FAM20C在牙齒形成中的局部作用的研究進展

王 寧，謝曉華

FAM20C以前也被成為牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白4(dentin matrix protein 4,DMP4)，是一種分泌型激酶，屬于FAM20蛋白家族[1]。在哺乳動物中FAM20家族有3個序列相似的成員:FAM20A、FAM20B和FAM20C[1]。FAM20A本身沒有激酶活性，但可以與FAM20C形成復(fù)合物從而增強其蛋白激酶活性，它的突變與人類牙釉質(zhì)發(fā)育不全、牙齦增生綜合征和牙釉質(zhì)-腎臟綜合征有關(guān)[2]。FAM20B負(fù)責(zé)糖胺聚糖-蛋白連接區(qū)中木糖殘基的磷酸化，可以參與斑馬魚的軟骨基質(zhì)生產(chǎn)和骨骼發(fā)育[3]。最新研究表明，F(xiàn)AM20B的特異性失活與小鼠牙齒數(shù)量有關(guān)[4]。以往研究表明，F(xiàn)AM20C在牙體組織的成骨細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞、成釉細(xì)胞和成纖維細(xì)胞以及牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和骨基質(zhì)中高表達[1,5]，能夠磷酸化SCPP蛋白，認(rèn)為FAM20C的活性對于牙齒的形成至關(guān)重要。因此，本文就FAM20C的結(jié)構(gòu)功能以及在牙齒發(fā)育中的局部作用作一綜述，以便為牙齒形成的機制研究以及發(fā)育異常提供部分思路。

1 FAM20C的結(jié)構(gòu)和分布

FAM20C基因位于染色體7p22.3，長度為72 410 pb，包含10個外顯子[6]。FAM20C的mRNA 長度為3 176 pb，并具有1 755個核苷酸編碼序列[6]。序列分析顯示，F(xiàn)AM20C蛋白在N端包含579個氨基酸殘基，包括一個假定的26個氨基酸信號肽[7]。C端含有350個氨基酸(對應(yīng)于小鼠 FAM20C 序列中的 218～569)，被稱為保守C末端結(jié)構(gòu)域，并包含在不同物種之間高度保守的酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域(KD)[1]，其KD包含222個氨基酸，從殘基354～565[6]。人和小鼠的序列具有85%的一致性和91%的相似性[3]。FAM20C普遍表達在乳腺、腦、腎、脾、肝非礦化組織和牙齒、骨等礦化組織中。在牙齒的成釉細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞、成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中高表達[5]。

2 FAM20C的功能

蛋白質(zhì)磷酸化幾乎可以調(diào)節(jié)細(xì)胞生命的各個方面，包括細(xì)胞周期、生長、分化、遷移和死亡[7]，是一個非常重要的生理過程，而FAM20C已被認(rèn)定為是一種分泌性的蛋白激酶，它們在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)的管腔中合成，并特異性定位于高爾基體和細(xì)胞外[8]，主要磷酸化 Ser-x-Glu/pSer 基序中的蛋白質(zhì)[9]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AM20C的底物有100多種蛋白質(zhì)，其中就包括SCPP蛋白家族。SCPP蛋白家族包括小整合素結(jié)合配體N連接糖蛋白(SIBLINGs)和釉基質(zhì)蛋白，SIBLINGs包括骨唾液蛋白(BSP)、骨橋蛋白(OPN)、牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白-1(DMP1)、牙本質(zhì)唾液涎磷蛋白(DSPP)和基質(zhì)細(xì)胞外磷酸糖蛋白(MEPE)。釉基質(zhì)蛋白包括釉成熟蛋白(AMTN)、成釉蛋白(AMBN)和釉蛋白(ENAM)[10-12]。這是兩組對骨骼和牙齒形成至關(guān)重要的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，在骨骼和牙齒的礦化中起著重要作用。

小鼠中FAM20C的整體失活會導(dǎo)致FGF23介導(dǎo)的低磷酸鹽血癥，并伴隨骨骼和牙齒的嚴(yán)重變化[12]，還會引起睪丸、精囊、前列腺、鮑曼氏囊、唾液腺和其他器官的變化[13]。人類FAM20C基因的突變與致死或非致死性Raine綜合征有關(guān)，該綜合征的特點是全身性骨硬化、顱內(nèi)鈣化和顱面畸形[14]。除生物礦化外，F(xiàn)AM20C在其他的生物過程中也起作用，例如脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)、傷口愈合、細(xì)胞遷移和黏附等[15]。

