轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在牙齒發(fā)育中作用的研究現(xiàn)狀

張 俊

清華大學(xué)醫(yī)院，北京 100084

牙齒的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，通過(guò)細(xì)胞的增殖、遷移、分化、蛋白的合成、分解和胞外基質(zhì)的礦化等的精確控制得以實(shí)現(xiàn)。在牙齒發(fā)育的每個(gè)時(shí)期，基因和蛋白表達(dá)的一系列精密串聯(lián)支配著細(xì)胞正確的定位和分化。過(guò)去的很多研究從分子學(xué)和細(xì)胞學(xué)機(jī)制闡述了牙齒的發(fā)育。本文以轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β (transforming growth factor－β，TGF－β)及其受體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路為重點(diǎn)，對(duì)牙齒發(fā)育的機(jī)制作一綜述。

1 牙齒發(fā)育的組織學(xué)

牙的發(fā)育是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，包括細(xì)胞與細(xì)胞、上皮與間充質(zhì)的相互作用，細(xì)胞分化，形態(tài)發(fā)生，組織礦化和牙萌出。牙的發(fā)育源于口咽部的上皮和下方神經(jīng)嵴間充質(zhì)細(xì)胞，發(fā)育過(guò)程與皮膚的附屬器官毛發(fā)、鱗屑相似［1］。

牙胚發(fā)育首先開(kāi)始于口腔上皮的增生形成狀如花蕾的上皮芽，而上皮下方和周?chē)耐馀呷~間葉細(xì)胞增生，密集包繞上皮芽。此后，上皮芽繼續(xù)向外胚間葉中生長(zhǎng)，體積逐漸增大，形成帽狀成釉器、鐘狀成釉器，并最終形成牙冠。而周?chē)拈g充質(zhì)牙乳頭細(xì)胞逐漸分化形成牙髓和牙本質(zhì)，牙乳頭是決定牙形狀的重要因素，還可以誘導(dǎo)非牙源性的口腔上皮形成成釉器。在鐘狀期，內(nèi)釉細(xì)胞誘導(dǎo)靠近基底膜的牙乳頭細(xì)胞分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而分泌形成牙本質(zhì)基質(zhì)。同時(shí)，成牙本質(zhì)細(xì)胞又反作用于成釉細(xì)胞，維持其細(xì)胞表型，促使其形成牙釉質(zhì)。鐘狀末期成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化是牙齒所特有的，它們?cè)谏掀ぃg充質(zhì)的相互作用下發(fā)生并受調(diào)節(jié)［2－3］，外胚間葉組織呈環(huán)狀排列，環(huán)繞成釉器和牙乳頭底部，為牙囊，形成以后的牙骨質(zhì)、牙周膜和固有牙槽骨。

2 TGF－β信號(hào)通路

2.1 TGF－β及其受體

生長(zhǎng)因子是由多種組織細(xì)胞產(chǎn)生，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的一類(lèi)小分子多肽。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β是TGF－β細(xì)胞因子超家族的成員，可調(diào)節(jié)多種靶基因的表達(dá)，在胚胎生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞分化、增殖及凋亡的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)參與細(xì)胞外基質(zhì)的分泌和發(fā)育分化等多種生理過(guò)程。TGF－β的活性結(jié)構(gòu)為25kD二聚體，由兩條相同多肽鏈 (112個(gè)氨基酸)經(jīng)二硫鏈相連，TGF－β有5種異構(gòu)體形式，體內(nèi)只有 TGF－β1、TGF－β2、TGF－β3三種。

在人的細(xì)胞表面存在三種TGF－β受體，即I型、II型、III型受體。I型、11型受體都是單次跨膜的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶受體，胞膜外區(qū)較短，富含半胱氨酸，胞漿區(qū)較長(zhǎng)，含有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的活性。與II型受體相比，I型受體的胞外區(qū)和胞漿區(qū)均較短，在I型受體的胞漿區(qū)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域N端與細(xì)胞膜之間，存在一個(gè)富含絲氨酸和甘氨酸的結(jié)構(gòu)域，稱(chēng)為GS結(jié)構(gòu)域。GS結(jié)構(gòu)域中有一段保守的SGSGSGLP基序，GS結(jié)構(gòu)域?yàn)镮型受體所特有。III型受體不參與TGF － β 的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［4－5］。

