成牙本質(zhì)細(xì)胞分化信號通路研究進(jìn)展

田子璐，劉藝萍，王 玨，朱 松，孫宏晨，倪世磊

成牙本質(zhì)細(xì)胞是由牙髓干細(xì)胞分化而來的終末分化細(xì)胞，是形成牙體組織的主要細(xì)胞之一。目前普遍認(rèn)為，信號分子與牙髓干細(xì)胞受體結(jié)合后將信息傳導(dǎo)入細(xì)胞核，引發(fā) DNA轉(zhuǎn)錄以及相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)，最終在多信號通路共同作用下完成成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。本文依據(jù)近年來研究成果歸納了Smad、MAPK、Wnt、Notch等影響成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的信號通路[1]。

1 Smad信號通路

Smad信號通路是影響成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的重要信號通路之一，轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)等多種信號分子作用于該通路繼而影響成牙本質(zhì)細(xì)胞分化[2-3],見圖1。按照各自的結(jié)構(gòu)及功能，Smad蛋白(Smad1～Smad9)被分為受體調(diào)節(jié)型Smads(R-Smad)、共同中介型Smads(C-Smad)、抑制型Smads(I-Smad)。R-Smad包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8、Smad9；I-Smad包括Smad6、Smad7；目前發(fā)現(xiàn)的C-Smad只有Smad4[4]。R-Smad中，Smad2、Smad3參與TGF-β信號傳導(dǎo)；Smad1、Smad5、Smad8參與BMP信號傳導(dǎo)。R-Smad被TGF -β或BMP受體激活發(fā)生磷酸化，磷酸化R-Smad與C-Smad形成異源寡聚物，該寡聚物可與DNA結(jié)合蛋白或DNA序列結(jié)合進(jìn)而調(diào)控目的基因的表達(dá)；I-Smad與R-Smad存在競爭關(guān)系，通過抑制R-Smad磷酸化可抑制Smad信號通路[5]。Smad4是目前發(fā)現(xiàn)的唯一C-Smad，在胚胎發(fā)育過程中的口腔上皮細(xì)胞和間充質(zhì)均有表達(dá)，因此Smad4是信號傳遞的關(guān)鍵中介物。但磷酸化的Smad1、Smad5、Smad8能夠在細(xì)胞中累積，獨(dú)立于Smad4傳導(dǎo)BMP信號，因此敲除Smad4基因后成牙本質(zhì)細(xì)胞分化和牙本質(zhì)形成過程中并未出現(xiàn)明顯異常[6-8]。

1.1 TGF-β引導(dǎo)Smad信號通路對成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的影響

TGF-β在哺乳動物中的亞型包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，是誘導(dǎo)上皮細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞增殖、分化、凋亡的信號分子[9]。成牙本質(zhì)細(xì)胞表面分布有大量的TGF-βⅠ、Ⅱ型受體。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)牙髓受刺激后，新形成的成牙本質(zhì)樣細(xì)胞表面TGF-βⅠ型受體、Smad2以及Smad3活性明顯高于一般成牙本質(zhì)細(xì)胞[5]；敲除TGF-β Ⅱ型受體基因的大鼠牙本質(zhì)明顯變薄并伴有基質(zhì)分泌減少以及細(xì)胞極化消失的情況出現(xiàn)[10]。以上均從受體角度驗(yàn)證了TGF-β是一類能夠促進(jìn)牙髓細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的生物因子，當(dāng)TGF-β與TGF-β Ⅱ型受體結(jié)合后可使TGF-βⅠ型受體磷酸化，之后激活Smad2、Smad3基因表達(dá)[3,11]。

圖1 TGF-β/BMP引導(dǎo)Smad信號通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

TGF-β各亞型中，TGF-β1、TGF-β3在成牙本質(zhì)細(xì)胞內(nèi)表達(dá)水平較高。在體外實(shí)驗(yàn)中，二者均能夠刺激牙髓干細(xì)胞有絲分裂、誘導(dǎo)其向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。利用TGF-β3與肝素聯(lián)合誘導(dǎo)人牙髓干細(xì)胞生長以及成牙本質(zhì)細(xì)胞樣分化能夠取得良好的效果[12]。然而在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，敲除TGF-β1基因小鼠牙本質(zhì)礦化程度明顯降低、與牙本質(zhì)形成相關(guān)的牙本質(zhì)涎蛋白(dentin sialophosphoprotein,DSPP)表達(dá)明顯降低，表現(xiàn)出牙本質(zhì)發(fā)育不良、缺陷等情況[9]；在出生后4 d的小鼠的成牙本質(zhì)細(xì)胞層中TGF-β3便呈強(qiáng)陽性表達(dá)，之后逐漸減弱。以上均證明TGF-β1、TGF-β3在成牙本質(zhì)細(xì)胞分化中起到重要作用[12]。對于TGF-β2而言，研究發(fā)現(xiàn)牙胚發(fā)育過程中TGF-β2 mRNA的分布具有時空特異性，可通過上皮-間充質(zhì)影響成牙本質(zhì)細(xì)胞分化、誘導(dǎo)DSPP的表達(dá)[9,13]。

