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BM P信号通路与牙齿的发育 王湘铭 21920122202765【摘要】哺乳动物牙齿发育过程，包括由胚胎早期预定成牙部位到发育形成完整的牙齿，是一个复杂的连续过程，是一个由多种信号分子进行调控的牙源性上皮和颅神经嵴来源的牙源性间充质之间相互作用的过程。其中骨形态发生蛋白B( M P ) 是口腔上皮中最早表达的信号分子之一,能够诱导未分化的间充质细胞转化形成软骨以及骨组织，它在上皮一间充质相互诱导中起关键的调节作用。B M P 信号通路是细胞内外多种因子构成的复杂精细的调控网络, 这一网络中各个因子的相互作用对维持牙齿正常发育起重要作用。本文综述了B M P 信号通路与牙齿发育的研究进展。 哺乳动物牙齿结构相对简单并且具有独特的发育过程, 因而被认为是研究哺乳动物器官发生的常用模型之一。牙齿发育过程是由外胚层来源的上皮和颅神经嵴来源的间充质相互诱导, 相互作用而实现的。牙齿的发育过程需经过发育起始、增殖、上皮一间充质相互诱导包括一系列生长因子，转录因子和受体分子等组成的信号网络，相互作用。BMP 是最重要的骨生长因子，在骨及软骨的修复、成骨细胞和破骨细胞的分化增殖过程中发挥着极其重要的作用，随着研究的深入人们对它们的生物活性及细胞外的作用机制都有了深入的了解。牙齿作为一种能够钙化的骨组织，其发育的过程中B M P信号通路在牙齿上皮一间充质的相互诱导中起关键的调节作用。这一通路中的多种因子精确调控可使B M P信号的活性水平达到稳态,这种稳态一旦失衡可能导致严重的牙齿发育异常。因此B M P信号通路与牙齿正常发育中的机制受到国内外学者的广泛研究。1、 牙齿的发育 小鼠牙齿发育与包括人类在内的哺乳动物牙齿发育模式和过程相似, 因而作为研究牙齿发育的模式生物。在小鼠E 9.0 ( 胚胎龄9.0 d) 时, 第一鳃弓还未出现任何形态学变化, 但是它已经具备成牙的潜能! 牙齿发生的定位作用是在胚胎发育的第10.5 天(E10.5)。在E11.5，预定牙上皮局部增厚，出现口腔上皮的局部增厚形成牙胚发育原基或牙板。E12.5 到E13.5 为牙齿发育的牙蕾期，增厚的牙上皮向其下方的间充质内陷，形成蕾状结构，牙齿发育的潜能转至间充质中。到E14.5 牙蕾两边的尖端从各自两侧发生折叠，并继续向下方间充质中延伸，形成一个帽状的结构，在这个时期称为称为帽状期，并且出现了一个信号中心的结构- 釉结节。釉结节是一种临时性的结构。一系列信号分子，包括Bmp2、Bmp4、Bmp7、Shh、Fgf4、Fgf9，在釉结节中表达，因此釉结节被称为信号中心，并被认为与牙尖的形成有关。在随后的钟状期发育中，开始出现组织分化和形态分化，上皮来源的细胞将分化为成釉细胞，间充质来源的细胞将分化为成牙本质细胞。此外，间充质细胞还将分化形成牙槽骨，作为牙齿的基座。牙齿的外形是在从帽状期向钟状期发育的过程中确定的。 在牙胚发育后期，成釉细胞变成高柱状，诱导牙乳头的间充质细胞在临近成釉细胞深部的地方分化出成牙本质细胞，接着在基底膜内侧形成牙本质。牙本质开始形成后，又反过来诱导成釉细胞在已形成的牙本质外表面形成牙釉质。在釉质和牙本质基质形成后，矿物盐不断沉积而钙化为坚硬的组织。牙根的发生开始于牙冠部的釉质和牙本质形成以后：上皮根鞘诱导牙髓形成根部牙本质，接着牙囊组织在根部牙本质表面又分化出成牙骨质细胞，形成牙质，而牙囊的纤维组织则成为牙周膜组织。随着牙冠的形成和钙化，牙冠逐渐向口腔表面移动，突破口腔黏膜暴露于口腔内，牙齿萌出。2、 BMP 信号通路2.1 BMP 家族的种类和分子特性 BMPs 最初被认为是一种具有高效骨诱导性的充质细胞转化形成软骨以及骨组织，在之后的研究过程中进一步发现在大多的哺乳动物器官的胚胎发育过程中，其都起到至关重要的作用。BMPs是一组具有多功能的同源二聚体蛋白, 是TGF-（transforming growth factor-）超家族成员BMP s是19 6 5 年U r i s t首次发现并从脱钙骨基质中分离出的糖蛋白, 它能够诱导体内的异位成骨。随后, 这些生长因子被发现广泛表达于脊椎动物的胚胎和胎儿并具有调节发育中的中胚层分化、神经形成、骨化及器官和组织形成的功能。