In many normal and pathologic calcified tissues, osteopontin (OPN) is a prominent protein intimately associated with biominerals. This work aims to elucidate how OPN regulates crystal growth in two biosystems: calcitic avian eggshell during growth and resorption, and in vitro calcium oxalate dihydrate (COD) growth related to pathologic urolithiasis (kidney stones). / To understand how OPN and other proteins participate in calcite growth and organization in avian eggshell, ultrastructural matrix-mineral relationships of unfertilized, unincubated chicken eggshell were examined using scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM). OPN was localized in situ in eggshell with high resolution colloidal-gold immunolabeling, and the effects of this protein on calcite growth were assessed in vitro. The detailed ultrastructures described here reconcile, for the first time, how an extensive organic matrix coexists with the calcitic mineral phase in eggshell. OPN preferentially binds to the {104} crystallographic face and subsequently occludes into the mineral, and thus directs calcite orientation by influencing crystal growth and morphology in eggshell. Moreover, OPN accumulates at interfacial boundaries between various eggshell compartments, maintaining the structure of eggshell compartments and the patency of eggshell pores by inhibition of mineralization at these interfaces. / Once constructed, the eggshell can serve as a calcium source for skeletal mineralization in the growing embryonic chick. Ultrastructural changes within the eggshell mammillae during shell resorption by chick embryo were examined systematically by SEM. The results suggest that the extensive mineral-occluded matrix network in mammillae may regulate dissolution of shell mineral by providing channels facilitating calcium release. / To investigate OPN related to COD formation common in urolithiasis, the effects of full-length OPN, and a poly-aspartic acid-rich peptide of OPN (DDLDDDDD, poly-Asp86-93), were examined in COD crystal growth studies. By combining SEM, light and confocal microscopy using fluorescently tagged poly-Asp86-93, together with computational modeling, it was observed that OPN and poly-Asp86-93 similarly inhibit (and thus enhance) the {110} faces of COD, and that the peptide is occluded into the COD crystals - this identifies an important motif involved in OPN binding to COD. / Collectively, these data provide new insights into how OPN and its peptides (and likely other proteins) bind to, and are occluded within, various biominerals to regulate crystal growth, and in some cases, to facilitate mineral dissolution. / Dans beaucoup de tissus calcifiés normaux et pathologiques, l'ostéopontine est une protéine de premier plan qui est intimement associée aux biominéraux. Cette étude vise à déterminer comment l'ostéopontine controlle la croissance cristalline dans deux biosystèmes : la calcite de coquilles d'oeuf aviaire durant sa croissance et sa résorption, et la formation in vitro d'oxalate de calcium dihydraté associé à l'urolithiase (calculs rénaux) pathologique. / Pour comprendre comment l'ostéopontine et d'autres protéines participent à la croissance et à l'organisation de la calcite dans la coquille d'oeuf aviaire, on a étudié, à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) et d'un microscope électronique à transmission (MET), les relations ultrastructuralles entre les matrices organique et minérale de coquilles d'oeuf de poule non fertilisé et non incubé. L'ostéopontine a été localisée in situ dans la coquille d'oeuf par immunomarquage à haute résolution à l'aide d'or colloïdal et les effets de cette protéine sur la croissance de la calcite ont été évalués in vitro. / Les ultrastructures détaillées décrites ici montrent pour la première fois la coexistence d'une matrice organique étendue et de la phase calcitique minérale dans la coquille d'oeuf. L'ostéopontine se lie de préférence à la face cristallographique {104}, pour ensuite s'occlure dans le minéral et diriger ainsi l'orientation des cristaux de calcite en influençant la croissance et la morphologie cristalline dans la coquille d'oeuf. Qui plus est, l'ostéopontine s'accumule au niveau des joints interfaciaux entre les différents compartiments de la coquille d'oeuf, maintenant la structure de ces compartiments et la perméabilité des pores de la coquille en inhibant la minéralisation sur ces joints interfaciaux. / Une fois construite, la coquille d'oeuf peut servir de source de calcium pour la minéralisation du squelette de l'embryon lors de son développement. Les changements ultrastructuraux dans les mamelons qui se forment sur la coquille lors de sa résorption par l'embryon ont été systématiquement examinés au microscope électronique à balayage. Les résultats permettent de penser que l'important réseau matriciel minéral occlus présent dans ces mamelons pourrait réguler la dissolution des minéraux de la coquille en fournissant des voies favorisant la libération du calcium. / Pour étudier l'ostéopontine associée à la formation d'oxalate de calcium dihydraté lors de l'urolithiase, on s'est penché sur les effets de l'ostéopontine pleine longueur et d'un peptide d'ostéopontine riche en acide polyaspartique (DDLDDDDD, poly-Asp86-93) dans des études de la croissance de cristaux d'oxalate de calcium dihydraté. En combinant la microscopie électronique à balayage, la microscopie optique et la microscopie confocale utilisant du poly-Asp86-93 marqué par fluorescence, ainsi que la modélisation assistée par ordinateur, on a observé que l'ostéopontine et le poly-Asp86-93 inhibent de façon similaire (et donc renforcent) les faces {110} de l'oxalate de calcium dihydraté et que le peptide est occlus dans les cristaux de ce dernier - ce qui identifie un important motif impliqué dans la liaison de l'ostéopontine à l'oxalate de calcium dihydraté. / Collectivement, ces résultats donnent un nouvel aperçu de la façon dont se lient l'ostéopontine et ses peptides (de même que d'autres protéines, probablement) et leur occlusion au sein divers biominéraux afin de réguler la croissance cristalline et, dans certains cas, de faciliter la dissolution minérale.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.86659 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Chien, Yung-Ching |
| Contributors | Hojatollah Vali (Supervisor2), Marc D McKee (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Faculty of Dentistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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