牙根發(fā)育啟動相關信號通路的研究進展

張?zhí)諠?綜述;王小競，邢向輝 審校

(第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)學院，陜西西安710032)

在牙齒發(fā)育過程中，當牙冠發(fā)育完成后，成釉器的中間層細胞和星網狀層細胞凋亡，內外釉上皮細胞在頸環(huán)處增生而形成上皮細胞根鞘，從而啟動了牙根的發(fā)育。上皮根鞘位于間充質來源的牙乳頭與牙囊之間，類似‘三明治’結構，是牙根發(fā)育過程中上皮與間充質相互作用的信號中心［1］。本文就近年來關于牙根發(fā)育啟動相關信號通路的研究進展作一綜述。

1 Shh信號通路

Shh(sonic hedgehog)是 Hedgehog(HR)的同源基因。Shh信號通路由Shh糖蛋白配體、跨膜受體Ptch(Patched)、Smo(Smoothened)、核轉錄因子Gli(Glil、Gli2和Gli3)等組成。Shh蛋白是整個通路的啟動因子，通過其跨膜受體Ptc和Smo向鄰近細胞傳遞信號，激活下游轉錄因子Gli，進而激活目的基因 Ptch、Glil、Wnt等發(fā)揮作用。

研究發(fā)現Shh表達于上皮根鞘，參與牙根發(fā)育。Nakatomi等［1－2］通過原位雜交技術觀察了小鼠下頜第一磨牙牙根Shh信號、細胞增殖標記物PCNA(proliferating cell nuclear antigen)和Brdu(5－Bromo－2'－deoxyuridine)的表達情況，發(fā)現小鼠下頜第一磨牙牙根Shh的表達具有一定的周期性:出生后1 d小鼠Shh表達于除根尖和頸環(huán)區(qū)外的內釉上皮，出生后5 d小鼠Shh表達于根尖端內釉上皮，出生后9 d小鼠Shh表達于上皮根鞘，特別是上皮隔;目的基因Ptc1，Gli1表達于上皮根鞘和鄰近間充質;細胞增殖標記物PCNA和Brdu與目的基因Ptc1、Gli1在間充質的表達區(qū)域重疊。此后Mohammed等［3］的研究也得到了相似的結果:出生后10 d小鼠第一磨牙頸緣Shh無表達，而上皮根鞘區(qū)表達陽性;目的基因Ptc1和Gli1表達于上皮根鞘和鄰近間充質。為進一步明確Shh信號在牙根發(fā)育中的作用，Nakatomi等［2］還同時建立了Ptc1蛋白C端異常的小鼠模型，發(fā)現出生后7 d的Ptc1蛋白C端異常小鼠下頜第一磨牙緊鄰上皮根鞘的間充質無Brdu陽性細胞，即鄰近上皮根鞘周圍的細胞增殖受抑制，而正常對照組小鼠則存在Brdu陽性細胞。

Mohammed等［3］研究發(fā)現:Hip1在牙根區(qū)低表達，Gas1上皮根鞘區(qū)無表達。由于Hip1(Hedgehoginteracting protein)能夠與 Hedgehog蛋白結合并抑制 Hedgehog信號，Gas1(Grooth arrest－specific gene)能編碼一種糖基化膜蛋白，拮抗Shh信號，因此，該結果提示Shh信號對于牙根發(fā)育具有重要意義。

Huang XF等［4］也通過建立Smad4信號缺乏的牙根發(fā)育缺陷小鼠模型(K14－Cre;Smadfl/fl小鼠)進行了相關研究，發(fā)現新生野生型小鼠下頜第一磨牙Shh表達于上皮，而新生K14－Cre;Smadfl/fl小鼠Shh表達明顯下降，驗證了K14－Cre;Smadfl/fl小鼠Smad 4信號缺乏。作者又將兩類小鼠的下頜骨移植于腎被膜下，2周后發(fā)現:野生型小鼠下頜第一磨牙Shh表達于上皮根鞘，Gli表達于上皮和間充質，而K14－Cre;Smadfl/fl小鼠磨牙則無 Shh和Gli的表達;若將Shh蛋白顆粒作用于腎被膜下并同時移植K14－Cre;Smadfl/fl小鼠牙胚，則可見正常牙根組織形成，表明 Shh是 TGF－β·BMP信號通路Smad 4的下游分子。

