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    CDC42參與細(xì)胞極化在成牙本質(zhì)細(xì)胞中的研究進(jìn)展

    2022-05-03 14:27:07魏春雨榮麗崔彩云夏倩穎
    中國醫(yī)藥科學(xué) 2022年7期
    關(guān)鍵詞:成釉細(xì)胞

    魏春雨 榮麗 崔彩云 夏倩穎

    [摘要]細(xì)胞極化是前體細(xì)胞分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞的重要步驟,是細(xì)胞發(fā)揮生理功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞極化定向分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞是實(shí)現(xiàn)牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合體再生的關(guān)鍵。細(xì)胞周期蛋白42(CDC42)是細(xì)胞極性化的開關(guān)分子,其參與成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞極化的作用機(jī)制尚不明確,且相關(guān)研究較少。本文回顧了成牙本質(zhì)細(xì)胞的極化以及 CDC42在其細(xì)胞極化方面的相關(guān)研究,為成牙本質(zhì)細(xì)胞分化及牙髓-牙本質(zhì)再生研究提供基礎(chǔ)。

    [關(guān)鍵詞]成牙本質(zhì)細(xì)胞;成釉細(xì)胞;細(xì)胞極化;細(xì)胞周期蛋白42

    [中圖分類號] R781.3? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號]2095-0616(2022)07-0036-04

    牙髓病是發(fā)生于牙髓組織的疾病,根據(jù)病源刺激物和機(jī)體的免疫防御能力強(qiáng)弱,經(jīng)歷組織炎癥、變性和壞死等,牙髓炎是最常見的牙髓疾病。根管治療即去除感染牙髓組織,嚴(yán)密充填,杜絕再感染,是臨床保留患牙的常規(guī)治療方法。根管治療后牙體組織喪失大部分營養(yǎng)來源,牙齒變脆容易折裂。為降低牙折裂的風(fēng)險(xiǎn),牙髓再生成為替代根管治療的重要研究方向。成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞是終末分化細(xì)胞,其功能的發(fā)揮離不開典型的極化狀態(tài),目前對于成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞的極化研究相對較少,作用機(jī)制仍不明確。本文回顧了成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞的細(xì)胞極化以及細(xì)胞周期蛋白42(cell division cycle 42, CDC42)在其細(xì)胞極化方面的研究,就成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞的極化及 CDC42在極化中的作用進(jìn)行綜述。

    1成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞的細(xì)胞極化

    細(xì)胞極化是指細(xì)胞、細(xì)胞群、組織或個(gè)體在一個(gè)方向上,相對兩端表現(xiàn)出不同的形態(tài)或生理特征[1],包括細(xì)胞的結(jié)構(gòu)不對稱或功能不對稱[2]。哺乳動物細(xì)胞在其生命周期中幾乎都會經(jīng)歷短暫或永久的極化。細(xì)胞極性包括頂?shù)讟O性、平面極性、前后極性和極性分裂中的極性[3]。上皮細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞等都是通過細(xì)胞極化完成特定功能[4]。細(xì)胞極化的特征成分包括細(xì)胞間連接的形成、細(xì)胞骨架的不對稱分布、細(xì)胞器的重新定位、極性復(fù)合體和膜脂的分布等[2,5],目前上皮細(xì)胞的極化研究較為成熟。

    上皮細(xì)胞的細(xì)胞極性可分為頂?shù)讟O性(apico-basalpolarity, ABP)和平面極性(planar cell polarity, PCP)[1,6]。ABP 是指細(xì)胞成分在細(xì)胞的兩個(gè)相對表面之間呈極化分布,將細(xì)胞分為兩個(gè)互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)域,即頂端結(jié)構(gòu)域和基底結(jié)構(gòu)域[7-8],參與細(xì)胞遷移和維持組織結(jié)構(gòu)等[9-10]。上皮細(xì)胞頂?shù)讟O性的形成包括細(xì)胞連接的形成、極性復(fù)合物的建立、細(xì)胞骨架的不對稱分布等[1,5]。PCP 是指細(xì)胞在整個(gè)組織平面上垂直于頂?shù)纵S向的極性,這種極化在整個(gè)組織中傳播,提供控制集體形態(tài)發(fā)生的極性軸,如細(xì)胞結(jié)構(gòu)的取向和細(xì)胞排列等[11-12],需要整體的極性信號和極性蛋白在細(xì)胞內(nèi)不對稱分布[13-14]。

