骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號通路在牙本質(zhì)發(fā)育中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

白 云,周 昊

(1.四川大學(xué)望江醫(yī)院口腔科,四川 成都 610065;2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院口腔科,四川 成都 610072)

牙齒的發(fā)育和形成是口腔上皮細(xì)胞和外胚間充質(zhì)細(xì)胞之間相互作用的結(jié)果。牙本質(zhì)是牙釉質(zhì)下方的一層高度礦化的組織層,由管間牙本質(zhì)和牙本質(zhì)小管組成,它們是防止牙髓腔感染的二級屏障[1]。牙本質(zhì)的喪失會導(dǎo)致骨支持的減少,從而干擾牙齒的功能。此外,在休息和咀嚼狀態(tài)下,根部牙本質(zhì)幫助平衡,并通過牙周膜將咬合力傳遞到牙槽骨,并作為具有豐富毛細(xì)血管的血管和淋巴管以及神經(jīng)束的入口,為牙齒提供營養(yǎng)和感覺[2]?？刂蒲辣举|(zhì)發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)由許多細(xì)胞分子和信號通路共同調(diào)控,包括生長因子、轉(zhuǎn)錄因子和其他成分,它們在牙齒發(fā)育和形成的不同階段發(fā)揮作用[3]。以往研究表明骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)信號通路在牙本質(zhì)發(fā)育過程中起著重要的作用。本文總結(jié)了BMPs的一些獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號網(wǎng)絡(luò),以及BMPs在牙本質(zhì)形成過程中的精確平衡,這可能在調(diào)控牙本質(zhì)形成和再生中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 BMPs在牙本質(zhì)發(fā)育過程中的表達(dá)

1.1 BMP-2BMP-2基因轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)在牙板上已開始形成牙芽的區(qū)域。在大鼠牙齒發(fā)育的萌芽期(E12-13),BMP-2上皮和間充質(zhì)中均有表達(dá)。在帽狀期,BMP-2的表達(dá)主要集中在胎齡14天,帽狀期晚期主要定位于上皮釉質(zhì)結(jié)節(jié)。然后BMP-2的表達(dá)擴(kuò)展到鄰近的內(nèi)牙上皮形成次級釉質(zhì)結(jié),通過原位雜交和免疫組織化學(xué)分析,可以在牙間充質(zhì)中看到BMP-2的信號。鐘狀期,原位雜交和免疫組織化學(xué)染色顯示BMP-2在牙間充質(zhì)細(xì)胞中有表達(dá),隨后,BMP-2的表達(dá)擴(kuò)散到牙乳頭,并在成牙本質(zhì)細(xì)胞前表達(dá)強(qiáng)烈。在出生后數(shù)天,BMP-2在成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞中持續(xù)表達(dá),并在牙乳頭以及鄰近組織中檢測到,包括牙囊、牙周膜細(xì)胞、牙骨質(zhì)連接、HERTWIG上皮根鞘(HERS)和牙槽骨中的成骨細(xì)胞[4]。BMP-2參與決定牙髓和牙髓干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞樣細(xì)胞分化的命運(yùn),并刺激牙齒相關(guān)基因的表達(dá)[5]。人類BMP-2基因的遺傳變異與非綜合征性牙齒發(fā)育不全的易感性有關(guān),最常見的缺失牙齒是下頜切牙,其次是下頜前磨牙和上頜切牙[6]。BMP-2基因敲除小鼠會生在牙齒發(fā)育的晚期發(fā)生牙本質(zhì)缺陷,表現(xiàn)為牙髓腔變寬,前牙本質(zhì)變寬,牙本質(zhì)變薄,牙齒磨損,牙根萌出延遲,成牙本質(zhì)細(xì)胞分化和生物礦化障礙[7]。

