Notch信号与细胞凋亡及其在口腔医学的研究进展

尹秋蓉，童 娟 综述;王胜朝 审校

(第四军医大学口腔医院预防科军事口腔医学国家重点实验室，陕西 西安 710032)

细胞凋亡涉及一系列基因的激活、表达及调控作用，Notch信号在进化上高度保守，它通过相邻细胞间受体与配体的相互作用传递信号，调节细胞的增殖、分化和凋亡，从而在胚胎发育及组织再生修复过程中决定细胞的命运［1］。许多研究表明，Notch信号参与了机体多种细胞的凋亡调控过程，Notch信号可通过影响凋亡相关分子的表达来调控细胞凋亡，从而对胚胎发育、组织再生修复和功能维持起着重要作用。一些证据表明，在牙齿发育、牙齿损伤与修复过程、以及口腔肿瘤中均发现有Notch信号的参与并可能与细胞凋亡调控相关。本文就Notch信号与细胞凋亡调控及其在口腔医学领域的研究进展作一综述。

1 Notch信号与细胞凋亡

Notch基因于1917年被Morgan等首次在果蝇中发现，因其丧失部分基因功能而突变，并在果蝇翅膀的边缘造成缺口(Notch)而得名。经典的Notch信号通路由Notch受体、Notch配体、转录调控因子CSL以及下游相关信号分子组成［2］。哺乳动物有 4种 Notch同源受体(Notch1、Notch2、Notch3、Notch4)和5种Notch同源配体，后者又分为两类，即 Delta样配体(Delta1、Delta3、Delta4)和Serrate样配体(Jagged1和 Jagged2);CSL蛋白是Notch信号的初级效应分子，当Notch信号被激活(Notch信号由两个邻近细胞的Notch受体与配体相互作用而激活)后，CSL可通过与Notch的细胞内结构域NICD结合而使共抑制复合物解离并形成NICD－CSL复合体，此复合体再与特定的DNA序列(GTGGGAA)结合，并通过募集MAML等组成共激活复合体而激活下游基因的转录;Notch下游靶基因多为碱性螺旋－环－螺旋(bHLH)基因家族，如果蝇的E/spl，哺乳动物的Hes、Hey及HERP等［3］。

细胞凋亡(apoptosis)是发生在多细胞生物的由多基因调控的一种非随机性的特殊死亡形式，具有独特的分子调控机制和形态学特征，它参与从胚胎发育到老化，从正常组织平衡到人类疾病的生物学过程。凋亡是多基因严格控制的过程，其中重要的调控基因有BCl－2家族、IAP家族、抑癌基因p53等［4］。目前已经发现的凋亡途径主要有两条:线粒体途径(内源性通路)和死亡受体途径(外源性通路)，这两条途径都依赖于蛋白酶Caspases的激活来启动细胞凋亡的进程［5］。Caspases分为两大类:一类是启始 Caspases，包括 Caspase－2、－8、－9、－10等，可通过对细胞凋亡的刺激信号作出反应而启动细胞凋亡的过程;另一类是效应Caspases，包括 Caspase－3、－6、－7 等，主要完成对特定蛋白底物的水解。

Notch信号对细胞凋亡具有调节作用，其作用可因组织或细胞本身的Notch信号表达不同、以及内环境和外界刺激的不同而导致调节的方向及分子机制亦不同，即不同细胞中Notch信号对细胞凋亡的调控具有环境依赖性［6］。

1.1 Notch信号对正常细胞凋亡的调控

Notch信号对正常细胞具有正负双重调节作用，在不同的细胞中，其具体的分子机制存在差异。Yang等［7］发现，小鼠神经祖细胞中NICD的过表达可致Notch下游靶基因Bax和Noxa的转录上调;并发现，NICD可通过p53依赖途径诱导细胞凋亡。Beverly等［8］发现，T淋巴细胞中的Notch配体Jagged1可通过上调Notch靶基因Hes1和Hey2的表达来激活胸腺基质上皮细胞中的Notch信号，从而诱导胸腺基质上皮细胞凋亡，导致胸腺退化;并进而影响T淋巴细胞的分化。Ding等［9］发现，大鼠肾小管上皮细胞凋亡也是通过激活Notch信号而上调Hes1的表达来实现的。Chen等［10］在小鼠肝纤维化模型中发现，用γ分泌酶抑制剂DAPT抑制Notch信号能够在一定程度上抑制肝细胞凋亡。以上研究表明，Notch信号的激活可能诱导正常细胞的凋亡。