3 FAM20C對牙源性相關(guān)干細(xì)胞的影響

3.1 FAM20C對牙髓干細(xì)胞的影響

人類牙髓細(xì)胞(hDPCs)來源間充質(zhì)于具有高增殖和自我更新的能力，并具有分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞樣細(xì)胞的能力。它們是修復(fù)性牙本質(zhì)生成所必需的[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，牙髓細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化中FAM20C以時間依賴性方式升高，在第14天時，F(xiàn)AM20C蛋白的表達水平最高，與此同時，DSPP和DMP1的表達上調(diào)[18]。體外敲低DPC中FAM20C后，F(xiàn)AM20C的蛋白表達水平下降60%，也抑制了DPC中DSPP和DMP1的蛋白表達，降低了堿性磷酸酶(ALP)的活性，減少礦化結(jié)節(jié)的形成[18]。另一研究表明，F(xiàn)AM20C表達于誘導(dǎo)前后的hDPC中，未誘導(dǎo)時FAM20C在細(xì)胞核中表達，誘導(dǎo)后表達于細(xì)胞質(zhì)中，且胞質(zhì)中FAM20C的表達量隨時間而增加[19]。以上研究提示FAM20C參與調(diào)節(jié)hDPC向成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化，并推測在分化過程中是從胞核轉(zhuǎn)向胞質(zhì)發(fā)揮磷酸激酶的作用[19]，但其具體機制有待進一步研究。

3.2 FAM20C對間充質(zhì)干細(xì)胞的影響

牙齒發(fā)育是上皮和間充質(zhì)相互誘導(dǎo)的復(fù)雜的過程，除釉質(zhì)外，其他牙體組織均由間充質(zhì)細(xì)胞發(fā)育而來，因此，了解FAM20C對間充質(zhì)細(xì)胞的影響至關(guān)重要。有學(xué)者用體外慢病毒轉(zhuǎn)染的方法生成了FAM20C敲除的牙齒間充質(zhì)細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)FAM20C的失活抑制了間充質(zhì)細(xì)胞遷移和增殖能力，抑制牙源性相關(guān)標(biāo)志物，即ALP、DMP1、DSPP、BSP、MEPE和OPN的mRNA以及蛋白的表達水平，減少礦化結(jié)節(jié)的形成[20],卻提高BMP2和BMP7的表達[20]。

4 FAM20C在牙體硬組織發(fā)育中的作用

4.1 FAM20C促進釉質(zhì)的形成和礦化

釉質(zhì)發(fā)育不全(amelogenesis imperfecta，AI)是一類遺傳性疾病，在釉質(zhì)的形成和礦化中表現(xiàn)出一定的缺陷。AI常表現(xiàn)出稀薄、柔軟、易碎、凹陷和變色的釉質(zhì)表型。據(jù)報道，這些缺陷也可能與其他器官的系統(tǒng)病變有關(guān)[3]。因此，了解AI的生物學(xué)機制可以為臨床提供有效的治療手段。目前，多項研究表明，AI的出現(xiàn)與FAM20C的功能喪失密切相關(guān)[3，21]。再次證明FAM20C的活性對釉質(zhì)的形成和礦化至關(guān)重要。

Wang等[12]構(gòu)建K14-Cre;FAM20Cfl/fl小鼠在上皮組織中特異性失活FAM20C，結(jié)果導(dǎo)致敲除鼠的牙齒透明度下降，表明釉質(zhì)發(fā)育或者礦化不良。另外，Liu等[21]構(gòu)建了Sox2-Cre;FAM20Cfl/fl小鼠模型普遍失活FAM20C，導(dǎo)致小鼠門牙較短且有白堊色外觀，第一磨牙表面粗糙且成淡黃色。進一步研究發(fā)現(xiàn)，成釉細(xì)胞形態(tài)與原來的高柱狀相比變得矮小，失去極性且混亂，細(xì)胞外基質(zhì)成球狀且易脫落，礦物質(zhì)沉積速率顯著降低[12,21]。推測出現(xiàn)上述表型的原因可能：一方面成釉細(xì)胞與釉質(zhì)表面之間的錐板結(jié)合受到損害，導(dǎo)致成釉細(xì)胞與最初分泌的釉質(zhì)基質(zhì)脫離；另一方面，分化差的成釉細(xì)胞分泌不規(guī)則的釉質(zhì)基質(zhì)樣物質(zhì)，并且不能黏附在基質(zhì)上，導(dǎo)致成熟牙齒表面的釉質(zhì)層缺損。

