CDC42参与细胞极化在成牙本质细胞中的研究进展

魏春雨 荣丽 崔彩云 夏倩颖

[摘要]细胞极化是前体细胞分化为成牙本质细胞的重要步骤，是细胞发挥生理功能的结构基础，诱导间充质干细胞极化定向分化为成牙本质细胞是实现牙髓-牙本质复合体再生的关键。细胞周期蛋白42（CDC42）是细胞极性化的开关分子，其参与成牙本质细胞和成釉细胞极化的作用机制尚不明确，且相关研究较少。本文回顾了成牙本质细胞的极化以及 CDC42在其细胞极化方面的相关研究，为成牙本质细胞分化及牙髓-牙本质再生研究提供基础。

[关键词]成牙本质细胞;成釉细胞;细胞极化;细胞周期蛋白42

[中图分类号] R781.3  [文献标识码] A[文章编号]2095-0616（2022）07-0036-04

牙髓病是发生于牙髓组织的疾病，根据病源刺激物和机体的免疫防御能力强弱，经历组织炎症、变性和坏死等，牙髓炎是最常见的牙髓疾病。根管治疗即去除感染牙髓组织，严密充填，杜绝再感染，是临床保留患牙的常规治疗方法。根管治疗后牙体组织丧失大部分营养来源，牙齿变脆容易折裂。为降低牙折裂的风险，牙髓再生成为替代根管治疗的重要研究方向。成牙本质细胞和成釉细胞是终末分化细胞，其功能的发挥离不开典型的极化状态，目前对于成牙本质细胞和成釉细胞的极化研究相对较少，作用机制仍不明确。本文回顾了成牙本质细胞和成釉细胞的细胞极化以及细胞周期蛋白42（cell division cycle 42， CDC42）在其细胞极化方面的研究，就成牙本质细胞和成釉细胞的极化及 CDC42在极化中的作用进行综述。

1成牙本质细胞和成釉细胞的细胞极化

细胞极化是指细胞、细胞群、组织或个体在一个方向上，相对两端表现出不同的形态或生理特征[1]，包括细胞的结构不对称或功能不对称[2]。哺乳动物细胞在其生命周期中几乎都会经历短暂或永久的极化。细胞极性包括顶底极性、平面极性、前后极性和极性分裂中的极性[3]。上皮细胞、成牙本质细胞和成釉细胞等都是通过细胞极化完成特定功能[4]。细胞极化的特征成分包括细胞间连接的形成、细胞骨架的不对称分布、细胞器的重新定位、极性复合体和膜脂的分布等[2，5]，目前上皮细胞的极化研究较为成熟。

上皮细胞的细胞极性可分为顶底极性（apico-basalpolarity， ABP）和平面极性（planar cell polarity， PCP）[1，6]。ABP 是指细胞成分在细胞的两个相对表面之间呈极化分布，将细胞分为两个互补的结构域，即顶端结构域和基底结构域[7-8]，参与细胞迁移和维持组织结构等[9-10]。上皮细胞顶底极性的形成包括细胞连接的形成、极性复合物的建立、细胞骨架的不对称分布等[1，5]。PCP 是指细胞在整个组织平面上垂直于顶底轴向的极性，这种极化在整个组织中传播，提供控制集体形态发生的极性轴，如细胞结构的取向和细胞排列等[11-12]，需要整体的极性信号和极性蛋白在细胞内不对称分布[13-14]。

牙发育起始于牙胚，牙胚发育可分为蕾状期、帽状期和钟状期[15]。在钟状期，牙乳头细胞经内釉上皮诱导分化成前成牙本质细胞[3，16]，有丝分裂完成后退出细胞周期，分化为成牙本质细胞，细胞核逐渐远离基底膜，高尔基体和内质网聚集在近基底膜侧的胞质中，粗面内质网并与细胞长轴平行，线粒体散在分布在细胞中，细胞骨架聚集在近基底膜侧，细胞逐渐极化[15]，开始分泌牙本质基质。

