同源盒基因調(diào)控先天缺牙的研究進展

[關鍵詞] 同源盒基因； 先天缺牙； 非綜合征性先天缺牙； 牙齒發(fā)育； 基因突變； 牙組織再生工程； 配對盒基因9； 肌節(jié)同源異型盒基因1

[中圖分類號] R781.9 [文獻標志碼] A [doi] 10.7518/gjkq.2024046

先天缺牙（congenitally missing teeth，CMT）是兒童牙病中常見的牙齒數(shù)目發(fā)育異常，根據(jù)缺失牙數(shù)目可分為個別牙先天缺失、多數(shù)牙先天缺失以及先天無牙癥。缺牙1～5顆（不包括第三磨牙） 的患病率為3%～10%，而缺牙6顆或6顆以上（不包括第三磨牙） 的發(fā)病率為0.1%～0.5%[1]。恒牙列中所有牙齒都有先天缺失的可能，除第三磨牙外，最常缺失的牙齒是上頜側切牙，其次是下頜中切牙及上頜第二前磨牙[2]。先天缺牙的病因尚未明確，遺傳、環(huán)境、物理、化學、生物因素均會影響牙齒發(fā)育，而遺傳因素被認為是影響牙齒先天缺失的主要因素[3]。

人類牙列的發(fā)生和發(fā)育是一個復雜的上皮與間充質(zhì)相互作用的過程，并且受到多基因調(diào)控的生理過程[4]。這些基因中的一個或幾個發(fā)生突變，都將可能導致先天缺牙的發(fā)生。同源盒（homeobox，HOX） 基因是研究中最常見的與牙齒發(fā)育相關的基因，它們在遷移的神經(jīng)嵴細胞中高表達[5]。PAX、MSX、DLX、LHX、BARX、PITX是參與牙齒發(fā)育的HOX基因的關鍵成員。目前，HOX基因在先天缺牙中扮演的角色以及其在牙組織再生工程領域的應用前景正成為研究者們的關注熱點。本文概述HOX基因家族的基本結構特點和功能，對與先天缺牙相關HOX基因的表達模式、分子機制以及臨床應用前景展開綜述。

1 HOX 基因家族概述

19世紀，在果腹果蠅中發(fā)現(xiàn)了同源異型基因，同源異型基因早期被歸類為“選擇基因”，其作用是控制細胞生長和分化，20世紀80年代，McGinnis等[6]在其他種類果蠅中發(fā)現(xiàn)了“同源盒”序列，隨后，小鼠、脊椎動物、植物中均發(fā)現(xiàn)了HOX基因，其含有一個共同的180 bp的序列，稱為同源盒，術語“box”指的是交叉同源性僅限于一個短而高度保守的DNA片段[7]。其中編碼60個氨基酸的蛋白結構域稱為同源結構域（homeodomain，HD），具有HD的轉錄因子與一系列靶基因的啟動子在此區(qū)域結合，從而調(diào)節(jié)靶基因的表達[8]。

HOX的基因結構、表達和生物學功能之間存在著一定關聯(lián)性。HOX基因具有一個顯著的特征——空間共線性：基因在染色體上的順序與它們在胚胎上的表達域順序一致[9]。每個家族中這些基因的順序之間存在相關性，它們的一系列表達模式發(fā)生在胚胎前后軸上，因此，脊椎動物中HOX基因家族與胚胎發(fā)育密不可分。

HOX基因幾乎存在于所有真核生物中，目前，在人類中找到了大約200多種HOX基因，在人類基因組中識別出了11類HOX基因：ANTP、PRD、LIM、POU、HNF、SINE、TALE、CUT、PROS、ZF和CERS[10]。來自不同家族的HOX基因之間可以相互配合，對動物頭面部發(fā)育、上下頜骨形成起著至關重要的作用，而且某些HOX基因的突變?nèi)笔踔量赡苡绊懷例X的胚胎發(fā)育，造成牙齒的先天缺失。

2 調(diào)控先天缺牙的HOX基因

2.1 配對盒基因（paired box，PAX） 9

PAX9是配對PAX家族成員之一，位于14q12～13，基因長度為1 630 bp，由4個外顯子構成，包含1個N-末端DNA結合配對結構域、1個八肽和1個C-末端轉錄激活結構域，配對結構域具有2個不同的螺旋-轉角-螺旋基序，它們與靶基因的特定DNA序列相互作用，該結構域在牙發(fā)生的所有階段的牙間充質(zhì)形成中起著關鍵作用[11]。PAX9在咽囊、四肢和顱面間充質(zhì)細胞中表達，在小鼠胚胎發(fā)育過程中對胸腺、甲狀旁腺、四肢、腭和牙齒的發(fā)育至關重要[12]。在牙齒發(fā)育的蕾狀期、帽狀期和鐘狀期階段，PAX9一直維持著較高水平的表達，動物模型研究已經(jīng)證明PAX9-缺陷型基因敲除小鼠，牙齒發(fā)育停留在蕾狀期，最終導致磨牙缺失[13]。