1.2 BMP-3在牙齒發(fā)育的初始階段,BMP-3在牙齒組織中沒有表達(dá),在鐘狀期和出生后,BMP-3在成牙本質(zhì)細(xì)胞中有明顯的表達(dá),但隨著成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的推進(jìn),其表達(dá)逐漸減弱。BMP-3在成牙本質(zhì)細(xì)胞、牙囊、牙周膜細(xì)胞、成牙骨質(zhì)細(xì)胞、牙根襯里細(xì)胞和活性成骨表面的成骨細(xì)胞中均有表達(dá)[8]。 BMP-3的原位雜交分析發(fā)現(xiàn),BMP-3在帽狀和鐘狀發(fā)育階段(分別為第12周和第14周)在人的門牙和磨牙中均勻分布[9]。

1.3 BMP-4在人牙胚中,BMP-4在帽狀期(12周)乳牙的內(nèi)釉上皮和牙乳頭中有表達(dá),在外釉上皮中的表達(dá)較弱,而在磨牙中的表達(dá)較強(qiáng),在內(nèi)釉上皮和其下的牙間充質(zhì)中表達(dá)較高,而在其余牙體組織中表達(dá)較低。至鐘狀期(胎齡14周),BMP-4在內(nèi)釉上皮和牙乳頭中的轉(zhuǎn)錄水平明顯高于外釉上皮和門牙的星狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]。在牙齒形態(tài)發(fā)生過程中,BMP-4在牙蕾上皮和間充質(zhì)之間的信號相互作用中發(fā)揮著重要作用。人類的BMP-4突變與不同類型的牙齒畸形有關(guān),包括牙齒發(fā)育不全[10]。在BMP-4突變小鼠中,牙本質(zhì)厚度減少,牙根萌出延遲,而牙髓腔體積增加。BMP-4基因敲除小鼠成牙本質(zhì)細(xì)胞分化受損,BMP-4缺失導(dǎo)致突變的成牙本質(zhì)細(xì)胞中骨鈣素、DMP1、COL1SMAD1、D1X5、OSX和磷酸化α1/5/8的表達(dá)降低[11]。

1.4 BMP-5BMP-5在小鼠牙齒發(fā)育的起始階段、萌芽階段和帽狀階段均沒有表達(dá)。然而,BMP-5轉(zhuǎn)錄本存在于鐘狀晚期分化的前成釉細(xì)胞中。在出生以后,BMP-5在成釉細(xì)胞中有明顯表達(dá),在軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞中也有表達(dá)[12]。在人類和小鼠中,BMP-5基因突變與短耳有關(guān)[13]。此外,BMP-5的遺傳變異與骨關(guān)節(jié)炎的易感性有關(guān)。BMP-5分別通過SMAD-MSXB和MEK-ERK-ID3信號通路參與神經(jīng)脊祖細(xì)胞的存活和增殖[14].雖然BMP-5在牙齒發(fā)育過程中有所表達(dá),但BMP-5在牙本質(zhì)發(fā)育過程中的作用尚未詳細(xì)闡明。

1.5 BMP-6在牙齒發(fā)育的蕾狀期和帽狀期,BMP-6在牙齒間充質(zhì)、牙板和釉器上皮細(xì)胞中有微弱的表達(dá)。鐘狀期,成牙本質(zhì)細(xì)胞和牙乳頭中的BMP-6蛋白反應(yīng)呈陽性反應(yīng)。出生之后,BMP-6蛋白存在于新形成的牙周組織中的間充質(zhì)細(xì)胞、成牙骨質(zhì)細(xì)胞層以及牙根、牙槽骨內(nèi)的成骨細(xì)胞中[15]。Cleves等研究發(fā)現(xiàn),BMP-6在刺魚牙齒發(fā)育過程中的上皮和間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)。與野生型或雜合型魚類相比,魚類中BMP-6基因的純合缺失導(dǎo)致早期幼魚的牙齒數(shù)量和牙板面積都減少了。此外,BMP-6雜合突變顯示,與相同年齡的野生型魚類相比,幼體和成體后期的牙齒數(shù)量和牙盤面積都減少了。與野生型魚類相比,BMP-6缺失魚類中轉(zhuǎn)化生長因子-β和SMAD信號的基因表達(dá)水平降低[16]。