1.2 BMP引導(dǎo)的Smad信號通路對成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的影響

BMP家族引導(dǎo)的Smad信號通路是一種高度保守的信號通路，已有研究證實(shí)BMP家族在誘導(dǎo)胚層發(fā)育、骨組織形成等方面發(fā)揮重要作用，其中的BMP2、 BMP4、BMP7等參與調(diào)控牙體組織發(fā)育，牙體早期形態(tài)學(xué)發(fā)生、細(xì)胞分化以及牙齒萌出等一系列生物學(xué)行為。

敲除小鼠成牙本質(zhì)細(xì)胞BMP2基因后，其內(nèi)DSPP、牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白-1以及基質(zhì)金屬蛋白酶-9等表達(dá)明顯減少;與此相同的是，當(dāng)在人牙髓干細(xì)胞培養(yǎng)基中加入BMP2/Smad信號通路抑制劑后，標(biāo)志成牙本質(zhì)細(xì)胞早期分化標(biāo)志的堿性磷酸酶含量明顯降低。然而BMP4轉(zhuǎn)染入小鼠誘導(dǎo)多能干細(xì)胞或人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中后可成功誘導(dǎo)其分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞；轉(zhuǎn)染了2型腺病毒相關(guān)病毒介導(dǎo)BMP7或腺病毒介導(dǎo)的BMP-7的牙髓干細(xì)胞其堿性磷酸酶活性、DSPP表達(dá)水平均明顯升高。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明BMP有利于牙髓干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化[14-18]。

同TGF-β相似，成牙本質(zhì)細(xì)胞表面存在兩類BMP受體(BMP recepter,BMPR)，即Ⅰ型受體和Ⅱ型受體。Ⅰ型受體包括活化蛋白A受體1(activin A receptor 1,ActR 1)、BMP受體1A型(BMPR 1A)、BMP受體1B型(BMPR 1B); Ⅱ型受體包括BMPRⅡ、ActR 2A、ActR 2B。BMP與Ⅱ型受體結(jié)合后激活Ⅰ型受體，Ⅰ型受體磷酸化Smad1、Smad5、Smad8蛋白激活Smad信號通路。研究表明BMPR1A 基因敲除會導(dǎo)致牙體發(fā)育停滯；BMPRⅡ數(shù)量隨成牙本質(zhì)細(xì)胞的成熟而增多，從受體角度證實(shí)BMP與成牙本質(zhì)細(xì)胞分化有密切聯(lián)系[3]。

BMP家族通過Smad信號通路來調(diào)節(jié)成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，BMP2含量與Smad1、Smad5活性成時間依賴性、劑量依賴性，在體外培養(yǎng)的牙髓干細(xì)胞中加入BMP2后Smad1、Smad5磷酸化水平明顯提高；而加入BMP2抑制劑后結(jié)果相反[4]；Huang等驗(yàn)證了轉(zhuǎn)染了BMP4基因的細(xì)胞較其他細(xì)胞Smad1、Smad5磷酸化水平更高[19]；Hertwig上皮根鞘中，BMP7含量增加時，Smad1、Smad5、Smad8磷酸化水平明顯提高，以上結(jié)果證實(shí)Smad1、Smad5、Smad8為BMP家族下游信號分子，能夠影響成牙本質(zhì)細(xì)胞分化[3]。

2 MAPK信號通路

絲裂原激活蛋白酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)參與調(diào)控細(xì)胞增殖、分化以及信號傳導(dǎo)等生理病理過程，代表的MAPK信號通路有ERK(extracellular-signal regulated kinase)信號通路、JNK(c-Junamino-terminal kinase)信號通路、p38 MAPK信號通路，各信號通路對成牙本質(zhì)細(xì)胞分化都起調(diào)控作用[20]。

體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，p38 MAPK磷酸化水平與BMP2呈劑量相關(guān)性，p38 MAPK信號通路抑制劑可明顯抑制BMP2誘導(dǎo)的成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。證明除Smad信號通路外，BMP2也可激活p38 MAPK信號通路以調(diào)節(jié)成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。被激活的p38 MAPK信號通路可磷酸化特定的轉(zhuǎn)錄因子，增強(qiáng)其反激活能力，影響相關(guān)的基因表達(dá)[21]。

根尖乳頭干細(xì)胞具有分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞的潛能，在機(jī)械應(yīng)力的刺激下，ERK信號通路被激活，促進(jìn)根尖乳頭干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化；而當(dāng)ERK信號通路被抑制時，BMP9引導(dǎo)根尖乳頭干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化能力明顯下降，以上實(shí)驗(yàn)證明激活ERK信號通路有利于根尖乳頭干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化[22-23]。