2 TGF－β信號通路

TGF－β(trasforming growth factor－β)超家族由分泌型多肽分子TGF－β、活化素、抑制素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)等構成，參與細胞增殖、凋亡、分化以及細胞外基質的合成和貯存等。Smads(drosophila mothers against decapentaplegic proteins)蛋白家族是TGF－β受體作用的底物，其中共同通路Smad Smad 4是Smads蛋白家族介導的TGF－β信號通路的核心介質。

Huang XF等［4］將建立的Smad 4信號缺乏型牙根發(fā)育缺陷小鼠(K14－Cre;Smadfl/fl)的下頜骨移植于腎被膜下，2周后發(fā)現:上皮根鞘細胞增殖但尚未與牙冠分離，4周后仍無牙根形成，且根部牙本質變異為骨性牙本質。表明Smad 4是牙根發(fā)育啟動的重要分子。

Akihiro H等［5］研究發(fā)現:上皮根鞘和成牙本質細胞表達BMPⅠ型受體、Ⅱ型受體;BMP 4表達于牙乳頭，表明BMP 4參與上皮根鞘和根部成牙本質細胞的形成。在該研究中，作者分別將BMP 4及其拮抗分子Noggin蛋白顆粒分別植入體外培養(yǎng)的出生后5 d小鼠第一磨牙牙胚中，48 h后，發(fā)現BMP 4植入組的上皮根鞘細胞無細胞增殖標記物PCNA的表達，且上皮根鞘也較Noggin植入組的短，推測BMP 4可能通過抑制上皮根鞘的延伸和細胞增殖參與牙根發(fā)育。Maksim VP等［6］通過建立Noggin基因過表達轉基因小鼠模型(K14－Noggin轉基因小鼠)進行研究，發(fā)現由于口腔及牙上皮Noggin基因過表達抑制了BMP信號通路在上皮與間充質間的相互作用，導致下頜磨牙缺失，上頜磨牙上皮根鞘細胞和周圍間充質細胞增殖率低，牙根發(fā)育延遲。K'emoun等［7］研究發(fā)現:小鼠牙根發(fā)育早期BMP 2、BMP 7、BMPⅠ型受體、Ⅱ型受體表達于牙囊和上皮根鞘;間充質祖細胞標記物STRO－1表達于牙囊，且與BMP受體存在共表達區(qū)，推測STRO－1陽性細胞是上皮根鞘BMP信號通路作用的靶細胞。這些證據均表明TGF－β信號通路與上皮根鞘、根部牙本質形成關系密切。

3 Nfic家族

Nfi(nuclear factor I)屬于轉錄復制因子家族，包括Nfia、Nfib、Nfic、Nfix等，其中 Nfic與牙根發(fā)育相關。研究表明Nfic基因缺陷小鼠磨牙牙冠發(fā)育正常，牙根發(fā)育障礙，牙根成牙本質細胞較短且未極化，無前期牙本質，形成骨性牙本質，無明顯的雙層細胞排列的上皮根鞘形成［4，8］。Nfic基因缺陷小鼠切牙唇側牙本質異常，舌側牙本質缺如;成牙本質細胞細胞間連接喪失;胞質緊密粘連蛋白及閉鎖蛋白表達下降，推測Nfic信號與牙根發(fā)育過程中成牙本質細胞間連接的建立有關［9］。