1.6 BMP-7在芽期,BMP-7的表達(dá)定位于芽尖的早期芽期,其表達(dá)模式見于牙板區(qū)域,在那里開始形成芽。在帽狀期,抗BMP-7探針表達(dá)明顯,并局限于上皮牙釉質(zhì)結(jié)節(jié)。在鐘狀期,BMP-7轉(zhuǎn)錄本從內(nèi)釉上皮一直延續(xù)到前成釉細(xì)胞。當(dāng)牙乳頭和前牙本質(zhì)母細(xì)胞開始分泌前牙本質(zhì)基質(zhì)(E19)時,可檢測到其表達(dá)。在出生以后,在牙本質(zhì)和釉質(zhì)沉積過程中,BMP-7的表達(dá)模式出現(xiàn)在牙乳頭、成牙本質(zhì)細(xì)胞和功能成釉細(xì)胞中。在第12周和第14周的人胚胎中,BMP-7在人類牙胚的帽狀期和鐘狀期的門牙和磨牙中都有微弱的表達(dá)。BMP-7在帽狀期和鐘狀期在牙齒上皮和間充質(zhì)中的表達(dá)模式相當(dāng)一致,在牙間充質(zhì)和內(nèi)釉上皮中的表達(dá)水平較高[9]。BMP-7基因敲除小鼠(WNT1-CRE:BMP-7 FX/FX)近遠(yuǎn)中頰舌側(cè)磨牙短而寬,上頜第一磨牙和下頜第一磨牙中均存在多種形態(tài)的“額外尖牙”形態(tài)[17]。此外,BMP-7基因敲除小鼠出生時缺乏牙本質(zhì)/釉質(zhì)形成,牙齒萌出延遲,小鼠成牙本質(zhì)細(xì)胞和成釉細(xì)胞中牙本質(zhì)涎磷蛋白(DSPP)和成釉蛋白基因表達(dá)降低。BMP-7通過復(fù)雜的上皮-間充質(zhì)BMP/WNT信號通路參與調(diào)控牙齒礦化的啟動[18]。

2 牙發(fā)育過程中BMP下游基因的表達(dá)

2.1 RUNX2RUNX2(又稱AML-3、PEBP2、αA、CBFA1、OSSF2)是成牙本質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。RUNX2在骨和牙齒發(fā)育中的功能依賴于牙本質(zhì)形成和成骨過程中特定階段的基因表達(dá)。在活躍的上皮形態(tài)發(fā)生過程中,RUNX2在牙間充質(zhì)細(xì)胞從萌芽到鐘狀早期具有獨(dú)特的表達(dá)模式。在牙齒發(fā)育的初始階段(E11),原位雜交檢測表明,在任何頭面部組織中都沒有RUNX2的表達(dá)。然而,在萌芽期(E12-E13),RUNX2轉(zhuǎn)錄本在發(fā)育中的上頜和下頜弓中形成骨和牙齒的間充質(zhì)凝集物中強(qiáng)烈表達(dá)[19]。RUNX2基因的雜合突變導(dǎo)致一種常染色體顯性遺傳性人類疾病,稱為鎖骨顱骨發(fā)育不良癥,患者表現(xiàn)為牙齒多、萌出延遲、牙根畸形和無細(xì)胞牙骨質(zhì)[20]。在小鼠牙齒發(fā)育的早期,RUNX2的表達(dá)在成牙本質(zhì)細(xì)胞中上調(diào),但在牙齒發(fā)育后期的成牙本質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)。這表明RUNX2在牙本質(zhì)形成和牙齒相關(guān)基因表達(dá)中具有雙重作用。RUNX2上調(diào)成牙本質(zhì)前細(xì)胞中DSPP的表達(dá),下調(diào)成熟成牙本質(zhì)細(xì)胞中DSPP的轉(zhuǎn)錄[21]。此外,SMAD泛素調(diào)節(jié)因子1(SMURF1)與RUNX2蛋白COOH末端的脯氨酸-酪氨酸(PY)結(jié)構(gòu)域相互作用,誘導(dǎo)RUNX2蛋白降解。條件性敲除基因SMAD4小鼠(DMP1-CRE;SMAD4FX/FX)導(dǎo)致牙本質(zhì)缺陷,表現(xiàn)為牙本質(zhì)前寬、牙本質(zhì)薄、牙本質(zhì)小管紊亂,BSP、COL1α1、DMP1和DSPP基因表達(dá)降低[22]。