    牙發(fā)育起始于牙胚,牙胚發(fā)育可分為蕾狀期、帽狀期和鐘狀期[15]。在鐘狀期,牙乳頭細(xì)胞經(jīng)內(nèi)釉上皮誘導(dǎo)分化成前成牙本質(zhì)細(xì)胞[3,16],有絲分裂完成后退出細(xì)胞周期,分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞,細(xì)胞核逐漸遠(yuǎn)離基底膜,高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聚集在近基底膜側(cè)的胞質(zhì)中,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)并與細(xì)胞長軸平行,線粒體散在分布在細(xì)胞中,細(xì)胞骨架聚集在近基底膜側(cè),細(xì)胞逐漸極化[15],開始分泌牙本質(zhì)基質(zhì)。

    成牙本質(zhì)細(xì)胞的終末分化觸發(fā)成釉細(xì)胞的終末分化。當(dāng)牙本質(zhì)形成以后,誘導(dǎo)內(nèi)釉上皮細(xì)胞向成釉細(xì)胞分化,細(xì)胞呈高柱狀排列,在分泌活動之前,細(xì)胞發(fā)生極化:細(xì)胞核遠(yuǎn)離基底膜[15],高爾基體變大,從細(xì)胞核側(cè)向基底膜端移動,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)增加,繼而分泌釉質(zhì)基質(zhì)[8]。成熟的成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞均呈高柱狀排列,細(xì)胞器主要分布于分泌端胞質(zhì)內(nèi),呈典型的極性分布。

    2 CDC42在細(xì)胞極化中的功能

    CDC42是一種典型的 Ras 同系物(Ras homologue, Rho)蛋白,主要表達(dá)于細(xì)胞質(zhì)中[17],可以在與鳥苷三磷酸(guanosine triphosphate, GTP)結(jié)合的活化形式和與鳥苷二磷酸(guanosine diphosphate, GDP)結(jié)合的非活化形式之間相互轉(zhuǎn)換,起分子開關(guān)的作用[17]。這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換受多種類型的 GTP 酶結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié),包括鳥嘌呤核苷酸解離抑制蛋白(guanine nucleotide dissociation inhibitor, GDI)、 GTP 酶激活蛋白(GTPase-activating protein, GAP)和鳥苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange? factor, GEF)[17]。當(dāng) CDC42與 GTP 結(jié)合呈活化形式時(shí),其活化水平可以被 GEF 正向調(diào)控,或被 GAP 負(fù)向調(diào)控。CDC42還可與 GDI 結(jié)合,以非活化形式存在于細(xì)胞質(zhì)中[4]。

    CDC42最早在芽植酵母中被發(fā)現(xiàn)[1],酵母細(xì)胞出芽前, CDC42在酵母細(xì)胞內(nèi)少量聚集,繼而增多形成 CDC42高度集中區(qū),酵母細(xì)胞出現(xiàn)極化,發(fā)生出芽增殖[4]。缺乏 CDC42酵母細(xì)胞將變得又大又圓,不表現(xiàn)極性化的特征,不再出芽增殖。

    2.1? CDC42和細(xì)胞骨架

    在上皮細(xì)胞的研究中,CDC42可以調(diào)節(jié)肌動蛋白重組、微管組裝、細(xì)胞器的定位。CDC42可通過效應(yīng)子Wiskott-Aldrich 綜合征蛋白(Wiskott- Aldrich syndrome protein, WASP)促進(jìn)肌動蛋白分支以增加游離末端的數(shù)量,加速肌動蛋白的聚合[2,4],同時(shí)肌動蛋白調(diào)節(jié) CDC42活性,確保對肌動蛋白活動的精確調(diào)控[2,5]。細(xì)胞極化以微管重組為特征, CDC42穩(wěn)定微管并為微管末端提供對接位置,調(diào)節(jié)胞質(zhì)連接相關(guān)蛋白(cytoplasmic linker? associated proteins, CLASPs)的位置[2,19]。CDC42通過細(xì)胞骨架動力學(xué)和直接相互作用調(diào)節(jié)細(xì)胞器的定位, CDC42調(diào)控肌動蛋白細(xì)絲促進(jìn)細(xì)胞核的定位[2,20];CDC42定位于高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)控制細(xì)胞器的位置[2,21]。成牙本質(zhì)細(xì)胞突起包含微管、中間絲和肌動蛋白絲三種主要細(xì)胞骨架成分,但其分布與上皮細(xì)胞不同,尚無 CDC42在成牙本質(zhì)細(xì)胞骨架中的研究報(bào)道。

