TGF-β／Smad信号分子在腭融合过程中的作用

刘小转，潘新娟

·综述·

TGF-β／Smad信号分子在腭融合过程中的作用

M echanism of TGF-β／Sm ad Signaling M olecu le in Paiatal Fusion Process

刘小转，潘新娟

目的了解TGF-β／Smad信号分子在腭发育过程中的表达和作用。方法 参阅国内外相关文献，对TGF-β和Smad信号分子在腭融合过程中的表达做一综述。结果TGF-β和Smad信号分子在腭融合过程中具有时空表达的特异性。结论TGF-β／Smad信号分子在腭融合过程中起着至关重要的作用，为指导临床应用TGF-β和预防先天性腭裂发生的新途径提供理论和实验依据。

TGF-β；Smad；腭融合；腭裂

哺乳动物腭的形成过程复杂，包括腭突上皮与间充质之间的相互作用、腭突的正常发育以及准确定位、细胞外基质的重新塑形、两侧腭突的接触、黏着与融合，还包括其中的细胞增殖、分化和凝聚。胚胎早期，任何外源性致畸因子，都可能通过改变各种细胞因子如转化生长因子β（transforming growth factors，TGF-βs）的表达，从细胞生物学水平改变腭突的正常发育，导致腭裂［1］。Smad蛋白是目前唯一被发现的TGF-β受体作用底物［2］，广泛存在于各种哺乳动物细胞中。TGF-βs启动核内基因的转录必须经过细胞膜相应受体及其下游效应分子，如Smad蛋白转导才起作用。所以，当Raftery［3］、Sekelsky［4］等分别鉴定出Smad信号蛋白，尤其是多个Smad蛋白家族成员的编码基因被相继克隆后，探讨TGF-β／Smad信号途径在腭发育及腭裂形成中的作用，以避免腭裂的发生，成为国内外研究的热点。

1 TGF-β亚型在腭发育过程中的作用

TGF-β亚型（TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3）在物种之间极度保守，具有71%～76%的同源性，信号途径都是Smads或者MAPKs。在小鼠腭发育的早期阶段已经有TGF-β亚型的表达。早在妊娠11.0～11.5 d，当腭体从上颌突推移中突出，并延伸时，只有TGF-β3可在垂直生长的腭突的上皮成分中测出，并且贯穿于中嵴上皮细胞转化成间质细胞的整个过程［5］。在妊娠12.0～12.5 d，在腭突延伸和垂直生长时，TGF-βl和TGF-β2分别表达在腭突上皮细胞和腭突间质细胞内。在妊娠13.0～13.5 d，腭突的上抬期，在腭突的上皮成分TGF-β3高度表达，在这个部位将产生后来的中嵴上皮缝［5］。同时，TGF-βl的转录产物也在腭突中嵴上皮（medial edge epithelial，MEE）细胞中表达，这个阶段腭突中的间质细胞也离散地表达TGF-β1的转录产物，而且TGF-β2的表达贯穿于腭突的间质细胞。但是，也有研究者提出，在腭形成的早期阶段没有TGF-β2的表达。在妊娠14.0～14.5 d，两侧腭突直接接触前，TGF-β3 在MEE细胞中高度集中，在腭突的鼻缘和鼻中隔的上皮也有表达。TGF-βl停留在表达TGF-β3的MEE细胞中和腭突的其他上皮成分中。TGF-β2仍然在间质细胞中表达，尤其是与上皮直接接触的间质细胞［6］。但是，几乎没有MEE细胞表达TGF-β2的转录产物。在腭发育的整个过程中，妊娠14.0～14.5 d腭突中嵴上皮中的TGF-β3转录产物的表达量是最高的。此时，啮齿类动物腭突的上皮间质转化达到一个高峰。在妊娠15.0～15.5 d，当腭突经过上皮间质转化刚刚融合时，中嵴上皮仍然继续表达TGF-β3和TGF-βl，直到中嵴上皮细胞失去它们的形态，完成间质细胞的转化［7］。与妊娠13.5 d和14.5 d相比，上皮岛内剩余的未转化的中嵴上皮中TGF-β3的表达明显减少。然而，在腭突上皮缝内TGF-β3仍然高水平地表达。TGF-β3和TGF-βl局限于中嵴上皮，但是在这一阶段稍后，TGF-βl也在间质细胞中表达。在妊娠16.0～16.5 d，TGF-β3主要在间质细胞表达，仅有有限TGF-β3阳性的上皮细胞残留在融合的上皮附近。TGF-β2分散地表达在中缝周围的间质细胞中。然而，间质细胞内TGF-β的转录产物主要在腭和鼻发育过程中局限于骨化的区域。