2.2 OSTERIX(OSX OR SP7)OSX是一種含鋅指的轉(zhuǎn)錄因子,在所有發(fā)育中的骨骼和牙齒中都有明顯表達(dá)[19]。它對成牙本質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化具有重要作用。在小鼠牙齒發(fā)育的蕾狀期(E12),反義OSX探針在發(fā)育中的上頜弓和下頜弓中形成的骨和牙齒的間充質(zhì)凝集物中表達(dá)強(qiáng)烈。在帽狀期(E14),OSX mRNA在牙槽骨、牙乳頭和牙囊的間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá),而OSX在牙齒上皮細(xì)胞中幾乎沒有表達(dá)。在鐘狀期(E16～E18),OSX轉(zhuǎn)錄本存在于分化成骨間充質(zhì)、成釉細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞和牙髓。在牙本質(zhì)再生和正畸牙移動過程中,OSX在成牙本質(zhì)細(xì)胞、成骨細(xì)胞和成牙骨質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)水平均高于對照組[23]。人類和小鼠的OSX基因突變與牙齒和骨骼的缺陷有關(guān)[24]。在OSX缺失細(xì)胞中,牙根較短,呈立方體狀,成牙本質(zhì)母細(xì)胞層內(nèi)含少量牙本質(zhì)小管。進(jìn)一步的研究表明,OSX誘導(dǎo)牙間充質(zhì)分化和礦化并表達(dá)ALP、COL1、DMP1和DSPP基因[25]。OSX對基因表達(dá)的影響受BMP-SMAD-RUNX2依賴或BMP-SMAD-RUNX2非依賴的信號通路調(diào)節(jié)。

2.3 牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白(dentin matrix protein 1,DMP1)DMP1是一種非膠原蛋白,最初在牙本質(zhì)中發(fā)現(xiàn),屬于小整合素結(jié)合配體N-連接糖蛋白家族,對牙齒和骨骼等硬組織的正常發(fā)育和形成是必不可少的。在小鼠牙齒發(fā)育的萌芽階段,在牙齒外胚層或間充質(zhì)中都沒有檢測到DMP1的信號,但通過RT-QPCR分析,在E13和E14的小鼠第一顆下頜磨牙中可以看到DMP1的轉(zhuǎn)錄。在帽狀期(E15),DMP1在牙槽骨內(nèi)新分化的成骨細(xì)胞中表達(dá)較強(qiáng),而在釉質(zhì)器官和牙乳頭中表達(dá)較弱。鐘狀期,DMP1在釉質(zhì)器官內(nèi)上皮和第一磨牙近頰尖尖新分化或年輕的成牙本質(zhì)細(xì)胞中有明顯轉(zhuǎn)錄。在出生后第6天,DMP1mRNA在分化的成牙本質(zhì)細(xì)胞、牙本質(zhì)小管和前牙本質(zhì)中明顯表達(dá),在成熟成牙本質(zhì)細(xì)胞中顯著下調(diào),在成釉細(xì)胞中上調(diào)[26]。在DMP1基因缺失的小鼠中,牙齒形態(tài)類似于人類的牙本質(zhì)形成不全I(xiàn)II型(DGI-III),突變小鼠的牙齒表現(xiàn)為牙髓腔擴(kuò)大,前牙本質(zhì)寬,牙本質(zhì)變薄,牙本質(zhì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)改變,以及礦化不足。與對照組相比,牙本質(zhì)中重要的非膠原性蛋白DSPP在成牙本質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)降低,而富含亮氨酸的蛋白多糖家族成員BIGLYCAN的表達(dá)增加[27]。

