成牙本質細胞分化信號通路研究進展

田子璐，劉藝萍，王 玨，朱 松，孫宏晨，倪世磊

成牙本質細胞是由牙髓干細胞分化而來的終末分化細胞，是形成牙體組織的主要細胞之一。目前普遍認為，信號分子與牙髓干細胞受體結合后將信息傳導入細胞核，引發 DNA轉錄以及相關蛋白質的表達，最終在多信號通路共同作用下完成成牙本質細胞分化。本文依據近年來研究成果歸納了Smad、MAPK、Wnt、Notch等影響成牙本質細胞分化的信號通路[1]。

1 Smad信號通路

Smad信號通路是影響成牙本質細胞分化的重要信號通路之一，轉化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)和骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)等多種信號分子作用于該通路繼而影響成牙本質細胞分化[2-3],見圖1。按照各自的結構及功能，Smad蛋白(Smad1～Smad9)被分為受體調節型Smads(R-Smad)、共同中介型Smads(C-Smad)、抑制型Smads(I-Smad)。R-Smad包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5、Smad8、Smad9；I-Smad包括Smad6、Smad7；目前發現的C-Smad只有Smad4[4]。R-Smad中，Smad2、Smad3參與TGF-β信號傳導；Smad1、Smad5、Smad8參與BMP信號傳導。R-Smad被TGF -β或BMP受體激活發生磷酸化，磷酸化R-Smad與C-Smad形成異源寡聚物，該寡聚物可與DNA結合蛋白或DNA序列結合進而調控目的基因的表達；I-Smad與R-Smad存在競爭關系，通過抑制R-Smad磷酸化可抑制Smad信號通路[5]。Smad4是目前發現的唯一C-Smad，在胚胎發育過程中的口腔上皮細胞和間充質均有表達，因此Smad4是信號傳遞的關鍵中介物。但磷酸化的Smad1、Smad5、Smad8能夠在細胞中累積，獨立于Smad4傳導BMP信號，因此敲除Smad4基因后成牙本質細胞分化和牙本質形成過程中并未出現明顯異常[6-8]。

1.1 TGF-β引導Smad信號通路對成牙本質細胞分化的影響

TGF-β在哺乳動物中的亞型包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，是誘導上皮細胞、間充質細胞增殖、分化、凋亡的信號分子[9]。成牙本質細胞表面分布有大量的TGF-βⅠ、Ⅱ型受體。有實驗發現，當牙髓受刺激后，新形成的成牙本質樣細胞表面TGF-βⅠ型受體、Smad2以及Smad3活性明顯高于一般成牙本質細胞[5]；敲除TGF-β Ⅱ型受體基因的大鼠牙本質明顯變薄并伴有基質分泌減少以及細胞極化消失的情況出現[10]。以上均從受體角度驗證了TGF-β是一類能夠促進牙髓細胞向成牙本質細胞分化的生物因子，當TGF-β與TGF-β Ⅱ型受體結合后可使TGF-βⅠ型受體磷酸化，之后激活Smad2、Smad3基因表達[3,11]。

圖1 TGF-β/BMP引導Smad信號通路信號轉導

TGF-β各亞型中，TGF-β1、TGF-β3在成牙本質細胞內表達水平較高。在體外實驗中，二者均能夠刺激牙髓干細胞有絲分裂、誘導其向成牙本質細胞分化。利用TGF-β3與肝素聯合誘導人牙髓干細胞生長以及成牙本質細胞樣分化能夠取得良好的效果[12]。然而在體內實驗中，敲除TGF-β1基因小鼠牙本質礦化程度明顯降低、與牙本質形成相關的牙本質涎蛋白(dentin sialophosphoprotein,DSPP)表達明顯降低，表現出牙本質發育不良、缺陷等情況[9]；在出生后4 d的小鼠的成牙本質細胞層中TGF-β3便呈強陽性表達，之后逐漸減弱。以上均證明TGF-β1、TGF-β3在成牙本質細胞分化中起到重要作用[12]。對于TGF-β2而言，研究發現牙胚發育過程中TGF-β2 mRNA的分布具有時空特異性，可通過上皮-間充質影響成牙本質細胞分化、誘導DSPP的表達[9,13]。