成牙本质细胞的终末分化触发成釉细胞的终末分化。当牙本质形成以后，诱导内釉上皮细胞向成釉细胞分化，细胞呈高柱状排列，在分泌活动之前，细胞发生极化：细胞核远离基底膜[15]，高尔基体变大，从细胞核侧向基底膜端移动，粗面内质网增加，继而分泌釉质基质[8]。成熟的成牙本质细胞和成釉细胞均呈高柱状排列，细胞器主要分布于分泌端胞质内，呈典型的极性分布。

2 CDC42在细胞极化中的功能

CDC42是一种典型的 Ras 同系物（Ras homologue， Rho）蛋白，主要表达于细胞质中[17]，可以在与鸟苷三磷酸（guanosine triphosphate， GTP）结合的活化形式和与鸟苷二磷酸（guanosine diphosphate， GDP）结合的非活化形式之间相互转换，起分子开关的作用[17]。这两种状态之间的转换受多种类型的 GTP 酶结合蛋白的调节，包括鸟嘌呤核苷酸解离抑制蛋白（guanine nucleotide dissociation inhibitor， GDI）、 GTP 酶激活蛋白（GTPase-activating protein， GAP）和鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange  factor， GEF）[17]。当 CDC42与 GTP 结合呈活化形式时，其活化水平可以被 GEF 正向调控，或被 GAP 负向调控。CDC42还可与 GDI 结合，以非活化形式存在于细胞质中[4]。

CDC42最早在芽植酵母中被发现[1]，酵母细胞出芽前， CDC42在酵母细胞内少量聚集，继而增多形成 CDC42高度集中区，酵母细胞出现极化，发生出芽增殖[4]。缺乏 CDC42酵母细胞将变得又大又圆，不表现极性化的特征，不再出芽增殖。

2.1  CDC42和细胞骨架

在上皮细胞的研究中，CDC42可以调节肌动蛋白重组、微管组装、细胞器的定位。CDC42可通过效应子Wiskott-Aldrich 综合征蛋白（Wiskott- Aldrich syndrome protein， WASP）促进肌动蛋白分支以增加游离末端的数量，加速肌动蛋白的聚合[2，4]，同时肌动蛋白调节 CDC42活性，确保对肌动蛋白活动的精确调控[2，5]。细胞极化以微管重组为特征， CDC42稳定微管并为微管末端提供对接位置，调节胞质连接相关蛋白（cytoplasmic linker  associated proteins， CLASPs）的位置[2，19]。CDC42通过细胞骨架动力学和直接相互作用调节细胞器的定位， CDC42调控肌动蛋白细丝促进细胞核的定位[2，20];CDC42定位于高尔基体和内质网控制細胞器的位置[2，21]。成牙本质细胞突起包含微管、中间丝和肌动蛋白丝三种主要细胞骨架成分，但其分布与上皮细胞不同，尚无 CDC42在成牙本质细胞骨架中的研究报道。

2.2  CDC42与细胞连接和极性复合体

上皮细胞的细胞连接建立过程需要多种极性复合体参与， CDC42在紧密连接的组装和极性复合体的形成中发挥关键作用。活化的 CDC42和蛋白酶激活受体6（protease-artivated receptor 6， PAR6）组成 CDC42-PAR6复合体，激活非典型蛋白激酶 C（atypical protein kinase C，aPKC），使蛋白酶激活受体3（protease-artivated receptor 3， PAR3）磷酸化和 PAR3-PAR6-aPKC 复合物解离。PAR6-aPKC 复合体迁移到细胞顶膜， PAR3仍停留在紧密连接区，该过程驱动顶端信号蛋白的积累和紧密连接的构建， GEF Dbl3发挥关键作用。Dbl3在紧密连接形成中激活 PAR3-PAR6-aPKC 复合体，促进 PAR3排出和顶膜分化，调节顶端结构域的大小和紧密连接的位置[2，22]。CDC42 GEF 的 etc2和 tuba 也参与顶端极化，etc2在上皮极性最初建立过程中调节 CDC42的活性并作用于 PAR3-PAR6-aPKC 复合物，特异性地调节黏附连接（adherens junctions， AJ）的 Ras 同源基因家族成员 A（Ras homolog gene family member A，RhoA）信号[2];tuba 被紧密连接蛋白1（zonula occludens-1， ZO-1）和毛细胞蛋白招募到紧密连接，通过与 N-WASP 结合来调节顶端肌动蛋白网络，此外招募Rac 1（一种 Rho 蛋白）/Rich 1（一种 CDC42 GTP 酶激活蛋白）复合物，与 Crumbs （最早在黑腹果蝇中发现，该基因的突变会导致缺失或分散的角质层，因此命名为“面包屑”）复合物和 PAR3结合，通过调控局部 CDC42活性维持紧密连接的稳定性[2]。成牙本质细胞的细胞连接包括桥粒（desmosome）、紧密连接（tight junction， TJ）、AJ 和间隙连接（gap junctions， GJ）， TJ 被证明是诱导上皮细胞极化的关键因素[4]，但它们在成牙本质细胞中是连续性存在还是斑块状存在，是仅为屏障还是同时也是极化诱导因素[2，23-25]，这些仍需进一步研究，目前缺少关于 CDC42对成牙本质细胞细胞连接作用的研究。