分子水平研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AM20C缺失下調(diào)了成釉細(xì)胞標(biāo)志物成釉蛋白AMBN和AMTN的mRNA和蛋白質(zhì)表達水平[12]，BMP 信號傳導(dǎo)途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子Smad 1/5/8的水平顯著降低，BMP的配體(在前釉母細(xì)胞和成釉細(xì)胞中表達)BMP2、BMP4和BMP7水平降低，而BMP2、BMP4和BMP7的基因表達沒有改變[21]。BMP配體是FAM20C的磷酸化底物，BMP信號通路，尤其是依賴于Smad 的BMP通路，在成釉細(xì)胞的分化和成熟中起著至關(guān)重要的作用[12]。體外成骨細(xì)胞中失活FAM20C的研究也表明，F(xiàn)AM20C缺失會降低p-Smad1/5/8，p-Erk和p-p38的水平[22]。因此推測，F(xiàn)AM20C不僅促進成釉細(xì)胞的分化和成熟，還參與細(xì)胞外基質(zhì)的形成和礦化，F(xiàn)AM20C缺失導(dǎo)致的小鼠牙釉質(zhì)缺陷一方面受釉質(zhì)基質(zhì)蛋白的調(diào)控作用，另一方面也與BMP配體的磷酸化失敗而抑制了BMP信號通路的激活有關(guān)。

4.2 FAM20C促進牙本質(zhì)形成及相關(guān)機制

牙本質(zhì)發(fā)育不全(dentinogenesis imperfecta,DGI)是一種常染色體顯性遺傳病，其特點是牙本質(zhì)礦化不良和結(jié)構(gòu)改變[23-24]。了解DGI的形成機制對于臨床診斷和治療非常有意義。

Wang等[25]構(gòu)建了Sox2-Cre;FAM20Cfl/fl小鼠使FAM20C普遍失活，同時構(gòu)建了Wnt1-Cre;FAM20Cfl/fl小鼠滅活顱面間充質(zhì)細(xì)胞中的FAM20C，2種敲除小鼠都表現(xiàn)出牙本質(zhì)變薄，牙齒變短，第一磨牙萌出遲緩，根部不完整。還有研究也表明，在FAM20C敲除鼠中，牙本質(zhì)小管數(shù)量減少，排列不規(guī)則，髓腔增大，磨牙的牙髓腔中缺乏反應(yīng)性牙本質(zhì)[5]。體外功能的獲得和喪失表明，F(xiàn)AM20C的過表達促進成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化并促進礦化的結(jié)節(jié)形成[13]。另外，通過RNA干擾使FAM20C沉默可抑制成牙本質(zhì)細(xì)胞的分化和礦化作用[13]。以上都說明FAM20C對于牙本質(zhì)尤其是根部牙本質(zhì)的形成至關(guān)重要。

牙本質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)由90%的Ⅰ型膠原和10%的非膠原蛋白組成，其中，非膠原蛋白DMP1和DSPP在調(diào)控成牙本質(zhì)細(xì)胞分化和成牙本質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)的形成和礦化過程中起重要作用[26-27]。多項研究表明，在FAM20C失活的成牙本質(zhì)細(xì)胞中，DSPP和DMP1的表達下調(diào)，且DSPP在根部牙本質(zhì)比在冠部牙本質(zhì)下調(diào)嚴(yán)重的多，幾乎被廢除[25]，這也與根部牙本質(zhì)缺損比冠部牙本質(zhì)缺損嚴(yán)重相符合，提示牙冠部存在著其他分子信號調(diào)節(jié)補償機制，但目前尚不明確。Wang等[28]進行DMP1過表達的挽救實驗，多項數(shù)據(jù)表明并沒有改善牙本質(zhì)缺陷的情況，推測DMP1的下調(diào)可能不與FAM20C基因敲除小鼠的礦化缺陷直接相關(guān)。