1.2 BMP引導的Smad信號通路對成牙本質細胞分化的影響

BMP家族引導的Smad信號通路是一種高度保守的信號通路，已有研究證實BMP家族在誘導胚層發育、骨組織形成等方面發揮重要作用，其中的BMP2、 BMP4、BMP7等參與調控牙體組織發育，牙體早期形態學發生、細胞分化以及牙齒萌出等一系列生物學行為。

敲除小鼠成牙本質細胞BMP2基因后，其內DSPP、牙本質基質蛋白-1以及基質金屬蛋白酶-9等表達明顯減少;與此相同的是，當在人牙髓干細胞培養基中加入BMP2/Smad信號通路抑制劑后，標志成牙本質細胞早期分化標志的堿性磷酸酶含量明顯降低。然而BMP4轉染入小鼠誘導多能干細胞或人誘導多能干細胞中后可成功誘導其分化為成牙本質細胞；轉染了2型腺病毒相關病毒介導BMP7或腺病毒介導的BMP-7的牙髓干細胞其堿性磷酸酶活性、DSPP表達水平均明顯升高。以上實驗結果均證明BMP有利于牙髓干細胞向成牙本質細胞分化[14-18]。

同TGF-β相似，成牙本質細胞表面存在兩類BMP受體(BMP recepter,BMPR)，即Ⅰ型受體和Ⅱ型受體。Ⅰ型受體包括活化蛋白A受體1(activin A receptor 1,ActR 1)、BMP受體1A型(BMPR 1A)、BMP受體1B型(BMPR 1B); Ⅱ型受體包括BMPRⅡ、ActR 2A、ActR 2B。BMP與Ⅱ型受體結合后激活Ⅰ型受體，Ⅰ型受體磷酸化Smad1、Smad5、Smad8蛋白激活Smad信號通路。研究表明BMPR1A 基因敲除會導致牙體發育停滯；BMPRⅡ數量隨成牙本質細胞的成熟而增多，從受體角度證實BMP與成牙本質細胞分化有密切聯系[3]。

BMP家族通過Smad信號通路來調節成牙本質細胞分化。實驗發現，BMP2含量與Smad1、Smad5活性成時間依賴性、劑量依賴性，在體外培養的牙髓干細胞中加入BMP2后Smad1、Smad5磷酸化水平明顯提高；而加入BMP2抑制劑后結果相反[4]；Huang等驗證了轉染了BMP4基因的細胞較其他細胞Smad1、Smad5磷酸化水平更高[19]；Hertwig上皮根鞘中，BMP7含量增加時，Smad1、Smad5、Smad8磷酸化水平明顯提高，以上結果證實Smad1、Smad5、Smad8為BMP家族下游信號分子，能夠影響成牙本質細胞分化[3]。

2 MAPK信號通路

絲裂原激活蛋白酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)參與調控細胞增殖、分化以及信號傳導等生理病理過程，代表的MAPK信號通路有ERK(extracellular-signal regulated kinase)信號通路、JNK(c-Junamino-terminal kinase)信號通路、p38 MAPK信號通路，各信號通路對成牙本質細胞分化都起調控作用[20]。

體外實驗發現，p38 MAPK磷酸化水平與BMP2呈劑量相關性，p38 MAPK信號通路抑制劑可明顯抑制BMP2誘導的成牙本質細胞分化。證明除Smad信號通路外，BMP2也可激活p38 MAPK信號通路以調節成牙本質細胞分化。被激活的p38 MAPK信號通路可磷酸化特定的轉錄因子，增強其反激活能力，影響相關的基因表達[21]。

根尖乳頭干細胞具有分化為成牙本質細胞的潛能，在機械應力的刺激下，ERK信號通路被激活，促進根尖乳頭干細胞向成牙本質細胞分化；而當ERK信號通路被抑制時，BMP9引導根尖乳頭干細胞向成牙本質細胞分化能力明顯下降，以上實驗證明激活ERK信號通路有利于根尖乳頭干細胞向成牙本質細胞分化[22-23]。