然而对某些正常组织细胞则表现出与上述不同的情况，即激活Notch信号则可抑制细胞凋亡;而抑制Notch信号则可促进细胞凋亡。Sweeney等［11］在对血管平滑肌细胞(VSMC)进行研究时发现，Notch1和 Notch3的结构性激活可显著上调CBF－1/RBP－Jк的活性以及Notch下游靶基因hes－1、hes－5 和 hrt－1、hrt－2、hrt－3 的表达，从而抑制VSMC的凋亡;而Notch信号的抑制起到了相反的效果。MacKenzie等［12］发现，结构性激活的Notch4能够通过上调Bcl－2和抑制JNK通路来抑制LPS诱导的内皮细胞凋亡。以上研究提示，Notch信号对某些细胞的凋亡可能起到负向调节作用。

1.2 Notch信号对肿瘤细胞凋亡的调控

目前的研究认为，许多肿瘤的发生均与Notch信号的异常表达和激活有关，而且Notch信号对肿瘤细胞也表现为正负双重调节的作用［13］。

Notch信号对肿瘤细胞凋亡的正向调节作用表现为:激活Notch信号可促进细胞凋亡，而抑制Notch信号则可抑制细胞凋亡。Ou等［14］发现，肺癌细胞系A549细胞的Notch1活性区域NICD表达增强可诱导 A549细胞出现凋亡。Qi等［15］发现，肝癌细胞的Notch1过表达能引起G0/G1期细胞周期阻滞并诱导细胞凋亡。Ning等［16］发现，辛二酰双羟肟酸能激活甲状腺髓样癌(MTC)细胞中的Notch1信号，从而上调凋亡标志物Caspase－3、PARP及促凋亡蛋白Bad的表达，下调抗凋亡蛋白Bcl－XL的表达，最终诱导 MTC细胞的凋亡。Hajdu等［17］报道，TGF－β 诱导的人类 B 细胞非霍奇金淋巴瘤细胞的细胞凋亡能够因Notch信号抑制而被部分抵抗。

Notch信号对肿瘤细胞凋亡的负向调节作用表现为:激活Notch信号可抑制细胞凋亡，而抑制Notch信号则可促进细胞凋亡。Rosati等［18］发现，B细胞慢性淋巴细胞性白血病(B－CLL)细胞中的Notch受体和配体的过表达能抑制细胞凋亡，而抑制细胞中的Notch信号则可诱导细胞凋亡。Yao等［19］发现，胃癌细胞系BGC－823细胞的Notch1过表达能够拮抗TNF－α所诱导的细胞凋亡。Sikandar等［20］的研究也表明，在结肠癌中Notch能够通过抑制细胞周期激酶抑制因子p27和转录因子ATOH1来抑制结肠癌起始细胞的凋亡。Wang等［21］的研究证实，下调 Notch1或Jagged1能够诱导前列腺癌细胞凋亡，其机制可能与Akt、mTOR和NF－кB信号途径的失活有关。γ分泌酶是Notch信号激活过程中的关键酶，可通过阻断Notch信号中NICD的产生而抑制Notch信号。有研究发现，γ分泌酶抑制剂可抑制卡波西肉瘤(KS)细胞、T细胞急性淋巴细胞性白血病(T－ALL)细胞、T细胞淋巴瘤细胞系 MyLa、SeAx、HuT－78中的 Notch信号，从而降低这些细胞的生存活力，并诱导其发生细胞凋亡［22］。

2 Notch信号与细胞凋亡在口腔医学的研究

2.1 Notch信号与牙齿发育中的细胞凋亡

牙齿的发育过程涉及 Notch1、2、3的表达，Notch受体的表达呈现明显的时空分布［23］。Notch受体主要表达于牙胚发育早期阶段的牙板上皮，在中间层的分化过程中逐渐扩展到牙髓间充质;但在间充质中，Notch受体只表达于前成牙本质细胞，而在成牙本质细胞中未见其表达，提示Notch信号可能参与维持祖细胞池的功能。更重要的是，在紧密接触间充质的上皮层(如基底层和内釉上皮层)中缺乏Notch受体，这可能对成釉细胞的命运决定至关重要。Notch配体 Jagged1、Jagged2和 Delta1同样参与牙齿发育，且在牙胚发育的不同阶段表达于不同的细胞中，包括内釉上皮层、成釉细胞、成牙本质细胞和前成牙本质细胞层。