3 CDC42在牙源性细胞极化中的作用

CDC42参与成牙本质细胞和成釉细胞分化及矿化基质形成。分化成熟的成釉细胞和成牙本质细胞均呈高柱状的形态， CDC42表达于成釉细胞和成牙本质细胞的分泌端，与成釉细胞和成牙本质细胞的极性形成有关[4，18，26]。成牙本质细胞呈典型的极性化特征和不对称的顶端极性分泌，极性化分泌是牙本质定向沉积的基础， CDC42主要集中在成牙本质细胞的胞质和顶端胞膜部位，与成牙本质细胞的牙源性矿化密切相关[18]。CDC42在小鼠牙胚成釉细胞中存在于胞膜和胞质，在成釉细胞中抑制 CDC42的表达，釉原蛋白和釉蛋白表达升高，说明 CDC42可以调控小鼠成釉细胞釉基质蛋白的表达[27];CDC42缺失导致成釉细胞形态改变以及釉基质蛋白和蛋白酶的分泌改变，进而导致釉柱结构的改变和牙齿发育不良[28]。小鼠 CDC42缺失导致成釉器发生囊性病变和细胞过度凋亡，细胞连接和细胞骨架都受到影响，上皮特异性 CDC42缺失通过减弱牙上皮中的Wnt/β-catenin 和 Shh 信号传导，并在次级釉质结中诱导异常的 Sox2表达干扰成釉细胞成熟与分化[29]。敲除 CDC42后，人牙髓干细胞迁移能力和黏附能力降低，同时 CDC42与牙髓干细胞中高尔基体的极化和细胞核的重定位也密切相关[30-31]。

4与CDC42相关的其他因素对成牙本质细胞和成釉细胞极化的影响

核心结合因子蛋白2（Runx2）通过 CDC42调节成牙本质细胞极化影响其成牙本质方向分化。 Runx2属于一种多功能转录因子，通过牙本质涎磷蛋白（dentin sialophos-phoprotein， DSPP）启动子驱动 Runx2过表达小鼠的成牙本质细胞失去典型的细胞极性，牙本质小管缺失[1，32]。Runx2在成牙本质细胞极性化中抑制 CDC42的作用，在成牙本质细胞分化早期促进 Par3表达，但在末期抑制其作用[32]，在成牙本质细胞发育分化成熟过程中抑制 ZO-1的表达[32]。Runx2转基因小鼠中 DSPP 和巢蛋白减少，成牙本质细胞失去其特有的极化形态，细胞骨架相关蛋白-微管相关蛋白 tau （microtubule-associated protein tau， MAPT）存在于α-微管蛋白阳性的丝状结构周围，是成牙本质细胞终末分化标志物，在形态紊乱的 Runx2转基因小鼠的成牙本质细胞中，MART 基因的表达受到抑制[33]。特异性蛋白7（specific proteins， SP7）属于含锌指结构的 SP1转录因子家族，是 Runx2的下游靶基因，SP7基因缺失小鼠会发生颅面畸形和牙槽骨缺失，但牙齿形态早期发育过程正常，在 SP7基因缺失小鼠切牙和磨牙中几乎不表达成熟成牙本质细胞和成釉细胞的标志物，SP7缺乏的外胚间充质细胞会发生增殖抑制，牙齿畸形，前成牙本质细胞和前成釉细胞随机排列，研究表明 SP7促进成牙本质细胞功能成熟和极化[34]。

