Зубы и челюсти цихлид

Зубы являются эволюционно древней структурой. В то время как мы зачастую думаем, что зубы неразрывно связаны с челюстями, они впервые развиваются в глотке бесчелюстных рыб около 500.000.000 лет назад. Как бы странно это не звучало, зубы возникли раньше челюстей. Подобно волосам и перьям, имеется возможность изучать зубы как шаблонные, повторяющиеся структуры, которые постоянно заменяются в течение жизни.
Это, конечно, не относится к млекопитающим, однако верно в отношении цихлид. Некоторые цихлиды имеют около 3000 зубов. Каждый конкретный зуб меняется каждые 50-100 дней. Это совершается благодаря стволовой клеточной нише, связанной с каждым зубом. Способность сменять зубы в течение жизни, к сожалению, была потеряна у млекопитающих.
Механизмы образования зубов в глотке неизвестны, но можно видеть данное эволюционное явление в природе. Некоторые низшие позвоночные, подобных данио-рерио, имеют зубы только в глотке. Млекопитающие, такие как мышь и человек, имеют зубы только в ротовой полости.

Цихлиды имеют зубы как в глотке, так и в ротовой полости. Эта уникальная эволюционная особенность позволяет задать вопрос, который является отправной точкой настоящего исследования (PLoS Biology - журнал, организация-получатель «Национальный Институт по Исследованию Зубов и Челюстно-лицевой Области» (NIDCR)). Одинаково ли регулируется количество зубов, расположенных в глотке и в ротовой полости?  Данный вопрос представляется крайне интересным и интригующим. Две челюсти являются не только функционально обособленными и эволюционно не связанными, но зубы, развивающиеся на них, имеют совершенно различных предшественников. Зубы формируются благодаря взаимодействию двух клеточных слоев – эпителий и мезенхима. Глоточные зубы возможно используют энтодерму в качестве эпителиального слоя, а зубы ротовой полости точно используют энтодерму. Если количество глоточных зубов регулировалось, или контролировалось подобно зубам ротовой полости, это могло свидетельствовать о том, что зубы созданы одним путем, не взирая на то, сколько их и где они развиваются.
В данной работе, к удивлению исследователей, было обнаружено, что количество зубов регулировалось схоже в двух челюстях. Челюсти ротовой полости и глотки функционировали по общим условиям в отношении количества зубов.
Как оказалось, были обнаружены общие гены, которые формируют зубную сеть генов. Эта сеть является общей для большей части зубного ряда. Кроме генов, открытых в предыдущих исследованиях были обнаружены гены eda и edar. Предполагается, что данные гены вовлечены исключительно в образование энтодермальных тканей. Однако в работе гены были задействованы в прорезывании глоточных зубов, которые, как кажется, образуются из эндодермы. Таким образом, была раскрыта роль eda и edar в тканях, образованных из эндодермы. Также отмечается идея о том, что перед челюстями, волосами, чешуями, перьями и другими энтодермальными тканями всегда действуют эти гены в зубной сети глубоко в глотке.

Удалось описать две вещи. Во-первых, генетическую сеть предков, которая проявляет активность в древней популяции зубов. Во-вторых, что возможно более важно, описаны ядро зубной сети – набор генов, сохраняемый во всех зубах, которые известны нам у рыб, мышей и человека. Таким образом, что очень интересно, имелись объекты, которые не только попадали в сеть (подобно генам eda и edar), но и объекты, которые выпадали из неё. В частности, возьмем гены pax9 и fgf8, которые являются существенным компонентом зубного аппарата млекопитающих. Эти гены либо не экспрессируются во всех, либо экспрессируются только в зубах ротовой полости, но в глоточных зубах. Это свидетельствует от том, что они не являются эволюционно важными в образовании зубов.
Работы в данной области крайне важны для объяснения эволюции зубов. Если суметь создать зубы на культуре или в пробирке, можно получить информацию о необходимых молекулах для данного процесса. Даже если некоторые из этих генов являются генетически существенными для зубов млекопитающих, возможно имеются иные пути описания образования зубов в эволюционной биологии.
На сегодняшний момент остается под вопросом, как предложенная модель может помочь в практическом плане для лечения зубов. Крайне интересным является взаимосвязь между генотипом и фенотипом, и каким образом генетическая информация может быть использована для обнаружения заболеваний у человека. Многие из предложенных в настоящее время моделей, включающие модели мыши, данио-рерио, дрозофилы, представлены гомогенными и врожденными линиями. Другими словами, они поддерживают легкий путь развития генетики. Люди имеют гетерогенные геномы и поэтому сложно обнаружить специфические генетические причины болезни. В исследованиях на цихлидах и в некоторых других эволюционных моделях ведется их сопоставление для лучшей картины генотипа и фенотипа. Данные модели демонстрируют гетерогенные геномы, подобные человеческим, и генетически-фенотипическая картина вероятно усложнится.

Сейчас распространено протезирование и замена утраченных зубов на керамические аналоги. Для перехода на новый уровень протезирования необходимо понять природные регенеративные способности зубов. Это представляется очень интересным. Первичной моделью, использованной в исследовании человеческих зубов, является мышь, и у неё не происходит обновление всех зубов.
Так, у мышей ниша стволовых клеток связана с её резцами. Однако, её резцы не заменяются (исключение составляют немногие генетические мутанты). Они обновляются посредством постоянного роста. Резцы мышей также не имеют тенденцию принимать комплекс форм. Существует расхождение пространства и развития между резцами и коренными зубами мышей. Коренные зубы принимают комплекс форм, но не обновляются и не заменяются. У рыб обнаружена замена зубов, их обновление и возможность принимать комплекс трехмерных форм в течение развития.
Развитие, обновление и формообразование зубов является генетически детерминированными процессами в организмах подобных цихлидам. Однако, думается, что в эволюционном развитии позвоночных эти процессы стали расходиться в пространстве и во времени. Что мы сейчас и наблюдаем у мышей, в частности, коренные зубы меняют форму, но не восстанавливаются. Резцы восстанавливаются, но не меняют форму.