    2.2? CDC42與細(xì)胞連接和極性復(fù)合體

    上皮細(xì)胞的細(xì)胞連接建立過程需要多種極性復(fù)合體參與, CDC42在緊密連接的組裝和極性復(fù)合體的形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用?;罨?CDC42和蛋白酶激活受體6(protease-artivated receptor 6, PAR6)組成 CDC42-PAR6復(fù)合體,激活非典型蛋白激酶 C(atypical protein kinase C,aPKC),使蛋白酶激活受體3(protease-artivated receptor 3, PAR3)磷酸化和 PAR3-PAR6-aPKC 復(fù)合物解離。PAR6-aPKC 復(fù)合體遷移到細(xì)胞頂膜, PAR3仍停留在緊密連接區(qū),該過程驅(qū)動頂端信號蛋白的積累和緊密連接的構(gòu)建, GEF Dbl3發(fā)揮關(guān)鍵作用。Dbl3在緊密連接形成中激活 PAR3-PAR6-aPKC 復(fù)合體,促進(jìn) PAR3排出和頂膜分化,調(diào)節(jié)頂端結(jié)構(gòu)域的大小和緊密連接的位置[2,22]。CDC42 GEF 的 etc2和 tuba 也參與頂端極化,etc2在上皮極性最初建立過程中調(diào)節(jié) CDC42的活性并作用于 PAR3-PAR6-aPKC 復(fù)合物,特異性地調(diào)節(jié)黏附連接(adherens junctions, AJ)的 Ras 同源基因家族成員 A(Ras homolog gene family member A,RhoA)信號[2];tuba 被緊密連接蛋白1(zonula occludens-1, ZO-1)和毛細(xì)胞蛋白招募到緊密連接,通過與 N-WASP 結(jié)合來調(diào)節(jié)頂端肌動蛋白網(wǎng)絡(luò),此外招募Rac 1(一種 Rho 蛋白)/Rich 1(一種 CDC42 GTP 酶激活蛋白)復(fù)合物,與 Crumbs (最早在黑腹果蠅中發(fā)現(xiàn),該基因的突變會導(dǎo)致缺失或分散的角質(zhì)層,因此命名為“面包屑”)復(fù)合物和 PAR3結(jié)合,通過調(diào)控局部 CDC42活性維持緊密連接的穩(wěn)定性[2]。成牙本質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞連接包括橋粒(desmosome)、緊密連接(tight junction, TJ)、AJ 和間隙連接(gap junctions, GJ), TJ 被證明是誘導(dǎo)上皮細(xì)胞極化的關(guān)鍵因素[4],但它們在成牙本質(zhì)細(xì)胞中是連續(xù)性存在還是斑塊狀存在,是僅為屏障還是同時(shí)也是極化誘導(dǎo)因素[2,23-25],這些仍需進(jìn)一步研究,目前缺少關(guān)于 CDC42對成牙本質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞連接作用的研究。

    3 CDC42在牙源性細(xì)胞極化中的作用

    CDC42參與成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞分化及礦化基質(zhì)形成。分化成熟的成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞均呈高柱狀的形態(tài), CDC42表達(dá)于成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞的分泌端,與成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞的極性形成有關(guān)[4,18,26]。成牙本質(zhì)細(xì)胞呈典型的極性化特征和不對稱的頂端極性分泌,極性化分泌是牙本質(zhì)定向沉積的基礎(chǔ), CDC42主要集中在成牙本質(zhì)細(xì)胞的胞質(zhì)和頂端胞膜部位,與成牙本質(zhì)細(xì)胞的牙源性礦化密切相關(guān)[18]。CDC42在小鼠牙胚成釉細(xì)胞中存在于胞膜和胞質(zhì),在成釉細(xì)胞中抑制 CDC42的表達(dá),釉原蛋白和釉蛋白表達(dá)升高,說明 CDC42可以調(diào)控小鼠成釉細(xì)胞釉基質(zhì)蛋白的表達(dá)[27];CDC42缺失導(dǎo)致成釉細(xì)胞形態(tài)改變以及釉基質(zhì)蛋白和蛋白酶的分泌改變,進(jìn)而導(dǎo)致釉柱結(jié)構(gòu)的改變和牙齒發(fā)育不良[28]。小鼠 CDC42缺失導(dǎo)致成釉器發(fā)生囊性病變和細(xì)胞過度凋亡,細(xì)胞連接和細(xì)胞骨架都受到影響,上皮特異性 CDC42缺失通過減弱牙上皮中的Wnt/β-catenin 和 Shh 信號傳導(dǎo),并在次級釉質(zhì)結(jié)中誘導(dǎo)異常的 Sox2表達(dá)干擾成釉細(xì)胞成熟與分化[29]。敲除 CDC42后,人牙髓干細(xì)胞遷移能力和黏附能力降低,同時(shí) CDC42與牙髓干細(xì)胞中高爾基體的極化和細(xì)胞核的重定位也密切相關(guān)[30-31]。