JNK信號通路與其他MAPK通路共同調(diào)控成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。當(dāng)JNK信號通路被抑制后，由BMP2、 Wnt6誘導(dǎo)的成牙本質(zhì)細(xì)胞遷移和分化受到抑制[24-25]。因此，抑制JNK信號通路不利于成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。

3 Wnt信號通路

目前已證實(shí)Wnt信號通路在調(diào)控生長發(fā)育、疾病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。根據(jù)信號通路中是否有β-連環(huán)蛋白(β-catenin)的參與，Wnt信號通路分為經(jīng)典和非經(jīng)典 Wnts 蛋白信號通路。

經(jīng)典Wnt信號通路在牙髓干細(xì)胞的增殖、分化等過程中可被激活發(fā)揮作用。由Wnt3a、 BMP9誘導(dǎo)根尖乳頭干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化過程中，敲除β-catenin基因會導(dǎo)致堿性磷酸酶表達(dá)下降，抑制成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。因此β-catenin信號通路的正常表達(dá)對BMP9以及Wnt 3a誘導(dǎo)的成骨/成牙本質(zhì)過程中有重要意義。相反在非經(jīng)典信號通路中，過表達(dá)的Wnt 5a可提高堿性磷酸酶、牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白-1、DSPP的表達(dá)，加快根尖乳頭干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化[26-28]。

Wntless是一種調(diào)節(jié)Wnt蛋白分泌重要的伴侶蛋白。實(shí)驗(yàn)敲除將要極化的成牙本質(zhì)細(xì)胞Wntless基因后，該細(xì)胞形態(tài)改變，形成的牙本質(zhì)變薄，牙體組織明顯缺陷。同時成牙本質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Wnt 10a、Wnt 2以及與Wnt通路有關(guān)的Axin2和β-catenin蛋白的表達(dá)都明顯下降，證實(shí)Wntless對成牙本質(zhì)細(xì)胞分化起到間接影響[29]。

4 Notch信號通路

Notch信號通路包括三部分：Notch受體、Notch配體、DNA結(jié)合蛋白。Notch受體包括4類Ⅰ型跨膜蛋白——Notch 1、Notch 2、 Notch 3、Notch 4 。當(dāng)Notch 受體與兩類特異性配體——DLL型配體(Delta-like1, Delta-like3、Delta-ike4) 或者JAG型配體(Jagged1, Jagged2)結(jié)合后激活細(xì)胞酶促反應(yīng)，切割Notch蛋白，釋放Notch蛋白胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，而后該結(jié)構(gòu)域進(jìn)入細(xì)胞核與相應(yīng)DNA結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，激活Hes、Hey等相關(guān)靶基因完成信號傳導(dǎo)[30]。

研究發(fā)現(xiàn)，DLL型配體與JAG型配體對牙髓干細(xì)胞分化發(fā)揮相反的作用：DLL型配體與Notch受體結(jié)合可促進(jìn)牙髓干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化；而JAG型配體過度表達(dá)會明顯抑制牙髓干細(xì)胞的分化。兩類配體發(fā)揮相互拮抗作用，使細(xì)胞分化過程在信號調(diào)控下達(dá)到平衡狀態(tài)[31]。

雖然在健康牙髓細(xì)胞中Notch 2表達(dá)微弱，但受到外界刺激后的早期前成牙本質(zhì)細(xì)胞中Notch 2表達(dá)上調(diào)，接著在間充質(zhì)細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)均增加。隨著修復(fù)的完成，Notch 2在各類細(xì)胞中表達(dá)信號逐漸減弱，表明Notch 2參與了牙體修復(fù)過程中的成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的信號傳導(dǎo)[32]。在脂多糖作用的小鼠成牙本質(zhì)樣細(xì)胞中Notch 1、Notch 2表達(dá)先增后降； Delta-like1表達(dá)先降后增；Jagged1表達(dá)逐漸降低，這表明除Notch 2外，Notch 1也參與前期成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的信號傳導(dǎo)，促進(jìn)成牙本質(zhì)樣細(xì)胞分化[31]。而Notch 3在前成牙本質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)明顯，當(dāng)分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞后表達(dá)消失，因此研究認(rèn)為Notch 3能夠使細(xì)胞處于未分化狀態(tài)，當(dāng)細(xì)胞分化后Notch 3不再表達(dá)[33]。

5 小結(jié)與展望

成牙本質(zhì)細(xì)胞分化是牙本質(zhì)形成的前提，各信號分子可通過Smad、Notch、Wnt、MAPK信號通路影響成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。研究各信號通路對成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的影響、調(diào)控各信號通路的表達(dá)、促進(jìn)成牙本質(zhì)細(xì)胞分化等對各種牙本質(zhì)相關(guān)疾病的治療將有重要意義。