转化生长因子β信号转导通路在牙齿发育中作用的研究现状

张 俊

清华大学医院，北京 100084

牙齿的发育是一个动态过程，通过细胞的增殖、迁移、分化、蛋白的合成、分解和胞外基质的矿化等的精确控制得以实现。在牙齿发育的每个时期，基因和蛋白表达的一系列精密串联支配着细胞正确的定位和分化。过去的很多研究从分子学和细胞学机制阐述了牙齿的发育。本文以转化生长因子β (transforming growth factor－β，TGF－β)及其受体和信号转导通路为重点，对牙齿发育的机制作一综述。

1 牙齿发育的组织学

牙的发育是一个长期、复杂的生物学过程，包括细胞与细胞、上皮与间充质的相互作用，细胞分化，形态发生，组织矿化和牙萌出。牙的发育源于口咽部的上皮和下方神经嵴间充质细胞，发育过程与皮肤的附属器官毛发、鳞屑相似［1］。

牙胚发育首先开始于口腔上皮的增生形成状如花蕾的上皮芽，而上皮下方和周围的外胚叶间叶细胞增生，密集包绕上皮芽。此后，上皮芽继续向外胚间叶中生长，体积逐渐增大，形成帽状成釉器、钟状成釉器，并最终形成牙冠。而周围的间充质牙乳头细胞逐渐分化形成牙髓和牙本质，牙乳头是决定牙形状的重要因素，还可以诱导非牙源性的口腔上皮形成成釉器。在钟状期，内釉细胞诱导靠近基底膜的牙乳头细胞分化为成牙本质细胞，进而分泌形成牙本质基质。同时，成牙本质细胞又反作用于成釉细胞，维持其细胞表型，促使其形成牙釉质。钟状末期成釉细胞和成牙本质细胞的分化是牙齿所特有的，它们在上皮－间充质的相互作用下发生并受调节［2－3］，外胚间叶组织呈环状排列，环绕成釉器和牙乳头底部，为牙囊，形成以后的牙骨质、牙周膜和固有牙槽骨。

2 TGF－β信号通路

2.1 TGF－β及其受体

生长因子是由多种组织细胞产生，调节细胞生长和分化的一类小分子多肽。转化生长因子β是TGF－β细胞因子超家族的成员，可调节多种靶基因的表达，在胚胎生长发育、细胞分化、增殖及凋亡的调节中发挥着重要作用，同时参与细胞外基质的分泌和发育分化等多种生理过程。TGF－β的活性结构为25kD二聚体，由两条相同多肽链 (112个氨基酸)经二硫链相连，TGF－β有5种异构体形式，体内只有 TGF－β1、TGF－β2、TGF－β3三种。

在人的细胞表面存在三种TGF－β受体，即I型、II型、III型受体。I型、11型受体都是单次跨膜的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体，胞膜外区较短，富含半胱氨酸，胞浆区较长，含有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域，具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的活性。与II型受体相比，I型受体的胞外区和胞浆区均较短，在I型受体的胞浆区蛋白激酶结构域N端与细胞膜之间，存在一个富含丝氨酸和甘氨酸的结构域，称为GS结构域。GS结构域中有一段保守的SGSGSGLP基序，GS结构域为I型受体所特有。III型受体不参与TGF － β 的跨膜信号转导［4－5］。

2.2 TGF－β受体活化方式

TGF－β与受体结合，使受体活化。首先，TGF－β与细胞膜表面的II型受体结合，形成二元复合物。I型受体不能单独与TGF－β自由结合，它是在TGF－β与II型受体结合后，识别二元复合物，并与之结合形成三元复合物。在此过程中，II型受体胞浆区的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域将I型受体胞浆区GS结构域的丝氨酸/苏氨酸磷酸化，使I型受体活化。活化的I型受体再进一步作用于细胞内的下游分子，将TGF－β的信号向细胞内传递。I型和II型受体在TGF－β的信号转导中都是必不可少的，单独表达I型或II型受体的细胞会对TGF－β失去反应［6，7］。在I型、II型受体都高表达的情况下，二者的胞浆区会形成异源二聚体，并引起非配体依赖的TGF－β样生物学作用［8］。

2.3 TGF－β的细胞内信号转导途径

TGF－β的细胞内信号转导途径及其对基因表达的调控方式，在Smads家族发现后，得到了深入地研究。Smad蛋白家族主要分为三个亚族:途径限制型Smads(Pathwayretricted Smads，R－Smad)，共同中介型Smads(Common－mediator Smads，C－Smad)，抑制型 Smads(Inhibitory Smads，I－Smads)。Smads的N端和C端含有保守的氨基酸序列分别称为MH1和MH2结构域，之间含有富含脯氨酸的连接区。R－Smad包括 Smad1、2、3、5、8、9，它们分别在某种TGF－β超家族细胞因子的信号转导途径中起作用，如Smadl、Smads5和Smad9是BMPs的细胞内信号转导分子，而Smad2和Smad3是TGF－β的细胞内信号转导分子。它们的C端含有一个特征性的富含丝氨酸基序列(SSXS motif，Ser－Ser－X －Ser)，可被 TβRⅠ磷酸化。ISmads、C－Smads无此序列。MH1能与DNA直接结合，而MH2主要与DNA结合蛋白和辅助因子结合，调节转录活性。生理条件下MH1与MH2域能相互抑制，MH1能抑制MH2的转录调节活性，而MH2能抑制MH1与DNA结合的能力。SSXS区被TβRⅠ磷酸化后可解除MH1、MH2的相互抑制作用。以TGF－βI型受体TβRⅠ－Smads信号途径为例，TGF－β1结合并激活TβRII，后者活化 TβRI，进而磷酸化R－Smads，使Smad2或/和Smad3由非活性从而获得活性。磷酸化的 Smad2或/和 Smad3连同 C－Smad，Smad4形成异聚体，进入细胞核，参与调节基因转录。ISmads成员Smad6和Smad7对TGFβ1信号传递起负调控作用。

