은 시기(stage 57)에 관찰되었는데, OC의 발현은 이 시기에서는 나타나지 않았고, OC mRNA는 무기질침착이 어느 정도 이루어진 다음 시기 (stage 58)에 발현되었는데, 이러한 결과를 살펴보면 아 프리카산 발톱개구리의 치아에서 OC mRNA가 무기질 침착을 조절하는 것으로 생각된다.

    아프리카산 발톱개구리의 치아는 위턱뼈에 유착되기 이전에는 치아의 법랑질과 교두쪽 부위의 상아질에서 무기질 침착이 관찰되었고 이 부위의 상아질모세포에서 OC의 발현이 확인되었다. 그러나 위턱뼈에 유착되고 구 강내로 맹출된 치아에서는 위턱뼈과 치아 전체에서 무 기질이 침착되었고, 치수의 가장자리에 배열된 대부분의 상아질모세포에서 OC의 발현이 관찰되었다. 또한 이 시 기에 상아질모세포의 크기는 위턱뼈에 유착되기 이전 시기 치아의 상아질모세포에 비해서 감소하였다. 이러한 결과로 미루어 보아 치아에서의 무기질침착과 OC의 발 현이 밀접한 관련이 있을 것으로 생각된다. 특히, 법랑 질이 형성되는 시기(stage 58)에서 OC가 상아질모세포에 서의 발현은 상아질 뿐만 아니라 법랑질 형성에도 중요 한 역할을 할 것으로 생각된다. 향후 아프리카산 발톱개 구리의 치아발생과정에서 OC의 단백질의 발현에 관한 연구는 다른 동물과의 항체 교차반응을 확인한 후에 아 프리카산 발톱개구리의 OC 단백질과 mRNA의 비교연 구가 수행되어야 할 것으로 생각된다.

    Conflict of interest

    The authors declare that they have no competing interest.

    Figure

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    Steromicroscopic photographs. Tooth germ (arrowhead) was observed at stage 54 (B, B′, B″). and tooth matrix is shown as arrowhead shape (arrow) at stage 57 (D, D′, D″) and stage 58 (E, E′ and E″). The intervals (I) between tooth germs are reduced from stage 57 to stage 58. Broken lines are marked in tooth germ at stage 58. A, A′, A″, stage 53; B, B′, B″, stage 54; C, C′, C″, stage 55; D, D′, D″, stage 57; E, E′, E″, stage 58; F, F′, F″, stage 66. The scale bars are 1 mm (F) and 200 μm (F′ and F″). Photographs within each row are at the same magnification. N, nostril.

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    Scanning electron microscopic photographs at stage 66 (post-fertilization 58 days). Tooth tip (white arrow) is erupted through oral epithelium before maceration (A). All tooth and toothlet are shown after maceration (B). Each photograph is at the same magnification.

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    Scanning electron microscopic photographs at stage 66. A and B) First-generation teeth (arrow) are ankylosed to the maxilla and premaxilla and second-generation teeth or tooth germs (arrowhead) occupy between the first-generation teeth (arrow). C and D) Tooth consists of crown (c), neck (n) and basal part (b) of the first-generation tooth. Tuberosity (t) is composed of minute tubercles, is shown in the tooth neck (n). A lot of tubercles (t) are shown in the second-generation tooth (E) and many crystallites and fibers are intermingled in the second-generation tooth germ (F).

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    At stage 56 (38 days after fertilization), tooth germ consists of the inner and outer dental epithelium, stellate reticulum, dental papilla and an acellular zone. Osteocalcin is not expressed in the tooth germ (data not shown). dp, dental papilla; iee, inner enamel epithelium; oee, outer enamel epithelium; sr, stellate reticulum. A and A′, H-E staining; B and B′, toluidine blue and von Kossa staining. The scale bars are 100 μm (A and B) and 20 μm (A′ and B′).

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    From stage 57 (41 days after fertilization), tooth matrix is composed of dentin and predentin which start to be formed between ameloblasts and odontoblasts (A and A′). Mineralization is shown in dentin (B and B′). dp, dental papilla; iee, inner enamel epithelium; oee, outer enamel epithelium; sr, stellate reticulum. dp, dental papilla; iee, inner enamel epithelium; oee, outer enamel epithelium; sr, stellate reticulum; *, enamel. A and A′, H-E staining; B and B′, toluidine blue and von Kossa staining; C and C′, in situ hybridization for OC. The scale bars are 100 μm (A-C) and 20 μm (A′-C′).

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    At stage 58 (44 days after fertilization), the enamel is located between the ameloblasts and the dentin. The ameloblasts and Hertwig's epithelial rooth sheath are abutted with the enamel and predentin, respectively (A and A′). Mineralization area is shown in the enamel and dentin (B and B′). Osteocalcin mRNA is expressed in the odontoblast of the cuspal region of the pulp (C and C′). A and A′, H-E staining; B and B′, toluidine blue and von Kossa staining; C and C′, in situ hybridization for OC. The scale bars are 100 μm (A-C) and 20 μm (A′-C′).

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    At stage 62 (49 days after fertilization), the replaced tooth germ at the cap stage (B) is observed posterior to the first-generating tooth which is aligned right angle to the longitudinal axis of tooth. The odontoblasts are located in the periphery of the pulp and the size of the cells is increased toward the cervical loop (B′). The mineralization pattern is similar to that of the previous stage. The region of the mineralization is extended toward the cervical loop (C, D, C′ and D′). Osteocalcin transcripts are localized in the odontoblast around the mineralization field (E, F, E′ and F′). A, B, A′ and B′, H-E staining; C, D, C′ and D′, toluidine blue and von Kossa staining; E, F, E′ and F′, in situ hybridization for OC. The scale bars are 100 μm (A-F) and 20 μm (A′-F′).

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    By stage 66 (58 days after fertilization), tooth is ankylosed to the maxilla and erupted into the oral cavity. The calcium deposition is seen in the whole area of ankylosed tooth (D and D′). Osteocalcin expression is observed in the odontoblasts which are aligned to the periphery of the pulp (E, F, E′ and F′). A, B, A′ and B′, H-E staining; C, D, C′ and D′, toluidine blue and von Kossa staining; E, F, E′ and F′, in situ hybridization for OC. The scale bars are 100 μm (A-F) and 20 μm (A′-F′).

    Table

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