骨形态发生蛋白信号通路在牙本质发育中作用机制的研究进展

白 云,周 昊

(1.四川大学望江医院口腔科,四川 成都 610065;2.四川省医学科学院·四川省人民医院口腔科,四川 成都 610072)

牙齿的发育和形成是口腔上皮细胞和外胚间充质细胞之间相互作用的结果。牙本质是牙釉质下方的一层高度矿化的组织层,由管间牙本质和牙本质小管组成,它们是防止牙髓腔感染的二级屏障[1]。牙本质的丧失会导致骨支持的减少,从而干扰牙齿的功能。此外,在休息和咀嚼状态下,根部牙本质帮助平衡,并通过牙周膜将咬合力传递到牙槽骨,并作为具有丰富毛细血管的血管和淋巴管以及神经束的入口,为牙齿提供营养和感觉[2]。控制牙本质发育的网络由许多细胞分子和信号通路共同调控,包括生长因子、转录因子和其他成分,它们在牙齿发育和形成的不同阶段发挥作用[3]。以往研究表明骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)信号通路在牙本质发育过程中起着重要的作用。本文总结了BMPs的一些独特的转录调控和信号网络,以及BMPs在牙本质形成过程中的精确平衡,这可能在调控牙本质形成和再生中发挥关键作用。

1 BMPs在牙本质发育过程中的表达

1.1 BMP-2BMP-2基因转录出现在牙板上已开始形成牙芽的区域。在大鼠牙齿发育的萌芽期(E12-13),BMP-2上皮和间充质中均有表达。在帽状期,BMP-2的表达主要集中在胎龄14天,帽状期晚期主要定位于上皮釉质结节。然后BMP-2的表达扩展到邻近的内牙上皮形成次级釉质结,通过原位杂交和免疫组织化学分析,可以在牙间充质中看到BMP-2的信号。钟状期,原位杂交和免疫组织化学染色显示BMP-2在牙间充质细胞中有表达,随后,BMP-2的表达扩散到牙乳头,并在成牙本质细胞前表达强烈。在出生后数天,BMP-2在成牙本质细胞和成釉细胞中持续表达,并在牙乳头以及邻近组织中检测到,包括牙囊、牙周膜细胞、牙骨质连接、HERTWIG上皮根鞘(HERS)和牙槽骨中的成骨细胞[4]。BMP-2参与决定牙髓和牙髓干细胞向成牙本质细胞样细胞分化的命运,并刺激牙齿相关基因的表达[5]。人类BMP-2基因的遗传变异与非综合征性牙齿发育不全的易感性有关,最常见的缺失牙齿是下颌切牙,其次是下颌前磨牙和上颌切牙[6]。BMP-2基因敲除小鼠会生在牙齿发育的晚期发生牙本质缺陷,表现为牙髓腔变宽,前牙本质变宽,牙本质变薄,牙齿磨损,牙根萌出延迟,成牙本质细胞分化和生物矿化障碍[7]。

1.2 BMP-3在牙齿发育的初始阶段,BMP-3在牙齿组织中没有表达,在钟状期和出生后,BMP-3在成牙本质细胞中有明显的表达,但随着成牙本质细胞分化的推进,其表达逐渐减弱。BMP-3在成牙本质细胞、牙囊、牙周膜细胞、成牙骨质细胞、牙根衬里细胞和活性成骨表面的成骨细胞中均有表达[8]。 BMP-3的原位杂交分析发现,BMP-3在帽状和钟状发育阶段(分别为第12周和第14周)在人的门牙和磨牙中均匀分布[9]。

1.3 BMP-4在人牙胚中,BMP-4在帽状期(12周)乳牙的内釉上皮和牙乳头中有表达,在外釉上皮中的表达较弱,而在磨牙中的表达较强,在内釉上皮和其下的牙间充质中表达较高,而在其余牙体组织中表达较低。至钟状期(胎龄14周),BMP-4在内釉上皮和牙乳头中的转录水平明显高于外釉上皮和门牙的星状网状结构[9]。在牙齿形态发生过程中,BMP-4在牙蕾上皮和间充质之间的信号相互作用中发挥着重要作用。人类的BMP-4突变与不同类型的牙齿畸形有关,包括牙齿发育不全[10]。在BMP-4突变小鼠中,牙本质厚度减少,牙根萌出延迟,而牙髓腔体积增加。BMP-4基因敲除小鼠成牙本质细胞分化受损,BMP-4缺失导致突变的成牙本质细胞中骨钙素、DMP1、COL1SMAD1、D1X5、OSX和磷酸化α1/5/8的表达降低[11]。

1.4 BMP-5BMP-5在小鼠牙齿发育的起始阶段、萌芽阶段和帽状阶段均没有表达。然而,BMP-5转录本存在于钟状晚期分化的前成釉细胞中。在出生以后,BMP-5在成釉细胞中有明显表达,在软骨细胞和成骨细胞中也有表达[12]。在人类和小鼠中,BMP-5基因突变与短耳有关[13]。此外,BMP-5的遗传变异与骨关节炎的易感性有关。BMP-5分别通过SMAD-MSXB和MEK-ERK-ID3信号通路参与神经脊祖细胞的存活和增殖[14].虽然BMP-5在牙齿发育过程中有所表达,但BMP-5在牙本质发育过程中的作用尚未详细阐明。