细胞凋亡在牙齿形成开始到牙根发育完成的过程中发挥着多样性作用，在牙齿早期的形态发育、硬组织形成以及牙齿萌出的过程中均可观察到细胞凋亡［24］。牙源性细胞凋亡最重要的作用是与发育中牙齿的信号中心(釉结)、残余牙胚以及在牙齿矿化过程中的成牙本质细胞和造釉细胞的消除有关，而牙齿周围组织细胞的凋亡则与牙齿的生长和萌出有关。

Notch信号对牙齿发育中干细胞的分化和凋亡均有调控作用。有研究发现［25］，在不断生长的小鼠切牙颈环处的干细胞中存在Notch受体(Notch1、Notch2)及其靶基因 Hes1的表达。Felszeghy等［26］报道，用γ分泌酶抑制剂DAPT抑制体外培养的小鼠颈环干细胞中的Notch信号后，成釉器星网状层细胞出现大量凋亡;提示，Notch信号是小鼠切牙上皮干细胞生存和釉质形成所必需的，抑制Notch信号可促进其颈环干细胞凋亡。

2.2 Notch信号与牙齿损伤修复中的细胞凋亡

在啮齿类动物的健康牙髓中Notch信号的表达几乎均为阴性。当牙髓受到细菌刺激或外伤时，Notch信号被重新激活并发挥调控细胞功能的作用。Mitsiadis等［27］对成年大鼠的磨牙在正常和损伤时的对比观察中发现:Notch受体及其配体Delta1在正常情况下不表达，而在损伤之后两者的表达均上调。此后Mitsiadis等［28］又对成人牙齿进行观察，结果显示:Notch2在正常牙髓组织中不表达，但在损伤修复过程中有表达;对于龋损牙，Notch2表达于龋损下方的成牙本质细胞以及牙髓组织的炎性细胞和血管中，而降解的成牙本质细胞中不表达Notch2;对于机械损伤牙，在盖髓后9周可见修复性牙本质的形成，Notch2亦表达于损伤附近的牙本质和牙髓以及血管结构中，而在损伤稍远处和远离损伤部位的成牙本质细胞中Notch2呈阴性表达，但在前成牙本质细胞和血管中Notch2呈阳性表达。Lovschall等［29］用氢氧化钙对成年大鼠上颌磨牙的机械损伤模型进行盖髓术发现:术后1 d，Notch基因表达有所提高，但在3 d时出现下降;其中Notch1在靠近损伤部位的个别前成牙本质细胞中表达升高，Notch2在被冠部成牙本质细胞包围的牙髓基质中表达升高;Notchl和Notch3在血管周围细胞中表达升高。另外，在牙髓损伤区附近有少量的Notch配体表达增加，其中Delta1表达于牙本质墙，而Jagged1表达于牙髓基质，Notch信号的下游靶基因Hes1沿着损伤区分布，并且靠近牙本质层。以上研究结果说明，Notch信号可在牙髓损伤时被激活。马亮等［30］进一步研究发现，在未经过任何处理的大鼠牙髓组织中Notch2表达完全为阴性;而机械损伤则能激活大鼠牙髓组织内的Notch信号，其表达水平与牙髓炎症和组织修复反应伴行并呈动态变化，表现为:在3 d时，在牙髓炎症反应区的间充质细胞胞质中出现Notch2的弱阳性表达，表达部位主要位于牙髓成纤维细胞中;5 d时，在新生毛细血管的内皮细胞中Notch2呈强阳性表达，在靠近损伤区的成牙本质下层细胞中Notch2的阳性表达增强并达到高峰;值得指出的是，当牙髓损伤后在终末分化的成牙本质细胞中同样有Notch2表达，且其表达强度在7 d时达到高峰，14 d时基本消失。以上结果提示，Notch2在成牙本质细胞中的表达激活可能与其调控细胞凋亡相关。

