Elucidation of molecular mechanism of enamel formation and application to non-cellular hard tissue regeneration

• Project/Area Number: 22H00488
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 57:Oral science and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 福本 敏 九州大学, 歯学研究院, 教授 (30264253)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉崎 恵悟 九州大学, 歯学研究院, 助教 (10507982) ; 山田 亜矢 九州大学, 歯学研究院, 准教授 (40295085) ; 千葉 雄太 九州大学, 歯学研究院, 助教 (10821986)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2026)
• Budget Amount: ¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000); Fiscal Year 2026: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2025: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2024: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2022: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
• Keywords: エナメル芽細胞 / 歯の再生 / 歯原性上皮細胞 / 石灰化 / 歯の発生 / エナメル質

Outline of Research at the Start

歯の最表層に存在するエナメル質は生体内で最も硬い組織であるが、齲蝕などにより破壊されると再生させることが困難であり、現在は人工物での修復が行われている。一度破壊されたエナメル質を再生させる技術を開発するために、エナメル質の石灰化の分子メカニズムを明らかにすることが本研究の目的である。またiPS細胞などの細胞を用いた歯の再生技術はある程度確立されてきたが、口腔内でのエナメル質再生には細胞を用いない方法で行う必要がある。そこで細胞に依存しないエナメル質再生の基盤技術の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

生体内で最も硬いエナメル質の再生は、硬組織再生の中でも極めて難しい課題あり、一度喪失したエナメル質は再生は不可能であることから、人工物を用いた修復が行われている。先天的なエナメル質形成不全や、齲蝕等による後天的なエナメル質破壊に対し、新たな治療法としてのエナメル質再生技術は、次世代歯科再生療法として期待される。しかしながらエナメル質形成に関わるエナメル芽細胞分化に関しては未だ不明な部分も多く、特に成熟期エナメル芽細胞の機能に関しては、ほとんど解明されていないのが現状である。そこで本研究では、歯の形成過程における歯原性上皮細胞の各種細胞への分化機構の解明、その中でもエナメル芽細胞の成熟過程における石灰化機構を明らかにし、これらの知見を用いた新たな「エナメル質再生」ならびに「細胞に依存しない硬組織再生」技術の開発を目的としている。
これまでエナメル質の最終的な成熟過程における石灰化は、リン酸オクタカルシウム（OCP）からハイドロキシアパタイトに変換する過程において生じる水素イオンが石灰化を阻害するため、この中和機構が大きな謎であった。我々は成熟期エナメル芽細胞の機能解析から、Gpcr111及びGpcr115がその調整に関与していることを見出した。そこで成熟期エナメル芽細胞分化を詳細に解析するために、歯の発生過程におけるシングルセルRNAシークエンス解析により、分化に必要な幾つかの遺伝子の同定に成功した。またGpcr111及び115が直接pHに応答して機能しているかどうかを明らかにする目的で、他のpHセンサーとして機能するGpcrをsiRNAを用いて抑制し、一方でGpcr111及びGpcr115を過剰発現させ、Car6及びKLK4の発現誘導を確認した。また人工的な石灰化誘導に関してはリコンビナントCar分子の作成に成功し、これらを用いた石灰化誘導法を試みている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度に引き続き、成熟期エナメル芽細胞の分化過程を詳細に解析するために、どう細胞の分化に必要な新規分子の同定に成功した。さらに人工的な石灰化誘導のためのCar分子のリコンビナント蛋白の作成を完了することができた。さらに現在急増しているエナメル質形成不全（Moler-incisor hypominerakization）に関して、対象疾患の罹患状況や原因に関する実態調査も継続して行い、どのような過程でエナメル形成が阻害されたのかに関する研究も同時に進めている。特に、歯の発生におけるシングルセルRNAシークエンスの解析とOMIMデータベースによる歯の表現系予測とともに、どのような遺伝子が本邦における小児慢性疾患に関与しているかなどのデータベース作成にも成功した。以上の結果から、「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