Dong Seol L等［10］研究，發(fā)現野生小鼠切牙牙骨質骨涎蛋白(BSP)表達陽性，而牙本質BSP表達陰性;Nfic基因缺陷小鼠切牙的成牙本質細胞異常，牙本質涎蛋白(DSP)弱陽性，BSP則為強陽性表達。提示TGF－β信號調節(jié)成牙本質細胞的分化，促進細胞外基質的合成。Xe WX等［11］研究也發(fā)現:Nfic基因缺陷小鼠切牙膜受體激活型Smad Smad 2/3、TGF－βⅠ型受體強陽性表達。推測Nfic信號缺失，促進TGF－β的表達，從而下調DSP，上調BSP，導致成牙本質細胞以及牙本質形成異常。Mi Y等［8］采用RNA干擾技術建立了Nfic基因表達下調的成牙本質樣細胞系，并通過DNA微陣列技術發(fā)現:Nfic基因缺陷細胞中由TGF－β誘導的細胞外基質蛋白——TGF－βI蛋白(transforming growth factor beta－induced)表達上調，表明 TGF－βI不是正常牙根發(fā)育所需要的。

另外，有學者將Shh蛋白顆粒作用于腎被膜下，并同時移植Nfic基因缺陷小鼠下頜骨，無正常牙根組織形成;當同時移植Smad基因缺陷小鼠下頜骨時，即能觀察到Nfic、DSPP生成，表明Nfic是Shh的下游分子，Shh誘導 Nfic、DSPP的表達［4］。這些證據均表明Nfic是牙根發(fā)育所必須的，尤其是根部牙本質的形成，但不參與牙冠形成。

4 成纖維細胞生長因子家族

成纖維細胞生長因子家族Fgfs(Fibroblast growth factors)是一類由24個成員組成的蛋白質家族，在不同的組織上通過與受體結合來啟動復雜的細胞內信號轉導途徑，調節(jié)細胞的增殖和分化。成纖維細胞生長因子在牙根發(fā)育時的上皮與間充質相互作用中發(fā)揮著重要作用。有研究發(fā)現:小鼠切牙間充質細胞FGF 10持續(xù)表達，形成頸環(huán)干細胞龕，使小鼠切牙可以終生不斷生長，無類似磨牙的牙根形成［12－13］。Tamaki［12］等研究發(fā)現:FGF 10 基因缺陷小鼠切牙無根尖蕾形成，唇側生長受限;FGF 10基因過表達小鼠磨牙牙胚根尖蕾形成而上皮根鞘形成受抑制，推測間充質FGF 10信號消失可促進上皮根鞘的形成，啟動牙根發(fā)育。

5 Notch信號通路

Notch信號轉導通路介導細胞與細胞間的局部信號傳遞和相應的信號級聯反應，參與大量的組織和器官的早期發(fā)育。SEL1L(suppressor of lin－12－like)是 LNI－12·Notch 信號系統(tǒng)的關鍵抑制因子。Notch 1在小鼠磨牙頸部無表達［15］，Notch信號的負調節(jié)因子SEL1L在小鼠磨牙上皮根鞘強陽性表達，切牙頸環(huán)細胞則無表達［16］。推測磨牙Notch信號負調節(jié)因子SEL1L的表達有助于牙冠發(fā)育模式向牙根發(fā)育模式的轉變［17］。

切牙上皮Notch 1信號和間充質FGF 10信號均有助于頸環(huán)干細胞龕的維持，促進小鼠切牙終生持續(xù)生長［12－14］。DAPT{N －［N － (3，5－Difluorop henacetyl－L－alanyl)］－S－phenylglycine t－butyl ester}是一種γ分泌酶復合物抑制劑，常作為Notch信號通路的抑制劑。Szabolcs等［18］通過體外培養(yǎng)切牙牙胚發(fā)現:DAPT抑制Notch信號目的基因Hes1表達，導致上皮干細胞大量凋亡，而體內切牙牙胚干細胞也存在一定的凋亡，推測細胞凋亡是維持干細胞龕的可能機制。

牙根發(fā)育啟動的分子機制尚有待于進一步研究，可對牙根發(fā)育不良疾病(hypoplasia of teeth root，HTR)的致病機制，組織工程牙根的培養(yǎng)等提供一定的理論支持。

［1］Huang XF，Pablo BJ，Harold C.Fate of HERS during tooth root development［J］.Dev Biol，2009，334(1):22 － 30.