5总结与展望

综上所述，成牙本质细胞和成釉细胞的细胞极化是有序形成牙本质和釉质的结构基础，是细胞发挥功能的前提条件。成牙本质细胞的分化过程包括细胞生长、细胞伸长、细胞极化等步骤[24]，其中细胞极化是其分化过程中的重要一步，标志着细胞在形态和功能上的改变，确保牙本质小管结构的形成[15]。成釉细胞的极化是细胞分泌有机基质和釉质矿化的结构基础。在釉质形成过程中，成釉细胞的活动分为分泌前期、分泌期和成熟期。在分泌前期，成釉细胞的细胞极化改变是釉质基质有向分泌的前提条件。在成熟期，成釉细胞通过调节近远中接触区的细胞结构，调节釉质矿化。因此，成牙本质细胞和成釉细胞极化是牙齿发育的关键步骤。CDC42作为上皮细胞极化研究中的关键因子，在成牙本质细胞极化和小管样有序牙本质形成中发挥重要作用，此外其在成釉细胞的极化、调控小鼠成釉细胞釉基質蛋白和蛋白酶的表达、影响成釉细胞的形态和分化成熟以及釉质的形成中也发挥重要作用，但是 CDC42对成牙本质细胞和成釉细胞极化的具体作用及其分子机制仍需进一步研究。

[参考文献]

[1]许莹莹，张斌.磷酸化激酶 FAM20C 的生物学功能研究现状[J].国际遗传学杂志，2019，42（1）：63-68.

[2] Chang Bei，Svoboda Kathy KH，Liu Xiaohua.Cellpolarization： From epithelial cells to odontoblasts[J]. European Journal of Cell Biology，2019，98（1）：1-11.

[3]周怡君，闫广兴，刘苍维，等.成釉细胞和成牙本质细胞的极性及其相关调控分子[J].华西口腔医学杂志，2019，37（3）：309-313.

[4]李媛.CDC42和 PAR3在小鼠牙发育中的时空表达[D].长春：吉林大学，2018：11-27.

[5] L.Tjäderhane，S.Koivumäki，V.Pääkkönen，et al.Polarity of Mature Human Odontoblasts[J].Journal of Dental Research，2013，92（11）：1-6.

[6] Edgar R.Gomes，Shantanu Jani，Gregg G.Gundersen.Nuclear Movement Regulated by Cdc42， MRCK， Myosin， and Actin Flow Establishes MTOC Polarization in Migrating Cells[J].Cell，2005，121（3）：451-463.

[7] Genevet A，TaponN.The Hippo pathway and apico-basal cell polarity[A].Biochem J，2011，436（2）：213-224.

[8] Mammoto T，Mammoto A，Jiang A，et al.Mesenchymalcondensation-dependent accumulation of collagen VI stabilizes organ-specific cell fates during embryonic tooth formation[J].Dev Dyn，2015，244（6）：713-723.

[9] Khursheed M，BashyamMD.Apico-basal polarity complexand cancer[J].J Biosci，2014，39（1）：145-155.

[10]田菲菲.Caveolin-1基因敲除小鼠下頜第一磨牙牙齿的表型分析[D].郑州：郑州大学，2017：9-14.

[11] Butler MT，Wallingford JB.Planar cell polarity indevelopment and disease[J].Nature Reviews Molecular Cell Biology，2017，18（6）：375-388.

[12] Henderson DJ，Long DA，Dean CH.Planar cellpolarity in organ formation[A].CurrOpin Cell Biol，2018（55）：96-103.

[13]张辉辉，赵金支，罗瑛，等.PCP 通路调节平面细胞极性的建立[J].生命的化学，2017，37（2）：200-206.

[14] Nobuko Obara，Yuko Suzuki，KazuharuIrie，et al.Expression of planar cell polarity genes during mouse tooth development[J].Archives of Oral Biology，2017（83）：85-91.

[15]周怡君.ACVR1在成牙本质细胞极化和牙本质形成中的作用及机理研究[D].长春：吉林大学，2020：1-18.

[16] XuguangNie，Jinxuan Zheng，Michael Cruciger，et al.mTOR plays a pivotal role in multiple processes of enamel organ development principally through the mTORC1 pathway and in part via regulating cytoskeleton dynamics[J].Developmental Biology，2020，467（1-2）：77-87.