１）Gpr111及びGpr115の機能をより詳細に解析するために、Gpcrを全く発現していないHEK細胞にGpcr111及びGpcr115を過剰発現させ、これら受容体が応答するリガンドのスクリーニングを行う。またすでに細胞外のpHに応答することが明らかとなっていることから、alphaフォールドによる３次元構造を予測し、細胞外の水素イオン濃度による分子構造の変化をシュミレーションモデルを用いて検討する。
２）リコンビナントCarと、エナメル質の石灰化誘導に関わるAmel分子を用いて、in vitroでのエナメル質石灰化モデルにおけるエナメル質の基質含有量やハイドロキシアパタイト形成量の評価を行う。
３）新たに同定した成熟期エナメル芽細胞分化誘導因子について、エナメル芽細胞分化には細胞間結合分子の介在が必須であることから、Cx43、E ~cadherin等の有無による分化効率と、増殖因子刺激による細胞内シグナルの変化を明らかにすることで、人為的な成熟期エナメル芽細胞分化誘導システムの開発を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 北京大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 米国国立衛生研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] 延世大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] 北京大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 延世大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] National Institute of health(米国)
• [Int'l Joint Research] 米国国立衛生研究所(米国)
• [Journal Article] Correction to: Polygenic effects on the risk of Alzheimer’s disease in the Japanese population (Alzheimer's Research & Therapy, (2024), 16, 1, (45), 10.1186/s13195-024-01414-x) (2024)
  • Author(s): Otake S, Saito K, Chiba Y, Yamada A, Fukumoto S.
  • Journal Title: FASEB J. Volume: 16 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s13195-024-01514-8
  • URL: https://pure.teikyo.jp/en/publications/f41abe4f-5511-45e7-880b-b486d1ab1941
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression patterns of keratin family members during tooth development and the role of keratin 17 in cytodifferentiation of stratum intermedium and stellate reticulum. (2024)
  • Author(s): Inada S, Chiba Y, Tian T, Sato H, Wang X, Yoshizaki K, Oka S, Yamada A, Fukumoto S.
  • Journal Title: J Cell Physiol. Volume: 239(9) Issue: 9 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1002/jcp.31387
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mediator 1 ablation induces enamel-to-hair lineage conversion in mice through enhancer dynamics. (2023)
  • Author(s): Thaler R, Yoshizaki K, Nguyen T, Fukumoto S, Den Besten P, Bikle DD, Oda Y.
  • Journal Title: Commun Biol. Volume: 6(1) Issue: 1 Pages: 766-766
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05105-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deficiency of G protein‐coupled receptor <i>Gpr111/Adgrf2</i> causes enamel hypomineralization in mice by alteration of the expression of kallikrein‐related peptidase 4 ( <i>Klk4</i> ) during <scp>pH</scp> cycling process (2023)
  • Author(s): Chiba Yuta、Yoshizaki Keigo、Sato Hiroshi、Ikeuchi Tomoko、Rhodes Craig、Chiba Mitsuki、Saito Kan、Nakamura Takashi、Iwamoto Tsutomu、Yamada Aya、Yamada Yoshihiko、Fukumoto Satoshi
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 37 Issue: 4
  • DOI: 10.1096/fj.202202053r
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a novel ex vivo organ culture system to improve preservation methods of regenerative tissues (2023)
  • Author(s): Yuta T, Tian T, Chiba Y, Miyazaki K, Funada K, Mizuta K, Fu Y, Kawahara J, Iwamoto T, Takahashi I, Fukumoto S, Yoshizaki K.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 13(1) Issue: 1 Pages: 3354-3354
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29629-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of GPI-anchored protein LYPD1 as an essential factor for odontoblast differentiation in tooth development (2023)
  • Author(s): Fu Y, Miyazaki K, Chiba Y, Funada K, Yuta T, Tian T, Mizuta K, Kawahara J, Zhang L, Martin D, Iwamoto T, Takahashi I, Fukumoto S, Yoshizaki K.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 299(5) Issue: 5 Pages: 104638-104638
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.104638
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enamel defects of Axenfeld‐Rieger syndrome and the role of PITX2 in its pathogenesis (2022)
  • Author(s): Yang Yi、Zhu Junxia、Chiba Yuta、Fukumoto Satoshi、Qin Man、Wang Xin
  • Journal Title: Oral Diseases Volume: in press Issue: 8 Pages: 3654-3664
  • DOI: 10.1111/odi.14315
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GSK3beta inhibitor-induced dental mesenchymal stem cells regulate ameloblast differentiation (2022)
  • Author(s): Yamada Aya、Yoshizaki Keigo、Saito Kan、Ishikawa Masaki、Chiba Yuta、Hoshikawa Seira、Chiba Mitsuki、Hino Ryoko、Maruya Yuriko、Sato Hiroshi、Masuda Keiji、Yamaza Haruyoshi、Nakamura Takashi、Iwamoto Tsutomu、Fukumoto Satoshi
  • Journal Title: Journal of Oral Biosciences Volume: 64 Issue: 4 Pages: 400-409
  • DOI: 10.1016/j.job.2022.10.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Molecular mechanism of enamel mineralization regulated by GPR111 and GPR115 (2024)
  • Author(s): 福本 敏
  • Organizer: 第23回日本再生医療学会
  • Invited