［2］Nakatomi M，Morita I，Eto K，et al.Sonic hedgehog signaling is important in tooth root development［J］.J Dent Res，2006，85(5):427－431.

［3］Mohammed K，Maisa S，Maria ZC，et al.Hedgehog pathway gene expression during early development of the molar tooth root in the mouse［J］.Gene Expr Patterns，2007，7(3):239 －243.

［4］Huang XF，Xu X，Pablo BJ，et al.Smad4－shh－nfic signaling cascade－mediated epithelial－mesenchymal interaction is crucial in regulating tooth root development［J］.J Bone Miner Res，2010，25(5):1167 －1178.

［5］Hosoya A，Kim JY ，Cho SW，et al.BMP4 signaling regulates formation of Hertwig’s epithelial root sheath during tooth root development［J］.Cell Tissue Res，2008，333(3):503 － 509.

［6］Plikus MV，David MZ，Mayer JA，et al.Morphoregulation of teeth:modulating the number，size，shape and differentiation by tuning bmp activity［J］.Evol Dev，2005，7(5):440 －457.

［7］Kémoun P，Laurencin－Dalicieux SL，Rue J，et al.Localization of STRO－1，BMP－2/－3/－7，BMP receptors and phosphorylated Smad－1 during the formation of mouse periodontium［J］.Tissue Cell，2007，39(4):257 －266.

［8］Kim MY，Reyna J，Chen LS，et al.Role of the transcription factor NFIC in odontoblast gene expression［J］.J Calif Dent Ass，2009，37(12):875 －881.

［9］Lee TY，Lee DS，Kim HM，et al.Disruption of Nfic causes dis-sociation of odontoblasts by interfering with the formation of intercellular junctions and aberrant odontoblast differentiation［J］.J Histochem Cytochem，2009，57(5):469－476.

［10］Lee DS，Park JT，Kim HM，et al.Nuclear Factor I－C is essential for odontogenic cell proliferation and odontoblast differentiation during tooth root development［J］.J Biol Chem，2009，284(25):17293－17303.

［11］He WX，Niu ZY，Zhao SL，et al.TGF－β activated Smad signalling leads to a Smad3－mediated down－regulation of DSPP in an odontoblast cell line［J］.Arch Oral Bio，2004，49(11):911－918.

［12］Tamaki YT，Ohshima H，Fujiwara N，et al.Cessation of Fgf10 signaling resulting in a defective dental epithelial stem cell compartment，leads to the transition from crown to root formation［J］.Deve ，2006，133(7):1359 －1366.

［13］Hidemistu H，Hayato O.New perspectives on tooth development and the dental stem niche［J］.Arch Histol Cytol，2004，67(1):1－11.

［14］Tummers M，Yamashiro T，Thesleff I.Modulation of epithelial cell fate of the root in vitro ［J］.J Dent Res，2007，86(11):1063－1067.

［15］Tummers M，Thesleff I.Root or crown:a developmental choice orchestrated by the differential regulation of the epithelial stem cell niche in the tooth of two rodent species［J］.Deve Res，2003，130(3):1049 －1057.

［16］Xing XH，Deng ZH，Yang FS.Determination of genes involved in the early process of molar root development initiation in rat by modified subtractive hybridization［J］.Biochem Biophys Res Commun，2007，363(4):994 －1000.

［17］Xing XH，Yu SH，Wang XJ，et al.Negative regulating factors of notch signaling may be a key factor for the teeth root formation［J］.Biosci Hypoth，2009，2(3):151 －152.

［18］Szabolcs F，Marika S，Irma T，et al.Notch signaling is required for the survival of epithelial stem cells in the continuously growing mouse incisor［J］.Differentiation，2010，80(4 － 5):241 －248.