2.2 肌節(jié)同源盒基因（muscle segment homeoboxgene，MSX） 1

MSX1是MSX家族成員之一，位于4p16.1，跨度約4.05 kb，長度為1 713 bp，由兩個外顯子組成，其中第二個外顯子編碼高度保守的同源結構域，同源結構域由延伸的N-末端臂和3個α-螺旋組成，螺旋Ⅰ和Ⅱ中的殘基被認為在結構穩(wěn)定性和結合活性中起重要作用，而螺旋Ⅲ中的殘基與N-末端臂中的殘基結合對于DNA結合特異性至關重要[14]。HD在蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、DNA結合以及與TATA-結合蛋白（TATA-binding protein，TBP） 和Dlx家族的相互作用中起重要作用。純合子MSX1缺陷的小鼠導致唇腭裂的發(fā)生、切牙發(fā)育不全以及磨牙發(fā)育停滯在蕾狀期[15]。MSX1引起牙缺失多數(shù)是由于單倍計量不足導致的常染色體顯性遺傳，也有MSX1常染色體隱性遺傳突變的報道[16]。此外，MSX1突變會導致孤立的卵裂和Witkop綜合征。Witkop綜合征是由于MSX1外顯子2核酸605的雜合位點出現(xiàn)了C-A的無義突變，導致指甲發(fā)育不全和牙齒數(shù)量異常，后者往往直到恒牙萌出時才能被發(fā)現(xiàn)，其中最常缺失的牙位是下頜切牙、下頜第二磨牙和上頜尖牙[17]。

2.3 垂體同源盒（pituitary homeobox，PITX） 2

PITX2 是PITX 家族的成員之一， 定位于4q25～q2。PITX2包含同源結構域和C-末端OAR結構域，它們可以各自獨立地與轉錄因子相互作用以調(diào)節(jié)其轉錄活性，而且OAR結構域與N端結合后還可抑制DNA的結合，對口腔頜面部的發(fā)育、牙齒的形成至關重要[18]。PITX2選擇性地在下頜、下肢以及牙齒中表達，在胚胎發(fā)育早期，是牙齒發(fā)育的第一個轉錄標記，在所有牙冠形態(tài)發(fā)生過程中的上皮細胞中持續(xù)表達，調(diào)控上皮信號中心和牙胚的形成[19]。研究[20]發(fā)現(xiàn)將小鼠PITX2基因敲除之后，下頜骨及上頜牙齒發(fā)育受到影響，牙胚發(fā)育停止于蕾狀期。PITX2突變引起的Axenfeld-Rieger綜合征（Axenfeld-Rieger syndrome，ARS）表現(xiàn)出極其罕見的上頜中切牙的缺失。ARS綜合征是指雙眼虹膜和小梁網(wǎng)的先天性發(fā)育異常，可伴有全身發(fā)育異常，最常見的是顱面口腔發(fā)育異常、眼房畸形和臍帶異常，其導致的先天缺牙常見于上頜中切牙和上頜第二前磨牙[21]。

3 HOX 基因調(diào)控先天缺牙分子機制探討

3.1 HOX基因突變與先天缺牙

PAX9基因已知突變近50個，可分為錯義突變、無義突變、移碼突變等，其中起始密碼子突變有4個：c.3Ggt;A、c.1Agt;G、c.2Tgt;G和c.2Tgt;A，這些PAX9起始密碼子突變可引起單倍劑量不足，產(chǎn)生嚴重的牙齒發(fā)育不全[11]。PAX9突變發(fā)生在單核苷酸替換的范圍內(nèi)，可能通過以下途徑發(fā)揮作用：1） 缺乏結構域而喪失功能；2） 突變的RNA或蛋白質(zhì)不穩(wěn)定；3） 產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)，獲得新的功能；4） 干擾了PAX9等位基因的功能[22]。同時研究發(fā)現(xiàn)人類對PAX9突變數(shù)量敏感，突變越多，牙齒發(fā)育不全的情況越嚴重。編碼區(qū)和非編碼區(qū)的突變涉及外顯子1、2、3和4；外顯子2是包含成對結構域的高度保守區(qū)域，顯示出最多的突變。Sarkar等[23]報道了一對雙胞胎，由于外顯子2的8個核苷酸的缺失，導致C-末端DNA結合結構域破壞，造成恒牙缺失。