B M P 家族成员被称为成骨蛋白(O P ) , 软骨分化形成蛋白( C D M P ) , 也被称为生长和分化因子( G D F )。它是一类进化高度保守的亚型, 目前已知的B MP 家族成员有30 余种。根据氨基酸序列同源性分析可将它们分为4 个组: Bmp2 和Bmp4 被归类为dpp 亚组, 它们的基因序列与果蝇的即P( decapentaplegic) 基因具有75% 同源性。Bmp5, Bmp6 , Bmp7 , Bmp8属于60 A 亚组; Bmp3和Bmo3b(G D F 10 ) 构成一个独特的亚组; G D F 5, 6 , 7 归为一个亚组。在BMP 家族中, Bmp1 不属于T GF 超家族。它的功能是编码水解I 型前胶原分子的竣基一末端前肚。B M P 家族中的许多成员都参与牙齿早期发育, 调控牙齿的形态发生、细胞增殖和分化以及牙齿的萌发的过程。2.2 BMP通路的信号转导 BMP 信号通路在牙齿发育过程中的调控过程包括依赖Smad介导和不依赖Smad 介导两种调控途径，在牙齿调控过程中主要是前者起主导作用。BMP信号通路中是与Smad信号相互作用的，其信号转导和抑制的过程中都有Smads 的作用。BMPs 大多需要与细胞膜上的受体结合才能将信号传递到胞内。B M P 的受体有两种亚型: I 型和II 型, 它们都属于丝氨酸一苏氨酸蛋白激酶(R S T K ) 跨膜受体,这两种受体拥有众多的成员。I 型受体有BMPR-IA，BMPR-IB，ActR-I，ALK（Activin receptor-like kinase）1/2/3/6/8。BMPRI是细胞质中的特殊的分子，其有助于增加碱性磷酸酶活性，蛋白多糖的合成，胶原蛋白的合成。BMPRI 存在两种特殊的形态，Type IA(ALK3,BRK1)和Type IB(TSK7L/ALK2 (Activin Receptor-like Kinase 2),BRKII,RPK1)。II型受体有BMPRII，ActR-II，ActR-IIB。B M P 的信号传递必须由这两种受体共同介导。只有2个I 型及2 个II型受体形成异源四聚复合受体, 它们才有较高的亲和力。在信号转导中,BMP 与这种异源四聚复合受体结合后,胞外生长因子BMP2，BMP4 和BMP7 的存在下容易与BMPRII 形成二聚体，使得BMPRII 受体磷酸化。磷酸化的BMPRII接着磷酸化I型受体的GS区，磷酸化的I 型受体进而将细胞质中的Smad l / 5/8 磷酸化, 随后, 磷酸化的Smad l/ 5/ 8 与Smad 4结合形成复合体, 转移到细胞核内调节靶基因的转录和表达。此外, BMPs 还可以激活MAPK , PI3和PKC 等多种激酶信号通路。BMP 信号通路中除了这些正向调控因子的调节外, 还受到细胞内外多种信号分子的负向调节( 图)l : 细胞外的 MP 拮抗物如Noggin 、Chordin、Gremlin 等因子竞争性地与BMP 配体结合, 使BMPs不能与膜上的BMP受体结合, 继而使信号无法传人细胞内。 细胞内的Smad 6 能选择性地与B MP的I 型受体结合, 阻断Smad l /5/8/ 的结合和磷酸化。 To b是一种抗增殖的蛋白, 它能选择性地与Smadl/ 5结合, 从而抑制成骨细胞中的B M P 信号。 Smurf l 是一种E3泛素连接酶, 它能与Smadl/ 5 相互作用来介导Smad蛋白的降解。除此之外,Smurf l 还可介导Runx2和BmpR1 的降解。 图1BMP/ Smad信号通路及其调节模式2.3 BMPs 在牙齿发育中的作用 研究证明, BMP信号通路在牙齿发育的各方面都起着重要作用，并且多种BMPs参与了牙齿的发育：BMP4 在牙板期表达于牙上皮, 随后逐渐转移到牙间充质中表达。它能够诱导牙间充质中的Msx1 的表达，Msx1 进一步能够诱导Bmp4 的表达，异位的BMP4能够拯救Msx1突变鼠牙齿形态的缺陷。它在牙齿早期发育过程中的牙胚位置预定和牙齿形态发生中具有关键作用。BMP2在E11-12 表达于牙板上,参与了牙齿形态的早期形成， 从E13开始表达于釉结节。它还参与了调节成牙本质细胞的分泌功能，并在成牙本质细胞的分化形成中起重要的调控作用，其基因的转录在早期的牙胚上皮和后来的成牙本质细胞中都有发现。