细胞凋亡不仅是牙齿发育形成过程中的重要生理机制，同时还参与牙髓组织对外源性损伤和刺激的修复反应。一旦发生牙髓损伤，就会出现相关细胞凋亡，而且成牙本质细胞层的凋亡显著高于其他牙髓细胞。Mitsiadis等［31］分别对正常牙、龋损牙以及受机械损伤后的牙齿进行凋亡检测时发现，正常牙的成牙本质细胞层偶见凋亡，损伤和龋损牙的成牙本质细胞层则出现局部凋亡细胞的增多，表现为:机械损伤后，损伤部位下方被吸卷入牙本质小管的成牙本质细胞出现大量凋亡，并在损伤附近的一些单核细胞和血管内皮细胞中也可见到细胞凋亡现象，而远离损伤部位的成牙本质细胞则未出现凋亡;在龋损牙中，受细菌感染的牙本质下方的成牙本质细胞、前成牙本质细胞和一些牙髓成纤维细胞均出现凋亡。Saito等［32］对小鼠磨牙进行备洞后观察发现，在备洞后12～24 h时，受损伤牙本质下方的牙本质细胞和前成牙本质细胞均出现降解和凋亡，牙髓组织的中央也可见到凋亡阳性染色;备洞后2～14 d时，可见牙髓干细胞发生增殖、迁移，并分化为成牙本质细胞样细胞，进而形成修复性牙本质。

Mitsiadis等［27］还发现，在成年大鼠磨牙牙周机械损伤区可检测到 Notch1、2的表达;其中Notch1微弱表达于一些牙槽骨的骨细胞，而Notch2在牙槽骨中几乎不表达，但在牙周膜的近损伤区的细胞中有Notch2的强阳性表达，并成为牙周损伤修复中的主要受体。以上结果提示，Notch信号在牙周组织的损伤修复过程中也有重要作用，但其具体作用有待进一步研究。

2.3 Notch信号与口腔肿瘤细胞凋亡

有研究发现，Notch信号可能参与牙源性上皮性肿瘤的发生和发展，因为在牙源性鳞状细胞瘤和成釉细胞瘤中均可检测到Notch受体(Notch1、3、4)及其配体(Jagged1 和 Delta1)的表达［33］;尤其是Notch4出现高表达，可能与成釉细胞瘤细胞的组织特异性的获得有很大的关系［34］;而且Notch1的活化还可引起成釉细胞瘤细胞的细胞周期阻滞，并进而调控细胞的凋亡［35］。对于舌癌的研究表明:Notch1、Notch3、Jagged1和 Jagged2在舌癌中均有高表达［36］;而抑制舌癌细胞中Notch信号可以促进其凋亡［37］。另有研究发现，γ分泌酶抑制剂DAPT能够抑制舌癌Tca8113细胞中Notch1的活性并下调Notch靶基因Hes－1的表达;同时还通过下调抗凋亡蛋白 Bcl－2的表达、上调凋亡蛋白Caspase－3的表达而诱导G0－G1期细胞周期阻滞和细胞凋亡;DAPT作用下Notch靶基因Hes－1和凋亡Caspase－3分别呈剂量依赖性减少和增加，提示DAPT可能部分通过调节Notch1和Caspase－3而发挥肿瘤抑制作用;此外，用Jagged1的RNA干扰慢病毒载体使之下调Jagged1基因和蛋白的表达后，可抑制舌癌cal－27细胞的Notch信号，从而使细胞的克隆形成率、增殖活性和S期细胞比率下降，凋亡率升高，成瘤能力下降［38］。

综述所述，Notch信号参与多种细胞的凋亡(包括生理性和病理性的)调控过程，对于不同的细胞类型、在不同内外环境下，Notch信号对凋亡的调控方向和调控机制也存在差异。目前，关于Notch信号与细胞凋亡的研究多集中在发育和肿瘤方面，而在口腔医学中的研究资料相对较少。虽然已有证据表明，在牙齿发育、牙齿损伤与修复过程、以及口腔肿瘤中均有Notch信号的参与并可能与细胞凋亡调控相关，但二者的关系及其作用机制还有待进一步深入研究。

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