MSX1基因的缺失下調(diào)了下游基因BMP4和轉錄因子LEF的表達，通過Wnt/β-連環(huán)蛋白（Wnt/β -catenin） 信號通路來抑制成牙本質(zhì)細胞分化，最終影響牙齒發(fā)育和唇腭裂的形成[24]。迄今為止，與非綜合征性牙齒發(fā)育不全相關的MSX1變異，大多數(shù)是錯義突變和移碼突變。錯義突變常發(fā)生在第二前磨牙和第三磨牙，研究發(fā)現(xiàn)MSX1同源結構域內(nèi)的第31位的精氨酸被脯氨酸取代后，導致第二前磨牙先天缺失[18]，然而移碼突變往往導致更嚴重的非綜合征性先天缺牙。MSX1基因c.469+5Ggt;雜合突變是嚴重非綜合征型先天缺牙的致病突變。此外，c.119Cgt;G的純合性改變和c.348Cgt;T的雜合性改變也可能是非綜合征型先天缺牙患者發(fā)病的原因[25]。

Intarak等[26]在非綜合征性先天缺牙患者家庭中發(fā)現(xiàn)了新的TIPX2 突變， c. 573_574delCA （p.L193QfsX5），這種無義突變會影響PITX2蛋白的C末端的OAR結構域，從而導致蛋白功能障礙并影響牙齒發(fā)育。在2022年的一項研究報道中，中國學者[27]在一個非綜合征先天缺牙家系中發(fā)現(xiàn)了PITX2新發(fā)雜合錯義移碼突變（ｐ.I59fs），在一個中國ARS家系中發(fā)現(xiàn)了新的雜合剪接突變（c.390+1Ggt;A）[28]。

PAX9 和MSX1 基因突變導致先天缺牙早于TIPX2被發(fā)現(xiàn)，因此PAX9和MSX1的研究報道較TIPX2多，基因突變類型較豐富。未來的研究不僅需要繼續(xù)探索新的基因突變類型，更應該對相關基因的表達水平和調(diào)節(jié)機制進行探索，通過深入了解HOX基因在先天缺牙發(fā)生過程中的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡為臨床先天缺牙提供新的治療靶點。

3.2 HOX基因參與牙齒形成的信號聯(lián)級機制

HOX基因家族與胚胎發(fā)育息息相關，在牙齒形成過程中，某些蛋白質(zhì)（如生長因子等） 與靶細胞表面受體相互作用可以啟動信號級聯(lián)機制靶向作用于HOX基因，造成牙齒發(fā)育停滯甚至牙齒缺失。

FGFs、WNT （牙板形成的激活因子） 和BMPs （牙板形成的抑制因子） 是啟動牙胚發(fā)育形成的內(nèi)源性信號[29]。在胚胎發(fā)育早期，BMP4和FGF8參與了早期口腔上皮信號的組成，然后激活下路間充質(zhì)的成牙信號。研究[30]發(fā)現(xiàn)MSX1缺失，導致下游BMP4、LEF1 和DLX2 的下調(diào)， 使得MSX1基因突變小鼠的牙齒發(fā)育停滯，此外BMP4的下調(diào)也會對上皮中LEF1和DLX2的下調(diào)產(chǎn)生一定影響。IRX3在成牙本質(zhì)細胞增殖和分化過程中部分通過調(diào)節(jié)WNT5a促進成牙本質(zhì)細胞增殖和分化[31]。

PAX9負責BMP4的表達，并進一步調(diào)控MSX1的表達。有研究者[32]在一個中國非綜合征性先天缺牙家庭中發(fā)現(xiàn)一種新的PAX9移碼突變（c.49151-0delGCCCT-ATCACGGCGGCGGCC， p. P165Qfs*145） 導致激活BMP4啟動子轉錄活性的能力顯著降低。已有研究[33]表明MSX1和PAX9在牙齒形成蕾狀期到帽狀期的轉變過程中相互作用。PAX9和MSX1基因在非綜合征型先天性無牙頜患者中可能具有協(xié)同作用， 然而在嚴重先天缺牙患者中，PAX9的作用可能大于MSX1[34]。PITX2在小鼠牙齒發(fā)育期間特異性表達于上皮中，負責牙齒發(fā)育的啟動，通過激活FGF8下調(diào)BMP4，導致小鼠牙釉質(zhì)礦化嚴重不足[30]。

4 HOX 基因作為先天缺牙治療靶點

先天缺牙是臨床中常見的牙齒發(fā)育異常，不僅影響患兒咀嚼、發(fā)音、美觀，甚至對心理健康產(chǎn)生一定影響。由于遺傳性發(fā)育缺陷的不可逆性以及人們對先天缺牙病因機制認識的局限性，目前還沒有針對病因的預防治療手段[35]。近年來，先天缺牙相關基因在牙齒發(fā)育缺陷和口腔疾病發(fā)生中的作用日益受到密切關注，隨著分子生物學的不斷發(fā)展，人們通過靶向治療技術更好地了解了先天缺牙相關基因和牙齒發(fā)育不全之間的表型相關性[36]，未來通過對牙齒發(fā)育不全背后的基因網(wǎng)絡嘗試更加深入地分析，將有助于探索先天缺牙臨床診療新方案。