尽管关于TGF-β亚型在腭发育过程中精确的时空分布还有一些争议，但是大多数的研究者一致认为TGF-βl在腭突的生长和细胞增殖方面起着至关重要的作用。TGF-β1和TGF-β2在腭发育过程中可以调控间质细胞的增殖和细胞外基质的合成，给妊娠12 d的BIO·A鼠注射可的松，可诱导TGF-β2表达水平下降延迟l d，抑制间充质细胞增殖及腭生长，从而导致腭裂［8］。而TGF-β3主要是促进上皮－间质的转化，调节中缝上皮的融合［9］。TGF-β3（－／－）突变鼠仅表现出腭裂畸形，无其他颅面畸形，两侧腭突黏着但不能融合，上皮缝不能溶解，从而导致腭裂。由此可知，TGF-β3对腭融合的影响是通过内在的原发机制，而非继发颅面畸形的效应［10］。在TGF-β（－／－）突变鼠胚腭融合期，MEE细胞的凋亡数目显著减少，中缝仍有MEE细胞存活，基底膜未降解。加入TGF-β3，可完全改善突变鼠胚的腭裂，表明TGF-β3在调控MEE细胞的转归及基底膜的降解过程中起着特定作用，提示腭融合时，TGF-β3可能作为凋亡的诱导因子调节MEE细胞的转归，而MEE细胞自中缝的迁移以及间充质的持续形成是腭融合的重要步骤［11］。Taya等报道，加入重组人TGF-β3，可以改善TGF-β3（－／－）突变鼠的腭裂畸形，而加入TGF-βl或TGF-β2，腭突仅接近正常融合［12］，加入激活素或抑制素则对未融合的腭突无影响。TGF-β3在腭融合前，诱导腭胚中嵴上皮细胞膜外出现丝状伪足，调节腭突融合。进而表明TGF-β3的效应是由细胞膜外受体传导的，由此为治疗及预防胚胎腭裂提供了新途径。

2 TGF-β受体在腭发育过程中的表达和作用

在哺乳动物的多种细胞表面存在3种TGF-β受体，即I、II、III型受体，这3种受体在腭发育过中与TGF-β亚型一样，具有时空表达的特性。最早在小鼠腭突中出现的TβR亚型是TβR-I，在腭突刚从上颌突中长出，也就是小鼠妊娠12 d时，TβR-I己开始在腭突中表达，此时在腭突上皮和一些间质细胞内可以看到明显的TβR-I阳性细胞。当腭突于舌两侧垂直生长时，TβR-I在上皮中的表达没有什么变化，但是间质细胞内的着色有所减褪。在腭突上抬至水平状态、中缝接触以及中嵴上皮细胞在中缝位置变成单层上皮这个过程中，TβR-I一直保持着在腭突的上皮表达的优势，但是在上皮下的间质细胞内没有表达。随着腭的发育，腭突上皮崩解，TβR-I在上皮缝的分布也变得不连续。在妊娠15 d时，腭突融合，间质细胞汇合后，除了腭的口腔上皮和鼻上皮还有TβR-I的表达外，间质细胞内有微弱的TβR-I表达。TβR-II从腭突的垂直生长期开始表达，位于腭突的上皮细胞。在腭突上抬、中嵴上皮细胞黏着、中缝上皮崩解过程中，TβR-II持续在这些上皮细胞中表达。但当腭突融合后，TβR-II只在中缝位置少量的间质细胞内有微弱的表达。TβR-II在腭突中的表达位置与TGF-β3是一致的，由此可以推断在腭发育的过程中，TGF-β3是以自分泌的方式与TβR-II结合来发挥作用的。TβR-III也是在妊娠13 d，腭突还在舌两侧垂直生长时开始出现的，但是表达很微弱。当腭突上抬、中缝形成时，TBR-III的表达量急剧上升，着色的位置局限于中嵴上皮细胞。随着腭突发育，TβRIII在中缝位置的分布也变得不连续，着色细胞在腭的口腔三角和鼻三角区域较集中。到妊娠15 d，当中嵴上皮细胞从中缝位置消失、间质融合后，除了少量的中嵴上皮岛和间质样细胞还有TβR-III的表达外，其他的腭突细胞均无表达。总而言之，如果能确定TβRs在细胞亚群中的表达，就可以定位TGF-β的反应性［13］。在腭发育过程中，TβR-I、TβR-II和TGF-β3表达模式一样，首要地在腭突的上皮细胞中表达，包括口腔上皮、鼻上皮以及腭突中缝接触前和刚接触时的中嵴上皮细胞内，在中缝位置当中嵴上皮细胞消失时，这些分子的表达也逐渐地消失［14］。然而，TβR-III的表达在时空上局限于腭突中嵴上皮细胞内。那么，根据TβR-III在中嵴上皮中的特异性的表达，可知TGF-β3在中嵴上皮细胞中的生物效应可能是由TβR-III调控的。在腭突融合过程中，中嵴上皮细胞选择性地经历了上皮—间质转化和迁移，这些过程主要是由TGF-β3调控的［15］。在中嵴上皮细胞中，TGF-β3以自分泌的形式与TβR-II结合，而TβR-III可能调节两者的结合过程，通过形成TβR-I、TβR-II受体复合物，局部地提高TGF-β3的自分泌信号。