蛋白質(zhì)糖基化是最為常見且復(fù)雜的翻譯后修飾之一[29]。DSPP和DMP1在水解過程中被剪切成N端和C端，糖基化集中于DSPP和DMP1的N端，且能夠抑制C端促進礦化的作用[30]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AM20C敲除鼠的DSPP/DSP的比率明顯升高(DSP是DSPP的N端片段)，且DSPP部分的彌散增大。全長DMP1/C端DMP1的比率也出現(xiàn)升高，而其N端DMP1片段濃度降低，彌散程度加大[30]。由此推測FAM20C缺失會降低DSPP和DMP1的磷酸化程度，而提高了糖基化水平，從而抑制了DSPP和DMP1的剪切進而抑制了牙本質(zhì)的礦化作用。

5 FAM20C維持牙周組織的正常形態(tài)和健康

牙周支持組織包括牙周膜(PDL)、牙骨質(zhì)、牙槽骨和牙齦[31]。PDL是牙骨質(zhì)和牙槽骨之間的一種未礦化的結(jié)締組織，其功能是以防止咀嚼時牙齒受到意外損傷[31]。眾所周知，成纖維細(xì)胞能產(chǎn)生Ⅰ型膠原，是PDL中最主要的成分，也是上述功能的主要承擔(dān)者。研究發(fā)現(xiàn)，在表達Ⅰ型膠原的細(xì)胞中滅活FAM20C,會導(dǎo)致小鼠牙周出現(xiàn)進行性缺損并伴有炎癥的發(fā)生[32]。出生第4天時，敲除組與對照組區(qū)別不大，沒有牙周袋形成，在24周時區(qū)別最為嚴(yán)重，表現(xiàn)為多數(shù)牙槽骨丟失，牙周膜的某些區(qū)域壞死并伴有膿腫的形成，幾乎所有膠原纖維都被破壞[32]。Vogel等[3]研究也表明，F(xiàn)AM20C-/-小鼠的磨牙常伴有根尖膿腫，牙周炎和牙槽骨的變化。綜上，F(xiàn)AM20C缺失會破壞纖維組織和骨組織的形成，引起牙槽骨的破壞和牙周炎癥，F(xiàn)AM20C的活性是維持正常牙周形態(tài)以及牙周健康所必需的。

除Ⅰ型膠原外，其他細(xì)胞外基質(zhì)分子也在牙周組織中起重要作用，骨膜蛋白Periostin就是其中之一。在FAM20C敲除鼠中，牙周膜中Periostin的表達顯著降低[33]。而在Periostin敲除小鼠中，PDL成纖維細(xì)胞在膠原纖維中不規(guī)則分布，并且膠原纖維雜亂無章[33]。以往研究表明，Periostin促進細(xì)胞與基質(zhì)相互作用，促進細(xì)胞存活，調(diào)節(jié)膠原蛋白Ⅰ原纖維形成并與其他ECM蛋白相互作用，在ECM的連接和分布中起重要作用[34]。最近研究發(fā)現(xiàn)，Periostin是FAM20C的潛在底物，能直接與FAM20C結(jié)合，體外被其磷酸化[35]。因此推測FAM20C可能是通過影響骨膜素的細(xì)胞功能以及減弱其磷酸化作用來影響牙周組織結(jié)構(gòu)的。

6 總 結(jié)

細(xì)胞外基質(zhì)的生理鈣化或生物礦化是完成正常的發(fā)育過程所必須的，對于牙齒等礦化組織的正確形成和功能至關(guān)重要。FAM20C作為一個負(fù)責(zé)磷酸化的激酶，在成釉細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞、成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中高表達，促進牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的形成和礦化，參與牙周形態(tài)的正常形成和牙周健康的維護。但是，目前牙齒發(fā)育的機制尚不明確，對某些方面還有待進一步研究，例如，F(xiàn)AM20C對底物的磷酸化作用以及與其他信號分子的聯(lián)系。在以后的研究中，可以在這方面進行深入研究，進一步了解牙齒發(fā)育的機制，為臨床治療和科研提供新的思路。