Wnt信号通路对牙齿发育和牙囊成骨向分化的调控作用

陈婵婵 综述 凌均棨 审校

(中山大学光华口腔医学院·附属口腔医院·口腔医学研究所，广东广州510055)

Wnt是一类分泌型糖蛋白，在哺乳动物中至少有19种，是Wnt信号通路中的关键蛋白，可通过自分泌或旁分泌发挥作用。根据其转导方式可将Wnt信号通路分为经典Wnt/β -catenin信号通路以及非经典通路Wnt/Ca2+、Wnt/PCP、Wnt/RAPI等。Wnt蛋白亦分为两类:①Wnt1家族，包括Wnt1、Wnt3、Wnt3a、Wnt7a、Wnt7b、Wnt8a 等，能有效激活经典信号通路;②Wnt5a家族，包括Wnt4、Wnt5a、Wnt11等，不但不能有效激活经典信号通路，甚至对其还有抑制作用［1］。

经典Wnt信号通路抑制剂有sFRP家族和DKK家族，可通过结合Wnt信号分子和竞争性结合辅助受体LRP5/6抑制Wnt信号转导入细胞内，从而发挥其抑制经典Wnt信号通路的作用。Wnt信号分子在个体发育中起着关键的调节作用［2］。大量来自基因敲除的研究结果显示，包括颅面部器官在内的几乎所有器官发生过程都必需有Wnt信号通路的调控。本文就Wnt信号通路在牙齿发育和牙囊成骨/成牙骨质向分化中的作用研究进展作一综述。

1 Wnt信号分子在牙齿发育过程中的表达分布

在牙形态发生过程中，Wnt经典信号通路参与了上皮和间充质的相互作用。Sarkar等［3］研究发现，发育中的大鼠牙齿有 Wn t-3a、4a、5a、6b、7b、10b等分子的表达;同时还表达Wnt的受体MFz6和拮抗剂/激动剂MFrzbl和MFrp2。原位杂交检测显示，在人牙齿的发育过程中有Wnt信号通路相关信号分子 Wnt配体(Wnt3，Wnt5a)、受体(FZD4，FZD6，LRP5)、传导因子(β-catenin)、转录因子(TCF4，LEF1)以及信号通路抑制剂(DKK1，Sostdc1)mRNA的表达，并具有特异性时空分布的特点［4］。有研究显示，Wnt3、Wnt3a和 β-catenin 在大鼠牙齿牙囊的表达基本一致，在出生5 d的大鼠牙齿牙囊中开始呈弱表达，此后逐渐增强并持续到第13天;Wnt3a在体外培养的牙囊细胞中呈阳性表达，而且成骨诱导可促进其表达，推测Wnt3a参与牙萌出及成骨发生过程［5-6］。而Wnt5a在大鼠牙囊组织中的表达从出生后第3天开始，信号持续至第11天，但其表达强度弱于周围矿化的牙槽骨细胞和成釉细胞［7］。Cai等［8］研究显示，在小鼠胚胎发育的第14～17天时，其牙源性上皮和间充质中均强表达wnt5a。目前已证实，Axin2在细胞质中可通过降解β-catenin而达到抑制Wnt信号的作用，是经典wnt信号通路的重要组成因子。Lohi等［9］发现，随着牙齿发育，Axin2先在初级釉结节、次级釉结节以及它们下方的间充质中表达;小鼠出生后，Axin2主要在发育中的牙本质、牙乳头和牙根区域表达，说明Axin2对晚期牙齿发育中的釉质成型和牙根发育具有重要作用。另有研究发现，在小鼠牙发育过程中的牙骨质生成起始阶段表达Wnt信号通路抑制剂Sclerostin［10］;并发现，Sclerostin 能抑制成牙骨质细胞的增殖和分化，促进破骨细胞的生成，提示其可维持牙骨质细胞的稳定性［11］。

2 Wnt信号通路对牙齿发育的调控机制

Chen等报道，敲除小鼠的牙源性间充质中的β-catenin后，会导致其臼齿发育停止在帽状期之前［12］。在转基因小鼠的胚胎口腔上皮组织连续表达稳定形式的β-catenin，会使其口腔中形成超数牙［13-14］。β-catenin在牙源性间充质中过表达可使转基因小鼠的牙齿形成过量牙本质和牙骨质，说明Wnt/canonical信号通路对牙发育具有重要的调节作用［15］。Zhang 等［16］发现，在成牙本质细胞和成牙骨质细胞中条件性敲除β-catenin后，可导致小鼠出生后牙根发育停滞。Wnt5a基因敲除的小鼠在胚胎第16.5天时出现牙胚发育迟缓，从而导致其出生后形成较小且形态异常的牙齿，并伴随牙本质分化迟缓［17］。Porcn蛋白是一种膜结合O酰基转移酶，对Wnt蛋白的棕榈酰化(almitoylation)、分泌和蛋白活性起决定性作用［18］。Dias等［19］在对病灶性真皮发育不全(Focal dermal hypoplasia，FDH)的患者进行研究时发现，X染色体上PORCN基因突变可刺激wnt家族蛋白的分泌，从而导致包括皮肤、骨骼、眼和牙齿等多器官的发育异常;同时还发现，在新生患儿的上颌就已有2个乳牙萌出。Maalouf等［20］也发现，FDH患者存在单侧恒牙发育异常。另有研究发现，在小鼠牙蕾状期用经典Wnt信号通路抑制剂DKK1对其进行诱导，可使牙齿产生不锋利的牙尖形态［13］。

