牙根发育启动相关信号通路的研究进展

张陶涛 综述;王小竞，邢向辉 审校

(第四军医大学口腔医学院，陕西西安710032)

在牙齿发育过程中，当牙冠发育完成后，成釉器的中间层细胞和星网状层细胞凋亡，内外釉上皮细胞在颈环处增生而形成上皮细胞根鞘，从而启动了牙根的发育。上皮根鞘位于间充质来源的牙乳头与牙囊之间，类似‘三明治’结构，是牙根发育过程中上皮与间充质相互作用的信号中心［1］。本文就近年来关于牙根发育启动相关信号通路的研究进展作一综述。

1 Shh信号通路

Shh(sonic hedgehog)是 Hedgehog(HR)的同源基因。Shh信号通路由Shh糖蛋白配体、跨膜受体Ptch(Patched)、Smo(Smoothened)、核转录因子Gli(Glil、Gli2和Gli3)等组成。Shh蛋白是整个通路的启动因子，通过其跨膜受体Ptc和Smo向邻近细胞传递信号，激活下游转录因子Gli，进而激活目的基因 Ptch、Glil、Wnt等发挥作用。

研究发现Shh表达于上皮根鞘，参与牙根发育。Nakatomi等［1－2］通过原位杂交技术观察了小鼠下颌第一磨牙牙根Shh信号、细胞增殖标记物PCNA(proliferating cell nuclear antigen)和Brdu(5－Bromo－2'－deoxyuridine)的表达情况，发现小鼠下颌第一磨牙牙根Shh的表达具有一定的周期性:出生后1 d小鼠Shh表达于除根尖和颈环区外的内釉上皮，出生后5 d小鼠Shh表达于根尖端内釉上皮，出生后9 d小鼠Shh表达于上皮根鞘，特别是上皮隔;目的基因Ptc1，Gli1表达于上皮根鞘和邻近间充质;细胞增殖标记物PCNA和Brdu与目的基因Ptc1、Gli1在间充质的表达区域重叠。此后Mohammed等［3］的研究也得到了相似的结果:出生后10 d小鼠第一磨牙颈缘Shh无表达，而上皮根鞘区表达阳性;目的基因Ptc1和Gli1表达于上皮根鞘和邻近间充质。为进一步明确Shh信号在牙根发育中的作用，Nakatomi等［2］还同时建立了Ptc1蛋白C端异常的小鼠模型，发现出生后7 d的Ptc1蛋白C端异常小鼠下颌第一磨牙紧邻上皮根鞘的间充质无Brdu阳性细胞，即邻近上皮根鞘周围的细胞增殖受抑制，而正常对照组小鼠则存在Brdu阳性细胞。

Mohammed等［3］研究发现:Hip1在牙根区低表达，Gas1上皮根鞘区无表达。由于Hip1(Hedgehoginteracting protein)能够与 Hedgehog蛋白结合并抑制 Hedgehog信号，Gas1(Grooth arrest－specific gene)能编码一种糖基化膜蛋白，拮抗Shh信号，因此，该结果提示Shh信号对于牙根发育具有重要意义。

Huang XF等［4］也通过建立Smad4信号缺乏的牙根发育缺陷小鼠模型(K14－Cre;Smadfl/fl小鼠)进行了相关研究，发现新生野生型小鼠下颌第一磨牙Shh表达于上皮，而新生K14－Cre;Smadfl/fl小鼠Shh表达明显下降，验证了K14－Cre;Smadfl/fl小鼠Smad 4信号缺乏。作者又将两类小鼠的下颌骨移植于肾被膜下，2周后发现:野生型小鼠下颌第一磨牙Shh表达于上皮根鞘，Gli表达于上皮和间充质，而K14－Cre;Smadfl/fl小鼠磨牙则无 Shh和Gli的表达;若将Shh蛋白颗粒作用于肾被膜下并同时移植K14－Cre;Smadfl/fl小鼠牙胚，则可见正常牙根组织形成，表明 Shh是 TGF－β·BMP信号通路Smad 4的下游分子。

2 TGF－β信号通路

TGF－β(trasforming growth factor－β)超家族由分泌型多肽分子TGF－β、活化素、抑制素、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)等构成，参与细胞增殖、凋亡、分化以及细胞外基质的合成和贮存等。Smads(drosophila mothers against decapentaplegic proteins)蛋白家族是TGF－β受体作用的底物，其中共同通路Smad Smad 4是Smads蛋白家族介导的TGF－β信号通路的核心介质。

Huang XF等［4］将建立的Smad 4信号缺乏型牙根发育缺陷小鼠(K14－Cre;Smadfl/fl)的下颌骨移植于肾被膜下，2周后发现:上皮根鞘细胞增殖但尚未与牙冠分离，4周后仍无牙根形成，且根部牙本质变异为骨性牙本质。表明Smad 4是牙根发育启动的重要分子。