3 牙發(fā)育過程中BMP信號通路的傳導(dǎo)

3.1 牙本質(zhì)發(fā)育和形成中的SMAD依賴信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

BMPs及其受體和SMADS具有很強(qiáng)的成牙能力。BMPs與它們的受體結(jié)合形成復(fù)合體,導(dǎo)致SMAD1/5/8的磷酸化,磷酸化的SMAD1/5/8與SMAD4相互作用,磷酸化的SMAD1/5/8-SMAD4復(fù)合體從細(xì)胞質(zhì)移位到細(xì)胞核,刺激它們下游的基因表達(dá)。BMP-2、BMP-4、BMP-7和BMP-9的缺失會導(dǎo)致牙本質(zhì)形成嚴(yán)重障礙,牙髓腔擴(kuò)大,前牙本質(zhì)變寬,牙本質(zhì)變薄,牙齒磨損,牙根萌出延遲,成牙本質(zhì)細(xì)胞分化障礙,而一些與牙齒相關(guān)的基因表達(dá)降低,包括磷酸化的SMAD1/5/8、堿性磷酸酶、COLLα1、DLX3、DMP1、DSPP、OSX和RUNX2[28]。BMP-SMAD信號通路通過多種轉(zhuǎn)錄因子在牙本質(zhì)形成中發(fā)揮作用,其中包括DLX3、KLF4、MSX1、MSX2、OSX、PAX9、RUNX2等。

3.2 牙本質(zhì)發(fā)育和形成中的SMAD非依賴信號轉(zhuǎn)導(dǎo)MAPKS,主要包括ERK、JNK、P38,以及PI3K/AKT和蛋白激酶A和C通路,參與了BMP-SMAD非依賴性信號通路在牙齒發(fā)育中的作用。BMP介導(dǎo)的MAPKS磷酸化DLX3、KLF4、OSX、PAX9和RUNX2轉(zhuǎn)錄因子,導(dǎo)致磷酸化的蛋白穩(wěn)定性、核轉(zhuǎn)位、蛋白-DNA結(jié)合親和力增加、DSPP和DMP1基因表達(dá)上調(diào)和牙齒形成[29]。PI3K/AKT負(fù)責(zé)誘導(dǎo)細(xì)胞中BMP的信號,并磷酸化DLX3、KLF4、OSX和RUNX2蛋白,穩(wěn)定這些蛋白,激活牙齒相關(guān)基因表達(dá),牙間充質(zhì)細(xì)胞分化和礦化[30]。

4 總結(jié)

盡管在過去的幾十年里對BMP信號系統(tǒng)的研究取得了很多成果,但關(guān)于BMP的生物學(xué)功能的遺傳、細(xì)胞和分子學(xué)機(jī)制方面的許多問題仍然需要回答。BMP及其受體的下游信號通路在牙齒發(fā)育和形成,尤其是牙齒發(fā)育過程中的作用更為復(fù)雜。在人類和基因敲除小鼠模型中的遺傳分析表明,BMPs及其靶基因在成釉細(xì)胞和成牙本質(zhì)細(xì)胞之間的溝通、間充質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化以及牙本質(zhì)發(fā)育和形成過程中的生物礦化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。應(yīng)該對這些細(xì)胞和組織形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的分析,以便更好地了解牙本質(zhì)形成過程中細(xì)胞過程中每一步的潛在機(jī)制。體外和體內(nèi)研究進(jìn)一步剖析了BMP信號通路在牙本質(zhì)發(fā)育和形成過程中的生理和發(fā)病機(jī)制的圖譜。從牙本質(zhì)形成中BMP信號的分析獲得的知識也將有助于理解這些人類疾病的分子機(jī)制,并為治療牙本質(zhì)缺陷提供潛在的線索。