2.2 TGF－β受體活化方式

TGF－β與受體結(jié)合，使受體活化。首先，TGF－β與細(xì)胞膜表面的II型受體結(jié)合，形成二元復(fù)合物。I型受體不能單獨(dú)與TGF－β自由結(jié)合，它是在TGF－β與II型受體結(jié)合后，識(shí)別二元復(fù)合物，并與之結(jié)合形成三元復(fù)合物。在此過(guò)程中，II型受體胞漿區(qū)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域?qū)型受體胞漿區(qū)GS結(jié)構(gòu)域的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，使I型受體活化。活化的I型受體再進(jìn)一步作用于細(xì)胞內(nèi)的下游分子，將TGF－β的信號(hào)向細(xì)胞內(nèi)傳遞。I型和II型受體在TGF－β的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中都是必不可少的，單獨(dú)表達(dá)I型或II型受體的細(xì)胞會(huì)對(duì)TGF－β失去反應(yīng)［6，7］。在I型、II型受體都高表達(dá)的情況下，二者的胞漿區(qū)會(huì)形成異源二聚體，并引起非配體依賴(lài)的TGF－β樣生物學(xué)作用［8］。

2.3 TGF－β的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

TGF－β的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及其對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控方式，在Smads家族發(fā)現(xiàn)后，得到了深入地研究。Smad蛋白家族主要分為三個(gè)亞族:途徑限制型Smads(Pathwayretricted Smads，R－Smad)，共同中介型Smads(Common－mediator Smads，C－Smad)，抑制型 Smads(Inhibitory Smads，I－Smads)。Smads的N端和C端含有保守的氨基酸序列分別稱(chēng)為MH1和MH2結(jié)構(gòu)域，之間含有富含脯氨酸的連接區(qū)。R－Smad包括 Smad1、2、3、5、8、9，它們分別在某種TGF－β超家族細(xì)胞因子的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起作用，如Smadl、Smads5和Smad9是BMPs的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，而Smad2和Smad3是TGF－β的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。它們的C端含有一個(gè)特征性的富含絲氨酸基序列(SSXS motif，Ser－Ser－X －Ser)，可被 TβRⅠ磷酸化。ISmads、C－Smads無(wú)此序列。MH1能與DNA直接結(jié)合，而MH2主要與DNA結(jié)合蛋白和輔助因子結(jié)合，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。生理?xiàng)l件下MH1與MH2域能相互抑制，MH1能抑制MH2的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性，而MH2能抑制MH1與DNA結(jié)合的能力。SSXS區(qū)被TβRⅠ磷酸化后可解除MH1、MH2的相互抑制作用。以TGF－βI型受體TβRⅠ－Smads信號(hào)途徑為例，TGF－β1結(jié)合并激活TβRII，后者活化 TβRI，進(jìn)而磷酸化R－Smads，使Smad2或/和Smad3由非活性從而獲得活性。磷酸化的 Smad2或/和 Smad3連同 C－Smad，Smad4形成異聚體，進(jìn)入細(xì)胞核，參與調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。ISmads成員Smad6和Smad7對(duì)TGFβ1信號(hào)傳遞起負(fù)調(diào)控作用。

除了Smads途徑外，TGFβ1還可激活一系列其它信號(hào)分子［9］，如蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)、酪氨酸激酶Ⅱ和MAPKs(包括ERK1/2，p38和JNK)等，介導(dǎo)不同的生物學(xué)作用。

3 TGF－β及其信號(hào)通路在牙齒發(fā)育中的作用

對(duì)于TGF－β及其受體在牙齒發(fā)育各個(gè)時(shí)期的表達(dá)研究較早，Vaahtokari等在1991年就提出TGF－β1、2、3存在于牙齒中，并與牙齒的形態(tài)發(fā)生有關(guān)。TGF－β及其受體參與了牙胚的發(fā)生、發(fā)展和成熟過(guò)程，并且隨著成釉器和成牙本質(zhì)細(xì)胞的功能分化表達(dá)逐漸增強(qiáng)。許多研究證實(shí)，TGF－β在上皮－間充質(zhì)相互作用過(guò)程中起重要的作用，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)、核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞粘附因子等的表達(dá)，參與調(diào)控牙胚發(fā)育和細(xì)胞分化。國(guó)外一項(xiàng)研究通過(guò)原位雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鐘狀期內(nèi)釉上皮、成熟的成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞表達(dá)TGF－β。另一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)在鐘狀期牙胚的星網(wǎng)狀層、牙乳頭細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞表達(dá)TGF－β。