4.1 HOX基因作為生物標志物

生物標志物可以預測治療反應，識別可能從臨床試驗中受益的潛在個體，并監(jiān)測治療反應。基因組和功能生物標志物的發(fā)現(xiàn)導致了精準醫(yī)學的發(fā)展，使研究人員和臨床醫(yī)生能夠為患者量身定制治療方案[37]。HOX蛋白的關聯(lián)作用（控制細胞的位置身份） 被用于在不同組織和解剖部位選擇指定的合適的干細胞群，進而在再生醫(yī)學中更有效地利用干細胞。Zheng等[38]在一項研究中發(fā)現(xiàn)HOX轉錄的反義RNA-HOTAIR不僅可以促進HOX基因表達調(diào)控，而且還可以作為一種生物標志物識別癌癥分子亞型。Picchi等[39]在一項研究報道了使用HOX和HOX家族的TALE亞家族作為標志物來識別人類不同基質(zhì)細胞群的可能性。因此，由于HOX基因家族圖譜的特異性，可以通過標記HOX基因亞家族選擇最合適的細胞群以進行特定組織的再生和修復。

4.2 HOX基因和干細胞靶向治療

近20年來，人們成功從牙髓、牙周膜、牙囊和脫落的乳牙中提取出牙源性間充質(zhì)干細胞，其分化潛力好、免疫原性低而且具有組織再生的特點[40]。在牙組織再生醫(yī)學領域，人們正嘗試通過靶向治療技術人工調(diào)控HOX基因的表達水平從而促進特定組織的再生與修復。已有研究[41-42]證明HOX基因中MSX和DLX的表達對于促進牙源性間充質(zhì)干細胞增殖起著重要的作用。

在牙齒修復過程中，發(fā)育信號的再現(xiàn)會產(chǎn)生信號通知作用，導致干細胞的招募、遷移和分化。特別是HOX基因（MSX、DLX、PITX和PAX9）會作為大量不同的分子，如生長因子、細胞因子和黏附分子等參與其復雜的相互作用過程。Nagano等[43]報道了Wnt/β-catenin調(diào)控通路參與了小鼠上皮細胞的分化而且通過Yes相關蛋白（Yes-associatedprotein，YAP） 1-轉化生長因子（transforminggrowth factor，TGF） -β信號傳導促進牙胚發(fā)育。而且，在根尖牙乳頭干細胞誘導成骨的體外研究[44]中發(fā)現(xiàn)了BMP4信號通路增強DLX2的調(diào)控。另有研究[45] 表明MSX1 基因缺失可能通過下調(diào)ALP、OC、MMP-2蛋白水平，從而引起相關信號通路途徑異常。

HOX基因可以通過對靶基因進行精準調(diào)控來實現(xiàn)微環(huán)境的改變，在體外，研究者們可以通過小分子干擾技術人工上調(diào)或下調(diào)HOX基因的表達水平，進而對疾病進行靶向治療。Wang等[46]發(fā)現(xiàn)通過下調(diào)HOX 基因家族中的非編碼RNA——HOXA11-AS，可以顯著抑制口腔鱗狀細胞癌的轉移能力。Li等[47]發(fā)現(xiàn)LncRNA HOTAIR可以靶向結合miR-326，上調(diào)LncRNA HOTAIR表達之后，通過降低miR-326促進口腔鱗狀細胞癌的侵襲和轉移。因此，HOX基因正逐步成為人類疾病基因治療的靶點。

HOX基因聯(lián)合牙源性間充質(zhì)干細胞治療技術可能在未來臨床上對于先天缺牙基因靶向治療有著重要的意義。隨著技術的進步，HOX基因治療技術的利用可能會革命性地改變牙組織再生醫(yī)學的未來。

5 總結與展望

HOX基因作為多種轉錄因子的調(diào)控元件，參與多種機制和信號通路的調(diào)控，因此，HOX基因在先天缺牙中扮演著重要角色，有望成為先天缺牙基因治療的新靶點。近年來，對先天牙缺失的研究熱點集中在HOX基因突變類型上，然而HOX基因家族中存在大量的功能冗余，單個基因的突變分析還無法證明HOX基因對牙齒發(fā)育的完全控制。隨著人類基因組學時代的到來，未來，研究者應通過更加深入地研究這些復雜基因的功能特性，探究HOX基因家族之間及與其他轉錄因子間的相關性，進一步明確在牙齒發(fā)育過程中HOX基因的功能多樣性，使得從基因遺傳角度闡釋牙再生、骨再生成為可能，為臨床先天缺牙提供更好的診療思路和治療前景。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。