[17] Michaux Grégoire，Massey-Harroche Dominique，Nicolle Ophélie，et al.Thelocalisation of the apical Par/Cdc42 polarity module is specifically affected in microvillus inclusion disease[J].Biology of the Cell，2016，108（1）：19-28.

[18]李明伟.成牙本质细胞极性相关蛋白 cdc42和E-cadherin 的表达及功能[D].西安：第四军医大学，2014：8-53.

[19] JörgBirkenfeld，PerihanNalbant，Soon-Hee Yoon，et al.Cellular functions of GEF-H1， a microtubule-regulated Rho-GEF： is altered GEF-H1 activity a crucial determinant of disease pathogenesis？[J].Trends in Cell Biology，2008，18（5）：210-219.

[20]程烨.PPARγ激动剂调控肾小管上皮细胞极性建立和迁移的机制研究[D].上海：第二军医大学，2013：6-55.

[21] Hesso Farhan，Victor W.Hsu.Cdc42 and CellularPolarity： Emerging Roles at the Golgi[J].Trends in Cell Biology，2016，26（4）：241-248.

[22] ZihniCeniz，Munro Peter MG，Elbediwy Ahmed，et al.Dbl3 drives Cdc42 signaling at the apical margin to regulate junction position and apical differentiation.[J].The Journal ofCell Biology，2014，204（1）：111-127.

[23] Xu J，Shao M，Pan H，et al.Novel role of zonulaoccludens-1： A tight junction protein closely associated with the odontoblast differentiation of human dental pulp cells[J].Cell Biol Int，2016，40（7）：787-795.

[24] João SM，Arana-Chavez VE.Tight junctionsin differentiating ameloblasts and odontoblasts differentially express ZO-1， occludin， and claudin-1 inearly odontogenesis of rat molars[J].Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol，2004，277（2）：338-343.

[25] Hoshino M， Hashimoto S，Muramatsu T， et al.Claudinrather than occludin is essential for differentiation in rat incisor odontoblasts[J].Oral Dis，2008，14（7）：606-612.

[26]張文菲，李明伟，赵泽，等.Cdc42在小鼠磨牙牙胚发育过程中的表达[J].牙体牙髓牙周病学杂志，2016，26（10）：598-601，638.

[27]吕晓琳.Cdc42对小鼠釉质发育影响的初步研究[D].广州：南方医科大学，2016：4-40.

[28] Zhihui Tian，XiaolinLv，Min Zhang，et al.Deletionof epithelial cell-specific Cdc42 leads to enamel hypermaturation in a conditional knockout mouse model[J].BBA-Molecular Basis of Disease，2018，1864（8）：2623-2632.

[29] J Zheng，X Nie，L He，et al.Epithelial Cdc42Deletion Induced Enamel Organ Defects and Cystogenesis[J].Journal of Dental Research，2018，97（12）：1346-1354.

[30]李明伟.SDF-1/CXCR4信号影响人牙髓干细胞迁移的作用机制的初步研究[D].西安：第四军医大学，2017：1-91.

[31] Mingwei Li，Liang Ma，Bing Song，et al.Cdc42 isessential for the polarized movement and adhesion of human dental pulp stem cells[J].Archives of Oral Biology，2018（85）：104-112.

[32]张文菲.极性相关分子 Cdc42、Par3、ZO-1在 Runx2过表达小鼠成牙本质细胞分化过程中的表达[D].西安：第四军医大学，2017：2-70.

[33] Toshihiro Miyazaki，Tomomi T.Baba，Masako Mori，et al.Microtubule-associated protein tau（Mapt）is expressed in terminally differentiated odontoblasts and severely down-regulated in morphologically disturbed odontoblasts of Runx2 transgenic mice[J].Cell and Tissue Research，2015，361（2）：457-466.

[34] Ji-Myung Bae，John C Clarke，Harunur Rashid，et al.Specificity Protein 7 Is Required for Proliferation and Differentiation of Ameloblasts and Odontoblasts[J]. Journal of Bone and Mineral Research，2018，33（6）：1126-1140.

（收稿日期：2021-11-04）