BMP7在牙板期表达于牙上皮, 而后转移至釉结节中表达。BMP2,4,7 的表达模式提示它们在牙齿发育过程中上皮与间充质的相互作用中起重要作用, 同时它们在表达模式及表达位置的相似性说明了这几个基因可能存在功能冗余。BMP3 只在牙间充质中表达,它能在可形成成牙骨质细胞的牙囊中表达, 推测BMP3可能参与调节牙槽骨的形成。BMP5在钟状后期的牙上皮中表达,它具有调节成釉细胞分化或分泌的功能。BMP6仅在蕾状期和帽状期的间充质中有微弱的表达,它在控制细胞分化的上皮与间充质相互作用中具有重要作用。稳态是指机体内环境在各种因素的作用下达到一种动态平衡, 这种动态平衡是相对的, 不是绝对的, 一旦稳态遭破坏, 就导致机体发育异常。现代生命科学的研究将稳态的概念延伸到信号分子调控水平上。信号通路是由多种信号分子形成的复杂的调控网络, 在这个网络结构中基因表达量的动态平衡是维持正常生理机能所必须的。BMP信号稳态即BMP信号的活性水平通过细胞内外多种因子的精确调控使其达到一个动态平衡的状态,一种信号分子剂量的变化可以通过其他因子剂量的相应变化来挽救这种平衡状态。这种稳态的保持对维持牙齿的正常发育起重要作用, B M P信号的稳态一旦失衡可能导致严重的牙齿发育异常。研究发现BMPR-Ib 的缺失不会造成小鼠牙齿的缺陷,但条件性敲除牙上皮中BMPR-Ia的小鼠, 磨牙的发育停滞在蕾状期，Smad4 和p38MAPK 同时被敲除时牙齿发育也会停留在蕾状期。 条件性敲除神经峭来源的间充质中的BMPR-Ia的小鼠, 其牙齿发育停滞在蕾状期和帽状早期, 并有严重的下领缺陷;而在间充质中利用ca BMPR-Ib代替BMPR-Ia能部分挽救磨牙和上切牙的缺陷, 但并不能挽救下领缺陷及下切牙的缺失。这一系列的研究表BMP受体作为BMP信号传导的首要环节, 在牙齿发育中起重要作用。在磨牙间充质中BMPR-Ia和BMPR-Ib具有部分功能互补, 其中一者的缺失可通过另一方的互补作用挽救这种信号的失衡。敲除BMPP 6或BMP7 的小鼠牙胚的发育并没有收到显著的影响, 推断它们的表达可能协同其他BMPS 发挥作用,或其他信号分子的剂量变化调节了它们的活性水平。BMP5和BMP7双敲除发现小鼠的鳃弓发育不全。对BMP拮抗物对牙齿发育的影响的研究显示Noggin 敲除小鼠的下切牙和上下磨牙发育正常, 而上切牙发生融合, 推测不同类型牙齿对维持BMP信号稳态的机制存在差异。Gremlin 过表达抑制BMP4介导DSP分泌, 导致转基因小鼠的牙釉质缺陷, 提示BMP拮抗剂与激动剂相互作用使BMP信号达到稳态对牙齿正常发育具有关键的作用。3、 研究展望明确牙齿发育的调控机制,是现今牙髓生物学和发育学的研究热点和难点,它不仅可以为牙体牙髓损伤修复和牙齿再生的研究提供理论基础,而且是研究其它多胚层器官发育的良好模型,具有重要的理论和临床意义。口腔疾病是人类最常见的多发疾病之一,严重影响人们的生活质量,对牙齿的发育与再生的研究刻不容缓。BMP信号通路对维持牙齿正常发育具有至关重要的作用。BMPs 是口腔上皮中最早表达的信号分子之一, 它在上皮一间充质的相互诱导中起关键的调节作用, 但目前仅刊BMP通路中部分的配体与牙齿发育的关系进行了研究,还有许多在牙齿发育过程中起重要作用的因子尚未研究。同时, BP通路在正常牙齿发育达到一个稳态, 稳态一旦破坏可能导致严重的牙齿发育异常, 因此进一步研究BMP信号稳态对牙齿发育的影响机制是非常有必要的。目前还有几个重要的问题有待进一步研究: BMP信号稳态对不同类型牙齿的作用机制; 还有一些BMP配体在维持BMP信号稳态的机制仍未被研究; BMP拮抗物的负向调控在牙齿发育中所起的作用。相信随着转基因小鼠构建和体外添加生长因子等实验技术日趋成熟, BMP信号通路对牙齿发育的影响将进一步得到解答, 这些机制在小鼠实验中的研究也将有助于人们对人类牙齿疾病的进一步研究。【参考文献】郑莉琴,戴银清,张彦定. 牙齿发育与再生J. 组织工程与重建外科杂志,2007,3(1): 1-6Zheng li-qin, Dai yin-qing, Zhang yan-ding. Tooth development andregeneration J. Journal of Tissue Engineerin