大量研究表明，哺乳动物的牙齿发育受到Wnt经典信号通路和来自其他生长信号通路分子的共同调节［21-22］。Cho 等［23］认为，Shh、Sostdc1 与 Wnt之间通过形成负反馈调节体系，共同调节牙齿形态的空间发生。Cai等［8］研究显示，在小鼠胚胎发育的第14～17天，Wnt5a的表达分布与Shh和Bmp4的表达部分重叠，外源性Wnt5a在体内和体外均会引起牙形态较小和牙尖圆钝，而凋亡抑制剂的使用则可减缓这一效应;推测其机制可能是:牙齿发育过程中，Wnt5a在非牙源性上皮和间充质中通过引起细胞凋亡限制牙胚过度增长，而在牙胚内部，Shh和Bmp4则可使细胞免于凋亡。Yang等［24］发现，敲除小鼠牙源性间充质中的 Tgfbr2可导致wnt5a表达上调和 Fgf3/10的表达下调，并通过两者协同加强上皮中的Lrp5/6-β-catenin信号;提示TGF-β信号通路通过Wnt信号途径调节上皮与间充质的相互作用，从而维持牙源性上皮干细胞的稳态。以上研究结果均表明，Wnt信号通路在牙齿的形态发生和发育过程中发挥了重要作用。

3 Wnt信号通路参与牙囊细胞的成骨/成牙骨质向分化

近期研究结果显示，Wnt信号通路可能参与了牙囊细胞的成骨/成牙骨质向分化。Morsczeck等［25］的蛋白组学结果显示，在人DFSCs的成骨/成牙骨质向分化过程中有 Wnt通路分子的参与。Silvério 等［26］发现，在小鼠 DFCs中，BMP2 需要和Wnt/β-catenin信号通路相互作用促进细胞成熟，但Wnt3a/β-catenin通路可抑制BMP2介导的成骨/成牙骨质向分化。研究发现，Hertwig＇s上皮根鞘需通过Wnt信号通路调控牙囊细胞的成骨/成牙骨质向分化;在此过程中，Wnt3a可显著增加Hertwig＇s上皮根鞘对牙囊细胞成骨/成牙骨质分化的促进作用，而wnt信号通路抑制剂DKK1则能减弱这一效应［27］。Nemoto 等［28］发现，分别采用 Wnt经典信号通路激活剂LiCl和外源性激活蛋白Wnt3a处理体外培养的成牙本质细胞，可下调细胞中ALP、BSP和OCN等成骨相关基因的表达，而抑制剂DKK1能减弱由Wnt3a引起的Runx2和OCN表达下调，但Wnt3a可上调cyclin D1的表达;提示Wnt能体外抑制成牙骨质细胞的成骨分化，并促进其增殖。本课题组前期研究显示，在成骨诱导液的处理下，Wnt5a和Wnt3a蛋白均能显著促进大鼠牙囊细胞的骨向分化，其中以Wnt3a的作用较强［7］。

有实验表明，Wnt经典和非经典信号通路均参与了大鼠牙囊细胞的成骨/成牙本质向分化过程:Wnt经典信号通路核心蛋白β-catenin稳定过表达可促进大鼠牙囊细胞中β-catenin、RUNX2、OCN和I型胶原蛋白的表达水平上调，从而增强其矿化能力;β-catenin稳定沉默则能降低牙囊细胞中β-catenin、RUNX2、OCN 和 I型胶原的表达，并抑制其矿化能力;Wnt PCR芯片检测结果显示，100 g/L DMEM培养4周组的Fzd1基因上调、Wif1基因下调，矿化4周组Nkd2基因下调，矿化4周组与100 g/L DMEM培养4周组相比，Ccnd2基因明显下调;以上结果提示，牙囊细胞的增殖和分化需要Wnt经典信号通路的调控［5］。Nkd1和Nkd2是果蝇裸露角质蛋白的哺乳动物同源体，既是Wnt信号通路的下游靶基因，又可通过蓬乱蛋白(Dsh/Dvl)负向调节Wnt信号通路，是一类胞内可诱导性Wnt抑制剂，对维持Wnt信号通路的平衡状态具有重要意义［29］。Nkd1和Nkd2基因双敲除的小鼠会出现颅骨发育异常、颅缝骨闭合缺失、鼻骨较短［30］，但其对牙齿发育的影响目前尚未见报道。Wnt经典信号途径中的Wnt3蛋白在大鼠DFCs成骨诱导中的表达呈先增加后逐渐较少的趋势，到第3周时其表达水平与阴性对照组相同;提示Wnt3可能参与了牙囊细胞的早期成骨向分化［6］。有研究还发现，Wnt非经典途径蛋白Wnt5a可通过JNK和Ca2+信号通路促进大鼠牙囊细胞的成骨向分化，并且与 BMP2通路间存在相互作用［7］。

综上所述，Wnt信号通路不仅在牙发育和形态发生中发挥着重要的调控作用，同时还参与牙囊细胞的成骨/成牙骨质向分化过程;但其具体调控机制以及与其他多种信号通路间形成的复杂调控体系目前尚不清楚，仍需进一步深入研究。

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