轉化生長因子β信號轉導通路在牙齒發育中作用的研究現狀

張 俊

清華大學醫院，北京 100084

牙齒的發育是一個動態過程，通過細胞的增殖、遷移、分化、蛋白的合成、分解和胞外基質的礦化等的精確控制得以實現。在牙齒發育的每個時期，基因和蛋白表達的一系列精密串聯支配著細胞正確的定位和分化。過去的很多研究從分子學和細胞學機制闡述了牙齒的發育。本文以轉化生長因子β (transforming growth factor－β，TGF－β)及其受體和信號轉導通路為重點，對牙齒發育的機制作一綜述。

1 牙齒發育的組織學

牙的發育是一個長期、復雜的生物學過程，包括細胞與細胞、上皮與間充質的相互作用，細胞分化，形態發生，組織礦化和牙萌出。牙的發育源于口咽部的上皮和下方神經嵴間充質細胞，發育過程與皮膚的附屬器官毛發、鱗屑相似［1］。

牙胚發育首先開始于口腔上皮的增生形成狀如花蕾的上皮芽，而上皮下方和周圍的外胚葉間葉細胞增生，密集包繞上皮芽。此后，上皮芽繼續向外胚間葉中生長，體積逐漸增大，形成帽狀成釉器、鐘狀成釉器，并最終形成牙冠。而周圍的間充質牙乳頭細胞逐漸分化形成牙髓和牙本質，牙乳頭是決定牙形狀的重要因素，還可以誘導非牙源性的口腔上皮形成成釉器。在鐘狀期，內釉細胞誘導靠近基底膜的牙乳頭細胞分化為成牙本質細胞，進而分泌形成牙本質基質。同時，成牙本質細胞又反作用于成釉細胞，維持其細胞表型，促使其形成牙釉質。鐘狀末期成釉細胞和成牙本質細胞的分化是牙齒所特有的，它們在上皮－間充質的相互作用下發生并受調節［2－3］，外胚間葉組織呈環狀排列，環繞成釉器和牙乳頭底部，為牙囊，形成以后的牙骨質、牙周膜和固有牙槽骨。

2 TGF－β信號通路

2.1 TGF－β及其受體

生長因子是由多種組織細胞產生，調節細胞生長和分化的一類小分子多肽。轉化生長因子β是TGF－β細胞因子超家族的成員，可調節多種靶基因的表達，在胚胎生長發育、細胞分化、增殖及凋亡的調節中發揮著重要作用，同時參與細胞外基質的分泌和發育分化等多種生理過程。TGF－β的活性結構為25kD二聚體，由兩條相同多肽鏈 (112個氨基酸)經二硫鏈相連，TGF－β有5種異構體形式，體內只有 TGF－β1、TGF－β2、TGF－β3三種。

在人的細胞表面存在三種TGF－β受體，即I型、II型、III型受體。I型、11型受體都是單次跨膜的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶受體，胞膜外區較短，富含半胱氨酸，胞漿區較長，含有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結構域，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的活性。與II型受體相比，I型受體的胞外區和胞漿區均較短，在I型受體的胞漿區蛋白激酶結構域N端與細胞膜之間，存在一個富含絲氨酸和甘氨酸的結構域，稱為GS結構域。GS結構域中有一段保守的SGSGSGLP基序，GS結構域為I型受體所特有。III型受體不參與TGF － β 的跨膜信號轉導［4－5］。

2.2 TGF－β受體活化方式

TGF－β與受體結合，使受體活化。首先，TGF－β與細胞膜表面的II型受體結合，形成二元復合物。I型受體不能單獨與TGF－β自由結合，它是在TGF－β與II型受體結合后，識別二元復合物，并與之結合形成三元復合物。在此過程中，II型受體胞漿區的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結構域將I型受體胞漿區GS結構域的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，使I型受體活化。活化的I型受體再進一步作用于細胞內的下游分子，將TGF－β的信號向細胞內傳遞。I型和II型受體在TGF－β的信號轉導中都是必不可少的，單獨表達I型或II型受體的細胞會對TGF－β失去反應［6，7］。在I型、II型受體都高表達的情況下，二者的胞漿區會形成異源二聚體，并引起非配體依賴的TGF－β樣生物學作用［8］。

2.3 TGF－β的細胞內信號轉導途徑

TGF－β的細胞內信號轉導途徑及其對基因表達的調控方式，在Smads家族發現后，得到了深入地研究。Smad蛋白家族主要分為三個亞族:途徑限制型Smads(Pathwayretricted Smads，R－Smad)，共同中介型Smads(Common－mediator Smads，C－Smad)，抑制型 Smads(Inhibitory Smads，I－Smads)。Smads的N端和C端含有保守的氨基酸序列分別稱為MH1和MH2結構域，之間含有富含脯氨酸的連接區。R－Smad包括 Smad1、2、3、5、8、9，它們分別在某種TGF－β超家族細胞因子的信號轉導途徑中起作用，如Smadl、Smads5和Smad9是BMPs的細胞內信號轉導分子，而Smad2和Smad3是TGF－β的細胞內信號轉導分子。它們的C端含有一個特征性的富含絲氨酸基序列(SSXS motif，Ser－Ser－X －Ser)，可被 TβRⅠ磷酸化。ISmads、C－Smads無此序列。MH1能與DNA直接結合，而MH2主要與DNA結合蛋白和輔助因子結合，調節轉錄活性。生理條件下MH1與MH2域能相互抑制，MH1能抑制MH2的轉錄調節活性，而MH2能抑制MH1與DNA結合的能力。SSXS區被TβRⅠ磷酸化后可解除MH1、MH2的相互抑制作用。以TGF－βI型受體TβRⅠ－Smads信號途徑為例，TGF－β1結合并激活TβRII，后者活化 TβRI，進而磷酸化R－Smads，使Smad2或/和Smad3由非活性從而獲得活性。磷酸化的 Smad2或/和 Smad3連同 C－Smad，Smad4形成異聚體，進入細胞核，參與調節基因轉錄。ISmads成員Smad6和Smad7對TGFβ1信號傳遞起負調控作用。