1.5 BMP-6在牙齿发育的蕾状期和帽状期,BMP-6在牙齿间充质、牙板和釉器上皮细胞中有微弱的表达。钟状期,成牙本质细胞和牙乳头中的BMP-6蛋白反应呈阳性反应。出生之后,BMP-6蛋白存在于新形成的牙周组织中的间充质细胞、成牙骨质细胞层以及牙根、牙槽骨内的成骨细胞中[15]。Cleves等研究发现,BMP-6在刺鱼牙齿发育过程中的上皮和间充质细胞中表达。与野生型或杂合型鱼类相比,鱼类中BMP-6基因的纯合缺失导致早期幼鱼的牙齿数量和牙板面积都减少了。此外,BMP-6杂合突变显示,与相同年龄的野生型鱼类相比,幼体和成体后期的牙齿数量和牙盘面积都减少了。与野生型鱼类相比,BMP-6缺失鱼类中转化生长因子-β和SMAD信号的基因表达水平降低[16]。

1.6 BMP-7在芽期,BMP-7的表达定位于芽尖的早期芽期,其表达模式见于牙板区域,在那里开始形成芽。在帽状期,抗BMP-7探针表达明显,并局限于上皮牙釉质结节。在钟状期,BMP-7转录本从内釉上皮一直延续到前成釉细胞。当牙乳头和前牙本质母细胞开始分泌前牙本质基质(E19)时,可检测到其表达。在出生以后,在牙本质和釉质沉积过程中,BMP-7的表达模式出现在牙乳头、成牙本质细胞和功能成釉细胞中。在第12周和第14周的人胚胎中,BMP-7在人类牙胚的帽状期和钟状期的门牙和磨牙中都有微弱的表达。BMP-7在帽状期和钟状期在牙齿上皮和间充质中的表达模式相当一致,在牙间充质和内釉上皮中的表达水平较高[9]。BMP-7基因敲除小鼠(WNT1-CRE:BMP-7 FX/FX)近远中颊舌侧磨牙短而宽,上颌第一磨牙和下颌第一磨牙中均存在多种形态的“额外尖牙”形态[17]。此外,BMP-7基因敲除小鼠出生时缺乏牙本质/釉质形成,牙齿萌出延迟,小鼠成牙本质细胞和成釉细胞中牙本质涎磷蛋白(DSPP)和成釉蛋白基因表达降低。BMP-7通过复杂的上皮-间充质BMP/WNT信号通路参与调控牙齿矿化的启动[18]。

2 牙发育过程中BMP下游基因的表达

2.1 RUNX2RUNX2(又称AML-3、PEBP2、αA、CBFA1、OSSF2)是成牙本质细胞和成骨细胞分化的关键转录调控因子。RUNX2在骨和牙齿发育中的功能依赖于牙本质形成和成骨过程中特定阶段的基因表达。在活跃的上皮形态发生过程中,RUNX2在牙间充质细胞从萌芽到钟状早期具有独特的表达模式。在牙齿发育的初始阶段(E11),原位杂交检测表明,在任何头面部组织中都没有RUNX2的表达。然而,在萌芽期(E12-E13),RUNX2转录本在发育中的上颌和下颌弓中形成骨和牙齿的间充质凝集物中强烈表达[19]。RUNX2基因的杂合突变导致一种常染色体显性遗传性人类疾病,称为锁骨颅骨发育不良症,患者表现为牙齿多、萌出延迟、牙根畸形和无细胞牙骨质[20]。在小鼠牙齿发育的早期,RUNX2的表达在成牙本质细胞中上调,但在牙齿发育后期的成牙本质细胞中表达下调。这表明RUNX2在牙本质形成和牙齿相关基因表达中具有双重作用。RUNX2上调成牙本质前细胞中DSPP的表达,下调成熟成牙本质细胞中DSPP的转录[21]。此外,SMAD泛素调节因子1(SMURF1)与RUNX2蛋白COOH末端的脯氨酸-酪氨酸(PY)结构域相互作用,诱导RUNX2蛋白降解。条件性敲除基因SMAD4小鼠(DMP1-CRE;SMAD4FX/FX)导致牙本质缺陷,表现为牙本质前宽、牙本质薄、牙本质小管紊乱,BSP、COL1α1、DMP1和DSPP基因表达降低[22]。