除了Smads途径外，TGFβ1还可激活一系列其它信号分子［9］，如蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)、酪氨酸激酶Ⅱ和MAPKs(包括ERK1/2，p38和JNK)等，介导不同的生物学作用。

3 TGF－β及其信号通路在牙齿发育中的作用

对于TGF－β及其受体在牙齿发育各个时期的表达研究较早，Vaahtokari等在1991年就提出TGF－β1、2、3存在于牙齿中，并与牙齿的形态发生有关。TGF－β及其受体参与了牙胚的发生、发展和成熟过程，并且随着成釉器和成牙本质细胞的功能分化表达逐渐增强。许多研究证实，TGF－β在上皮－间充质相互作用过程中起重要的作用，通过调节细胞外基质、核内转录因子、细胞粘附因子等的表达，参与调控牙胚发育和细胞分化。国外一项研究通过原位杂交实验发现，钟状期内釉上皮、成熟的成牙本质细胞和成釉细胞表达TGF－β。另一项研究则发现在钟状期牙胚的星网状层、牙乳头细胞和成牙本质细胞表达TGF－β。

TGF－β信号通路在牙齿发育中发挥着重要的作用。一些研究中发现在TGF－β作用下，Smad2和Smad3与共用中介分子Smad4结合入核内后，可与Jun家族成员形成的转录因子AP－1结合，调控目的基因表达。而Jun家族成员仅在牙乳头的成牙本质细胞表达，未在牙乳头细胞表达，其余成牙本质细胞的分化和牙本质的形成有关。由此，Smad2和Smad3能特异地转录TGF－β的信号，并可能参与调控牙胚发育和成牙本质细胞的终末分化。国内第四军医大学的一项研究表明，在牙齿蕾状期牙板和成釉器细胞中Smad2和Smad3表达，周围间质细胞表达较少，与TGF－β在蕾状期牙胚的分布相同，提示牙胚发育早期Smad2和Smad3参与TGF－β信号传导过程，以促进上皮－间充质之间的相互诱导作用。2001年何文喜等在人牙胚发育各期的标本中首次观察到Smad4信号分子在人牙胚发育过程中的表达，发现其表达在各期存在特异的时空分布模式，且与TGF－β等细胞因子的表达有相似，与其作为TGF－β超家族成员细胞内信号分子的功能是相一致的。在牙胚发育早期，Smad4可能参与上皮－间充质相互作用的信号诱导;在成釉细胞和成牙本质细胞分化中，Smad4表达增强，至分化成熟以及牙釉质、牙本质形成表达最强，表明其可能参与成釉细胞和成牙本质细胞的分化，以及牙釉质和牙本质的形成。

综上所述，TGF－β在牙齿发育的各个阶段均有表达，其信号传导分子在口腔发育的不同时期也有不同的表达，但其在牙齿发育的阶段中信号传导至核内后又启动哪些转录因子，作用于何种靶基因，以及在信号转导过程中的作用机制尚有待进一步研究。

［1］ Thesleff，I．，Vaahtokari，A．and Partanen，A．M．(1995)Regulation of organogenesis．Common molecular mechanisms regulating the development of teeth and other organs．Int．J．Dev．Biol．39，35 – 50．

［2］Ruch，J．V．，Lesot，H．Begue － Kirn，C．Odontoblast differentiation．Int．J．Dev．Biol．1995，39，51–68．

［3］ Derynck R．TGF － β －receptor－mediated signaling．TIBS，1994，19(12):548

［4］ Massague J，Attisano L，Wrana JL．The TGF－β family and its composite receptor．Trends Cell Biol，1996，4:172．

［5］ Wang L，Zhu Y，Sharma K．Transforming growth factor－β1 stimulates protein kinase A in mesangial cells．J Biol Chem，1998，273(14):522－527．

［6］张莹，张郁，金岩．转化生长因子β受体在牙胚发育过程中的表达和意义［J］．牙体牙髓牙周病学杂志，1999，3(9):11－13．

［7］ Thesleff I，Vaahtokari A，KettunenP，et al．Epithelial mesenchymal signaling during tooth development．Connect tissue res，1995，32:9．

［8］包柳郁，牛忠英等．人牙髓细胞内Smad2、3在TGF－β1信号转导中作用的研究［J］．西安:第四军医大学，2006．

［9］何文喜，牛忠英，赵守亮．Smad4在人牙胚发育各期的表达与分布［J］．北京口腔医学，2001，9(1):1－4．