TGF－β信號(hào)通路在牙齒發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用。一些研究中發(fā)現(xiàn)在TGF－β作用下，Smad2和Smad3與共用中介分子Smad4結(jié)合入核內(nèi)后，可與Jun家族成員形成的轉(zhuǎn)錄因子AP－1結(jié)合，調(diào)控目的基因表達(dá)。而Jun家族成員僅在牙乳頭的成牙本質(zhì)細(xì)胞表達(dá)，未在牙乳頭細(xì)胞表達(dá)，其余成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化和牙本質(zhì)的形成有關(guān)。由此，Smad2和Smad3能特異地轉(zhuǎn)錄TGF－β的信號(hào)，并可能參與調(diào)控牙胚發(fā)育和成牙本質(zhì)細(xì)胞的終末分化。國(guó)內(nèi)第四軍醫(yī)大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，在牙齒蕾狀期牙板和成釉器細(xì)胞中Smad2和Smad3表達(dá)，周?chē)g質(zhì)細(xì)胞表達(dá)較少，與TGF－β在蕾狀期牙胚的分布相同，提示牙胚發(fā)育早期Smad2和Smad3參與TGF－β信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程，以促進(jìn)上皮－間充質(zhì)之間的相互誘導(dǎo)作用。2001年何文喜等在人牙胚發(fā)育各期的標(biāo)本中首次觀察到Smad4信號(hào)分子在人牙胚發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)在各期存在特異的時(shí)空分布模式，且與TGF－β等細(xì)胞因子的表達(dá)有相似，與其作為T(mén)GF－β超家族成員細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子的功能是相一致的。在牙胚發(fā)育早期，Smad4可能參與上皮－間充質(zhì)相互作用的信號(hào)誘導(dǎo);在成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞分化中，Smad4表達(dá)增強(qiáng)，至分化成熟以及牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)形成表達(dá)最強(qiáng)，表明其可能參與成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化，以及牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的形成。

綜上所述，TGF－β在牙齒發(fā)育的各個(gè)階段均有表達(dá)，其信號(hào)傳導(dǎo)分子在口腔發(fā)育的不同時(shí)期也有不同的表達(dá)，但其在牙齒發(fā)育的階段中信號(hào)傳導(dǎo)至核內(nèi)后又啟動(dòng)哪些轉(zhuǎn)錄因子，作用于何種靶基因，以及在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的作用機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。

［1］ Thesleff，I．，Vaahtokari，A．a(chǎn)nd Partanen，A．M．(1995)Regulation of organogenesis．Common molecular mechanisms regulating the development of teeth and other organs．Int．J．Dev．Biol．39，35 – 50．

［2］Ruch，J．V．，Lesot，H．Begue － Kirn，C．Odontoblast differentiation．Int．J．Dev．Biol．1995，39，51–68．

［3］ Derynck R．TGF － β －receptor－mediated signaling．TIBS，1994，19(12):548

［4］ Massague J，Attisano L，Wrana JL．The TGF－β family and its composite receptor．Trends Cell Biol，1996，4:172．

［5］ Wang L，Zhu Y，Sharma K．Transforming growth factor－β1 stimulates protein kinase A in mesangial cells．J Biol Chem，1998，273(14):522－527．

［6］張瑩，張郁，金巖．轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β受體在牙胚發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)和意義［J］．牙體牙髓牙周病學(xué)雜志，1999，3(9):11－13．

［7］ Thesleff I，Vaahtokari A，KettunenP，et al．Epithelial mesenchymal signaling during tooth development．Connect tissue res，1995，32:9．

［8］包柳郁，牛忠英等．人牙髓細(xì)胞內(nèi)Smad2、3在TGF－β1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中作用的研究［J］．西安:第四軍醫(yī)大學(xué)，2006．

［9］何文喜，牛忠英，趙守亮．Smad4在人牙胚發(fā)育各期的表達(dá)與分布［J］．北京口腔醫(yī)學(xué)，2001，9(1):1－4．