2.2 OSTERIX(OSX OR SP7)OSX是一种含锌指的转录因子,在所有发育中的骨骼和牙齿中都有明显表达[19]。它对成牙本质细胞和成骨细胞的分化具有重要作用。在小鼠牙齿发育的蕾状期(E12),反义OSX探针在发育中的上颌弓和下颌弓中形成的骨和牙齿的间充质凝集物中表达强烈。在帽状期(E14),OSX mRNA在牙槽骨、牙乳头和牙囊的间充质细胞中表达,而OSX在牙齿上皮细胞中几乎没有表达。在钟状期(E16～E18),OSX转录本存在于分化成骨间充质、成釉细胞、成牙本质细胞和牙髓。在牙本质再生和正畸牙移动过程中,OSX在成牙本质细胞、成骨细胞和成牙骨质细胞中的表达水平均高于对照组[23]。人类和小鼠的OSX基因突变与牙齿和骨骼的缺陷有关[24]。在OSX缺失细胞中,牙根较短,呈立方体状,成牙本质母细胞层内含少量牙本质小管。进一步的研究表明,OSX诱导牙间充质分化和矿化并表达ALP、COL1、DMP1和DSPP基因[25]。OSX对基因表达的影响受BMP-SMAD-RUNX2依赖或BMP-SMAD-RUNX2非依赖的信号通路调节。

2.3 牙本质基质蛋白(dentin matrix protein 1,DMP1)DMP1是一种非胶原蛋白,最初在牙本质中发现,属于小整合素结合配体N-连接糖蛋白家族,对牙齿和骨骼等硬组织的正常发育和形成是必不可少的。在小鼠牙齿发育的萌芽阶段,在牙齿外胚层或间充质中都没有检测到DMP1的信号,但通过RT-QPCR分析,在E13和E14的小鼠第一颗下颌磨牙中可以看到DMP1的转录。在帽状期(E15),DMP1在牙槽骨内新分化的成骨细胞中表达较强,而在釉质器官和牙乳头中表达较弱。钟状期,DMP1在釉质器官内上皮和第一磨牙近颊尖尖新分化或年轻的成牙本质细胞中有明显转录。在出生后第6天,DMP1mRNA在分化的成牙本质细胞、牙本质小管和前牙本质中明显表达,在成熟成牙本质细胞中显著下调,在成釉细胞中上调[26]。在DMP1基因缺失的小鼠中,牙齿形态类似于人类的牙本质形成不全III型(DGI-III),突变小鼠的牙齿表现为牙髓腔扩大,前牙本质宽,牙本质变薄,牙本质基质结构改变,以及矿化不足。与对照组相比,牙本质中重要的非胶原性蛋白DSPP在成牙本质细胞中的表达降低,而富含亮氨酸的蛋白多糖家族成员BIGLYCAN的表达增加[27]。

3 牙发育过程中BMP信号通路的传导

3.1 牙本质发育和形成中的SMAD依赖信号转导

BMPs及其受体和SMADS具有很强的成牙能力。BMPs与它们的受体结合形成复合体,导致SMAD1/5/8的磷酸化,磷酸化的SMAD1/5/8与SMAD4相互作用,磷酸化的SMAD1/5/8-SMAD4复合体从细胞质移位到细胞核,刺激它们下游的基因表达。BMP-2、BMP-4、BMP-7和BMP-9的缺失会导致牙本质形成严重障碍,牙髓腔扩大,前牙本质变宽,牙本质变薄,牙齿磨损,牙根萌出延迟,成牙本质细胞分化障碍,而一些与牙齿相关的基因表达降低,包括磷酸化的SMAD1/5/8、碱性磷酸酶、COLLα1、DLX3、DMP1、DSPP、OSX和RUNX2[28]。BMP-SMAD信号通路通过多种转录因子在牙本质形成中发挥作用,其中包括DLX3、KLF4、MSX1、MSX2、OSX、PAX9、RUNX2等。

3.2 牙本质发育和形成中的SMAD非依赖信号转导MAPKS,主要包括ERK、JNK、P38,以及PI3K/AKT和蛋白激酶A和C通路,参与了BMP-SMAD非依赖性信号通路在牙齿发育中的作用。BMP介导的MAPKS磷酸化DLX3、KLF4、OSX、PAX9和RUNX2转录因子,导致磷酸化的蛋白稳定性、核转位、蛋白-DNA结合亲和力增加、DSPP和DMP1基因表达上调和牙齿形成[29]。PI3K/AKT负责诱导细胞中BMP的信号,并磷酸化DLX3、KLF4、OSX和RUNX2蛋白,稳定这些蛋白,激活牙齿相关基因表达,牙间充质细胞分化和矿化[30]。

4 总结

尽管在过去的几十年里对BMP信号系统的研究取得了很多成果,但关于BMP的生物学功能的遗传、细胞和分子学机制方面的许多问题仍然需要回答。BMP及其受体的下游信号通路在牙齿发育和形成,尤其是牙齿发育过程中的作用更为复杂。在人类和基因敲除小鼠模型中的遗传分析表明,BMPs及其靶基因在成釉细胞和成牙本质细胞之间的沟通、间充质细胞的增殖和分化以及牙本质发育和形成过程中的生物矿化过程中发挥关键作用。应该对这些细胞和组织形态进行进一步的分析,以便更好地了解牙本质形成过程中细胞过程中每一步的潜在机制。体外和体内研究进一步剖析了BMP信号通路在牙本质发育和形成过程中的生理和发病机制的图谱。从牙本质形成中BMP信号的分析获得的知识也将有助于理解这些人类疾病的分子机制,并为治疗牙本质缺陷提供潜在的线索。