    4與CDC42相關(guān)的其他因素對成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞極化的影響

    核心結(jié)合因子蛋白2(Runx2)通過 CDC42調(diào)節(jié)成牙本質(zhì)細(xì)胞極化影響其成牙本質(zhì)方向分化。 Runx2屬于一種多功能轉(zhuǎn)錄因子,通過牙本質(zhì)涎磷蛋白(dentin sialophos-phoprotein, DSPP)啟動子驅(qū)動 Runx2過表達(dá)小鼠的成牙本質(zhì)細(xì)胞失去典型的細(xì)胞極性,牙本質(zhì)小管缺失[1,32]。Runx2在成牙本質(zhì)細(xì)胞極性化中抑制 CDC42的作用,在成牙本質(zhì)細(xì)胞分化早期促進(jìn) Par3表達(dá),但在末期抑制其作用[32],在成牙本質(zhì)細(xì)胞發(fā)育分化成熟過程中抑制 ZO-1的表達(dá)[32]。Runx2轉(zhuǎn)基因小鼠中 DSPP 和巢蛋白減少,成牙本質(zhì)細(xì)胞失去其特有的極化形態(tài),細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白-微管相關(guān)蛋白 tau (microtubule-associated protein tau, MAPT)存在于α-微管蛋白陽性的絲狀結(jié)構(gòu)周圍,是成牙本質(zhì)細(xì)胞終末分化標(biāo)志物,在形態(tài)紊亂的 Runx2轉(zhuǎn)基因小鼠的成牙本質(zhì)細(xì)胞中,MART 基因的表達(dá)受到抑制[33]。特異性蛋白7(specific proteins, SP7)屬于含鋅指結(jié)構(gòu)的 SP1轉(zhuǎn)錄因子家族,是 Runx2的下游靶基因,SP7基因缺失小鼠會發(fā)生顱面畸形和牙槽骨缺失,但牙齒形態(tài)早期發(fā)育過程正常,在 SP7基因缺失小鼠切牙和磨牙中幾乎不表達(dá)成熟成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞的標(biāo)志物,SP7缺乏的外胚間充質(zhì)細(xì)胞會發(fā)生增殖抑制,牙齒畸形,前成牙本質(zhì)細(xì)胞和前成釉細(xì)胞隨機(jī)排列,研究表明 SP7促進(jìn)成牙本質(zhì)細(xì)胞功能成熟和極化[34]。

    5總結(jié)與展望

    綜上所述,成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞的細(xì)胞極化是有序形成牙本質(zhì)和釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),是細(xì)胞發(fā)揮功能的前提條件。成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化過程包括細(xì)胞生長、細(xì)胞伸長、細(xì)胞極化等步驟[24],其中細(xì)胞極化是其分化過程中的重要一步,標(biāo)志著細(xì)胞在形態(tài)和功能上的改變,確保牙本質(zhì)小管結(jié)構(gòu)的形成[15]。成釉細(xì)胞的極化是細(xì)胞分泌有機(jī)基質(zhì)和釉質(zhì)礦化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在釉質(zhì)形成過程中,成釉細(xì)胞的活動分為分泌前期、分泌期和成熟期。在分泌前期,成釉細(xì)胞的細(xì)胞極化改變是釉質(zhì)基質(zhì)有向分泌的前提條件。在成熟期,成釉細(xì)胞通過調(diào)節(jié)近遠(yuǎn)中接觸區(qū)的細(xì)胞結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)釉質(zhì)礦化。因此,成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞極化是牙齒發(fā)育的關(guān)鍵步驟。CDC42作為上皮細(xì)胞極化研究中的關(guān)鍵因子,在成牙本質(zhì)細(xì)胞極化和小管樣有序牙本質(zhì)形成中發(fā)揮重要作用,此外其在成釉細(xì)胞的極化、調(diào)控小鼠成釉細(xì)胞釉基質(zhì)蛋白和蛋白酶的表達(dá)、影響成釉細(xì)胞的形態(tài)和分化成熟以及釉質(zhì)的形成中也發(fā)揮重要作用,但是 CDC42對成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞極化的具體作用及其分子機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

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    (收稿日期:2021-11-04)

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