3 Sm ads蛋白在腭发育过程中的表达和作用

TGF-β家族成员通过激活一系列的丝氨酸酶和苏氨酸酶起作用。一个激活的TGF-β配体由细胞膜锚定的TβR-III递呈给跨膜信号的受体TβR-I和TβR-II，TβR-I和TβR-II随后又激活细胞内的Smad蛋白。Smad蛋白家族是把TGF-β与其受体结合后产生的信号从胞质传导到细胞核内的中介分子，参与TGF-β信号转导的有Smad2、3、4、7。在腭发育过程中，受体调控蛋白Smad2／Smad3的激活和表达是TGF／Smad信号途径起作用的关键证据。

在妊娠12 d，Smad2已在刚长出的腭突的上皮细胞中开始表达，一直到妊娠15 d，Smad2蛋白在不同形态的腭突的上皮中持续表达。然而，腭突内Smad2表达的量与腭突的体积和形态并不相关，在妊娠14～14.5 d，Smad2的表达量达到最高峰，随着融合逐渐降低，融合后完全消失；而且，Smad2蛋白仅在腭突的中嵴上皮细胞、腭的口腔上皮细胞和鼻上皮细胞中出现。P-Smad2是Smad2的活性形式，是在妊娠13 d腭突在舌的两侧垂直生长时开始出现，着色部位于腭鼻上皮远端部位的细胞核内。在妊娠14 d腭突在舌上水平生长时，P-Smad2散布在腭突的上皮细胞内。在妊娠14.5 d，腭突继续生长，当腭突在中缝位置最后接触时，P-Smad2在腭突尖端位置的上皮细胞中表达。当上皮缝分解时，PSmad2在中缝处的分布变得不连续，与此同时在腭的口腔三角和鼻三角区域P-Smad2的着色很集中，而与中嵴上皮紧接的间质细胞内没有P-Smad2的表达。在妊娠15 d的后期，当中嵴上皮细胞在中缝处完全消失，间质细胞完全融合时，P-Smad2蛋白在腭组织中也完全的消失。由此可见，在腭突融合过程中，Smad2蛋白的磷酸化在空间上局限于腭突的中嵴上皮细胞，在时间上也与中嵴上皮细胞的退化、消失密切相关［16］。

研究发现，在TGF-β3突变型胎鼠腭组织的中嵴上皮细胞中P-Smad2的表达缺失，但是，在腭组织发育的同一阶段，Smad2在TGF-β3突变型和野生型胎鼠的腭突上皮内的表达水平无明显的区别。由此可知，Smad2在调节MEE细胞的消失过程中起着关键的作用，而且TGF-β3是Smad2活化的一个首要启动因子［20］。

4 展望

随着细胞生物学和分子生物学技术的飞速发展，国内外在TGF-β信号转导和基因调控方面的研究已取得很大的进步，对Smad家族的结构、功能、下游分子和目的基因有了较为深入的认识。在口腔学研究领域，加强TGF-β／Smad信号通路在腭发育以及腭裂发生过程中的的研究，从细胞内信号转导和基因表达调控水平阐明TGF-βs作用的分子机理，将为指导临床应用TGF-βs和探索预防先天性腭裂发生的新途径提供理论和实验依据，这对于推动本学科的发展具有重要意义。

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R782.2

B

1672－688X（2012）04－0315－03

2012－09－15

河南科技大学医学院，河南洛阳471003

刘小转（1978－），女，河南洛阳人，助教，从事医学免疫学教学工作。