JNK信號通路與其他MAPK通路共同調控成牙本質細胞分化。當JNK信號通路被抑制后，由BMP2、 Wnt6誘導的成牙本質細胞遷移和分化受到抑制[24-25]。因此，抑制JNK信號通路不利于成牙本質細胞分化。

3 Wnt信號通路

目前已證實Wnt信號通路在調控生長發育、疾病發生發展過程中發揮重要作用。根據信號通路中是否有β-連環蛋白(β-catenin)的參與，Wnt信號通路分為經典和非經典 Wnts 蛋白信號通路。

經典Wnt信號通路在牙髓干細胞的增殖、分化等過程中可被激活發揮作用。由Wnt3a、 BMP9誘導根尖乳頭干細胞向成牙本質細胞分化過程中，敲除β-catenin基因會導致堿性磷酸酶表達下降，抑制成牙本質細胞分化。因此β-catenin信號通路的正常表達對BMP9以及Wnt 3a誘導的成骨/成牙本質過程中有重要意義。相反在非經典信號通路中，過表達的Wnt 5a可提高堿性磷酸酶、牙本質基質蛋白-1、DSPP的表達，加快根尖乳頭干細胞向成牙本質細胞分化[26-28]。

Wntless是一種調節Wnt蛋白分泌重要的伴侶蛋白。實驗敲除將要極化的成牙本質細胞Wntless基因后，該細胞形態改變，形成的牙本質變薄，牙體組織明顯缺陷。同時成牙本質細胞內Wnt 10a、Wnt 2以及與Wnt通路有關的Axin2和β-catenin蛋白的表達都明顯下降，證實Wntless對成牙本質細胞分化起到間接影響[29]。

4 Notch信號通路

Notch信號通路包括三部分：Notch受體、Notch配體、DNA結合蛋白。Notch受體包括4類Ⅰ型跨膜蛋白——Notch 1、Notch 2、 Notch 3、Notch 4 。當Notch 受體與兩類特異性配體——DLL型配體(Delta-like1, Delta-like3、Delta-ike4) 或者JAG型配體(Jagged1, Jagged2)結合后激活細胞酶促反應，切割Notch蛋白，釋放Notch蛋白胞內結構域，而后該結構域進入細胞核與相應DNA結合位點結合，激活Hes、Hey等相關靶基因完成信號傳導[30]。

研究發現，DLL型配體與JAG型配體對牙髓干細胞分化發揮相反的作用：DLL型配體與Notch受體結合可促進牙髓干細胞向成牙本質細胞分化；而JAG型配體過度表達會明顯抑制牙髓干細胞的分化。兩類配體發揮相互拮抗作用，使細胞分化過程在信號調控下達到平衡狀態[31]。

雖然在健康牙髓細胞中Notch 2表達微弱，但受到外界刺激后的早期前成牙本質細胞中Notch 2表達上調，接著在間充質細胞和成牙本質細胞中表達均增加。隨著修復的完成，Notch 2在各類細胞中表達信號逐漸減弱，表明Notch 2參與了牙體修復過程中的成牙本質細胞分化的信號傳導[32]。在脂多糖作用的小鼠成牙本質樣細胞中Notch 1、Notch 2表達先增后降； Delta-like1表達先降后增；Jagged1表達逐漸降低，這表明除Notch 2外，Notch 1也參與前期成牙本質細胞分化的信號傳導，促進成牙本質樣細胞分化[31]。而Notch 3在前成牙本質細胞中表達明顯，當分化為成牙本質細胞后表達消失，因此研究認為Notch 3能夠使細胞處于未分化狀態，當細胞分化后Notch 3不再表達[33]。

5 小結與展望

成牙本質細胞分化是牙本質形成的前提，各信號分子可通過Smad、Notch、Wnt、MAPK信號通路影響成牙本質細胞分化。研究各信號通路對成牙本質細胞分化的影響、調控各信號通路的表達、促進成牙本質細胞分化等對各種牙本質相關疾病的治療將有重要意義。