Akihiro H等［5］研究发现:上皮根鞘和成牙本质细胞表达BMPⅠ型受体、Ⅱ型受体;BMP 4表达于牙乳头，表明BMP 4参与上皮根鞘和根部成牙本质细胞的形成。在该研究中，作者分别将BMP 4及其拮抗分子Noggin蛋白颗粒分别植入体外培养的出生后5 d小鼠第一磨牙牙胚中，48 h后，发现BMP 4植入组的上皮根鞘细胞无细胞增殖标记物PCNA的表达，且上皮根鞘也较Noggin植入组的短，推测BMP 4可能通过抑制上皮根鞘的延伸和细胞增殖参与牙根发育。Maksim VP等［6］通过建立Noggin基因过表达转基因小鼠模型(K14－Noggin转基因小鼠)进行研究，发现由于口腔及牙上皮Noggin基因过表达抑制了BMP信号通路在上皮与间充质间的相互作用，导致下颌磨牙缺失，上颌磨牙上皮根鞘细胞和周围间充质细胞增殖率低，牙根发育延迟。K'emoun等［7］研究发现:小鼠牙根发育早期BMP 2、BMP 7、BMPⅠ型受体、Ⅱ型受体表达于牙囊和上皮根鞘;间充质祖细胞标记物STRO－1表达于牙囊，且与BMP受体存在共表达区，推测STRO－1阳性细胞是上皮根鞘BMP信号通路作用的靶细胞。这些证据均表明TGF－β信号通路与上皮根鞘、根部牙本质形成关系密切。

3 Nfic家族

Nfi(nuclear factor I)属于转录复制因子家族，包括Nfia、Nfib、Nfic、Nfix等，其中 Nfic与牙根发育相关。研究表明Nfic基因缺陷小鼠磨牙牙冠发育正常，牙根发育障碍，牙根成牙本质细胞较短且未极化，无前期牙本质，形成骨性牙本质，无明显的双层细胞排列的上皮根鞘形成［4，8］。Nfic基因缺陷小鼠切牙唇侧牙本质异常，舌侧牙本质缺如;成牙本质细胞细胞间连接丧失;胞质紧密粘连蛋白及闭锁蛋白表达下降，推测Nfic信号与牙根发育过程中成牙本质细胞间连接的建立有关［9］。

Dong Seol L等［10］研究，发现野生小鼠切牙牙骨质骨涎蛋白(BSP)表达阳性，而牙本质BSP表达阴性;Nfic基因缺陷小鼠切牙的成牙本质细胞异常，牙本质涎蛋白(DSP)弱阳性，BSP则为强阳性表达。提示TGF－β信号调节成牙本质细胞的分化，促进细胞外基质的合成。Xe WX等［11］研究也发现:Nfic基因缺陷小鼠切牙膜受体激活型Smad Smad 2/3、TGF－βⅠ型受体强阳性表达。推测Nfic信号缺失，促进TGF－β的表达，从而下调DSP，上调BSP，导致成牙本质细胞以及牙本质形成异常。Mi Y等［8］采用RNA干扰技术建立了Nfic基因表达下调的成牙本质样细胞系，并通过DNA微阵列技术发现:Nfic基因缺陷细胞中由TGF－β诱导的细胞外基质蛋白——TGF－βI蛋白(transforming growth factor beta－induced)表达上调，表明 TGF－βI不是正常牙根发育所需要的。

另外，有学者将Shh蛋白颗粒作用于肾被膜下，并同时移植Nfic基因缺陷小鼠下颌骨，无正常牙根组织形成;当同时移植Smad基因缺陷小鼠下颌骨时，即能观察到Nfic、DSPP生成，表明Nfic是Shh的下游分子，Shh诱导 Nfic、DSPP的表达［4］。这些证据均表明Nfic是牙根发育所必须的，尤其是根部牙本质的形成，但不参与牙冠形成。

4 成纤维细胞生长因子家族

成纤维细胞生长因子家族Fgfs(Fibroblast growth factors)是一类由24个成员组成的蛋白质家族，在不同的组织上通过与受体结合来启动复杂的细胞内信号转导途径，调节细胞的增殖和分化。成纤维细胞生长因子在牙根发育时的上皮与间充质相互作用中发挥着重要作用。有研究发现:小鼠切牙间充质细胞FGF 10持续表达，形成颈环干细胞龛，使小鼠切牙可以终生不断生长，无类似磨牙的牙根形成［12－13］。Tamaki［12］等研究发现:FGF 10 基因缺陷小鼠切牙无根尖蕾形成，唇侧生长受限;FGF 10基因过表达小鼠磨牙牙胚根尖蕾形成而上皮根鞘形成受抑制，推测间充质FGF 10信号消失可促进上皮根鞘的形成，启动牙根发育。

5 Notch信号通路

Notch信号转导通路介导细胞与细胞间的局部信号传递和相应的信号级联反应，参与大量的组织和器官的早期发育。SEL1L(suppressor of lin－12－like)是 LNI－12·Notch 信号系统的关键抑制因子。Notch 1在小鼠磨牙颈部无表达［15］，Notch信号的负调节因子SEL1L在小鼠磨牙上皮根鞘强阳性表达，切牙颈环细胞则无表达［16］。推测磨牙Notch信号负调节因子SEL1L的表达有助于牙冠发育模式向牙根发育模式的转变［17］。

切牙上皮Notch 1信号和间充质FGF 10信号均有助于颈环干细胞龛的维持，促进小鼠切牙终生持续生长［12－14］。DAPT{N －［N － (3，5－Difluorop henacetyl－L－alanyl)］－S－phenylglycine t－butyl ester}是一种γ分泌酶复合物抑制剂，常作为Notch信号通路的抑制剂。Szabolcs等［18］通过体外培养切牙牙胚发现:DAPT抑制Notch信号目的基因Hes1表达，导致上皮干细胞大量凋亡，而体内切牙牙胚干细胞也存在一定的凋亡，推测细胞凋亡是维持干细胞龛的可能机制。

牙根发育启动的分子机制尚有待于进一步研究，可对牙根发育不良疾病(hypoplasia of teeth root，HTR)的致病机制，组织工程牙根的培养等提供一定的理论支持。

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