除了Smads途徑外，TGFβ1還可激活一系列其它信號分子［9］，如蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)、酪氨酸激酶Ⅱ和MAPKs(包括ERK1/2，p38和JNK)等，介導不同的生物學作用。

3 TGF－β及其信號通路在牙齒發育中的作用

對于TGF－β及其受體在牙齒發育各個時期的表達研究較早，Vaahtokari等在1991年就提出TGF－β1、2、3存在于牙齒中，并與牙齒的形態發生有關。TGF－β及其受體參與了牙胚的發生、發展和成熟過程，并且隨著成釉器和成牙本質細胞的功能分化表達逐漸增強。許多研究證實，TGF－β在上皮－間充質相互作用過程中起重要的作用，通過調節細胞外基質、核內轉錄因子、細胞粘附因子等的表達，參與調控牙胚發育和細胞分化。國外一項研究通過原位雜交實驗發現，鐘狀期內釉上皮、成熟的成牙本質細胞和成釉細胞表達TGF－β。另一項研究則發現在鐘狀期牙胚的星網狀層、牙乳頭細胞和成牙本質細胞表達TGF－β。

TGF－β信號通路在牙齒發育中發揮著重要的作用。一些研究中發現在TGF－β作用下，Smad2和Smad3與共用中介分子Smad4結合入核內后，可與Jun家族成員形成的轉錄因子AP－1結合，調控目的基因表達。而Jun家族成員僅在牙乳頭的成牙本質細胞表達，未在牙乳頭細胞表達，其余成牙本質細胞的分化和牙本質的形成有關。由此，Smad2和Smad3能特異地轉錄TGF－β的信號，并可能參與調控牙胚發育和成牙本質細胞的終末分化。國內第四軍醫大學的一項研究表明，在牙齒蕾狀期牙板和成釉器細胞中Smad2和Smad3表達，周圍間質細胞表達較少，與TGF－β在蕾狀期牙胚的分布相同，提示牙胚發育早期Smad2和Smad3參與TGF－β信號傳導過程，以促進上皮－間充質之間的相互誘導作用。2001年何文喜等在人牙胚發育各期的標本中首次觀察到Smad4信號分子在人牙胚發育過程中的表達，發現其表達在各期存在特異的時空分布模式，且與TGF－β等細胞因子的表達有相似，與其作為TGF－β超家族成員細胞內信號分子的功能是相一致的。在牙胚發育早期，Smad4可能參與上皮－間充質相互作用的信號誘導;在成釉細胞和成牙本質細胞分化中，Smad4表達增強，至分化成熟以及牙釉質、牙本質形成表達最強，表明其可能參與成釉細胞和成牙本質細胞的分化，以及牙釉質和牙本質的形成。

綜上所述，TGF－β在牙齒發育的各個階段均有表達，其信號傳導分子在口腔發育的不同時期也有不同的表達，但其在牙齒發育的階段中信號傳導至核內后又啟動哪些轉錄因子，作用于何種靶基因，以及在信號轉導過程中的作用機制尚有待進一步研究。

［1］ Thesleff，I．，Vaahtokari，A．and Partanen，A．M．(1995)Regulation of organogenesis．Common molecular mechanisms regulating the development of teeth and other organs．Int．J．Dev．Biol．39，35 – 50．

［2］Ruch，J．V．，Lesot，H．Begue － Kirn，C．Odontoblast differentiation．Int．J．Dev．Biol．1995，39，51–68．

［3］ Derynck R．TGF － β －receptor－mediated signaling．TIBS，1994，19(12):548

［4］ Massague J，Attisano L，Wrana JL．The TGF－β family and its composite receptor．Trends Cell Biol，1996，4:172．

［5］ Wang L，Zhu Y，Sharma K．Transforming growth factor－β1 stimulates protein kinase A in mesangial cells．J Biol Chem，1998，273(14):522－527．

［6］張瑩，張郁，金巖．轉化生長因子β受體在牙胚發育過程中的表達和意義［J］．牙體牙髓牙周病學雜志，1999，3(9):11－13．

［7］ Thesleff I，Vaahtokari A，KettunenP，et al．Epithelial mesenchymal signaling during tooth development．Connect tissue res，1995，32:9．

［8］包柳郁，牛忠英等．人牙髓細胞內Smad2、3在TGF－β1信號轉導中作用的研究［J］．西安:第四軍醫大學，2006．

［9］何文喜，牛忠英，趙守亮．Smad4在人牙胚發育各期的表達與分布［J］．北京口腔醫學，2001，9(1):1－4．