BMP信號通路與牙齒發(fā)育關(guān)系的研究進(jìn)展

陳貴妙 林陳勝 許 姍

（福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建省發(fā)育與神經(jīng)生物學(xué)實驗室，福建 福州 350108）

BMP信號通路與牙齒發(fā)育關(guān)系的研究進(jìn)展

陳貴妙 林陳勝 許 姍

（福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建省發(fā)育與神經(jīng)生物學(xué)實驗室，福建 福州 350108）

哺乳動物牙齒發(fā)育是一個由多種信號分子進(jìn)行調(diào)控的上皮—間充質(zhì)相互作用的過程。其中骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP）是口腔上皮中最早表達(dá)的信號分子之一，它在上皮—間充質(zhì)相互誘導(dǎo)中起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。BMP信號通路是細(xì)胞內(nèi)外多種因子構(gòu)成的復(fù)雜精細(xì)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，這一網(wǎng)絡(luò)中各個因子的相互作用對維持牙齒正常發(fā)育起重要作用。本文綜述了BMP信號通路與牙齒發(fā)育的研究進(jìn)展。

BMP；BMP通路；牙齒發(fā)育

哺乳動物牙齒結(jié)構(gòu)相對簡單并且具有獨特的發(fā)育過程，因而被認(rèn)為是研究哺乳動物器官發(fā)生的常用模型之一。牙齒發(fā)育過程是由外胚層來源的上皮和神經(jīng)嵴來源的間充質(zhì)相互誘導(dǎo)，相互作用而實現(xiàn)的。BMP信號通路在牙齒上皮—間充質(zhì)的相互誘導(dǎo)中起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。這一通路中的多種因子精確調(diào)控可使BMP信號的活性水平達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這種穩(wěn)態(tài)一旦失衡可能導(dǎo)致嚴(yán)重的牙齒發(fā)育異常。因此BMP信號通路與牙齒正常發(fā)育中的機制受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。

1 牙齒發(fā)育

小鼠牙齒發(fā)育與包括人類在內(nèi)的哺乳動物牙齒發(fā)育模式和過程相似，因而作為研究牙齒發(fā)育的模式生物。在小鼠E9.0（胚胎齡9.0d）時，第一鰓弓還未出現(xiàn)任何形態(tài)學(xué)變化，但是它已經(jīng)具備成牙的潛能[1]。E10.5甚至更早牙齒形成的位置已經(jīng)決定了。至E11.5時，出現(xiàn)口腔上皮的局部增厚形成牙胚發(fā)育原基或牙板。E12.5至E13.5，增厚的牙上皮增殖并內(nèi)陷形成牙蕾，因此該時期被稱為蕾狀期。E14.5時，牙上皮繼續(xù)增殖，但牙蕾中心部位形成一個增殖較慢的釉結(jié)節(jié)，使其外周增殖較快的上皮卷曲包繞間充質(zhì)形成帽狀結(jié)構(gòu)稱為帽狀期。發(fā)育至E16.5，牙上皮繼續(xù)增殖，進(jìn)一步向間充質(zhì)深入形似吊鐘，稱為鐘狀期。從帽狀期到鐘狀期的過程基本確定了牙齒的形狀。此后，上皮來源的成釉細(xì)胞與間充質(zhì)來源的成牙本質(zhì)細(xì)胞開始形成。

牙齒的形態(tài)發(fā)生和細(xì)胞增殖分化是通過上皮—間充質(zhì)信號調(diào)控來是實現(xiàn)的。上皮和間充質(zhì)的相互作用涉及許多不同信號分子，這些分子構(gòu)成了一個復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)。參與牙齒早期發(fā)育的信號分子可以概括為四大家族：刺猬蛋白（Hedgehog，Hh）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP）、成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)和Wnt[2,3]。其中BMPs是口腔上皮中最早表達(dá)的信號分子之一，它在上皮—間充質(zhì)相互誘導(dǎo)中起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。

2 BMP信號通路

2.1 BMP家族的種類和分子特性

BMPs是一組具有多功能的同源二聚體蛋白，是TGF-β（transforming growth factor β）超家族成員。BMPs是1965年Urist首次發(fā)現(xiàn)并從脫鈣骨基質(zhì)中分離出的糖蛋白，它能夠誘導(dǎo)體內(nèi)的異位成骨。隨后，這些生長因子被發(fā)現(xiàn)廣泛表達(dá)于脊椎動物的胚胎和胎兒并具有調(diào)節(jié)發(fā)育中的中胚層分化、神經(jīng)形成、骨化及器官和組織形成的功能。

BMP家族成員被稱為成骨蛋白(OP)，軟骨分化形成蛋白（CDMP），也被稱為生長和分化因子（GDF）。它是一類進(jìn)化高度保守的亞型，目前已知的BMP家族成員有30余種[4]。根據(jù)氨基酸序列同源性分析可將它們分為4個組：①Bmp2和Bmp4被歸類為dpp亞組，它們的基因序列與果蠅的dpp(decapentaplegic)基因具有75%同源性。②Bmp5，Bmp 6，Bmp 7，Bmp8屬于60A亞組；③Bmp3和Bmp3b（GDF10）構(gòu)成一個獨特的亞組；④GDF5，6，7歸為一個亞組。在BMP家族中，Bmp1不屬于TGF超家族。它的功能是編碼水解Ⅰ型前膠原分子的羧基-末端前肽。BMP家族中的許多成員都參與牙齒早期發(fā)育，調(diào)控牙齒的形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞增殖和分化以及牙齒的萌發(fā)的過程。

2.2 BMP通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

BMPs大多需要與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合才能將信號傳遞到胞內(nèi)。BMP的受體有兩種亞型：Ⅰ型和Ⅱ型，它們都屬于絲氨酸—蘇氨酸蛋白激酶（RSTK）跨膜受體。能與BMP配體結(jié)合的Ⅰ型受體包括BmpR-Ia (Alk-3)、BmpR-Ib (Alk-6)和ActR- Ia (Alk-2)[5]。Ⅱ型受體中只有BmpRⅡ能與BMP配體結(jié)合[6]。BMP的信號傳遞必須由這兩種受體共同介導(dǎo)。只有2個Ⅰ型及2個Ⅱ型受體形成異源四聚復(fù)合受體，它們才有較高的親和力[7]。在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，BMPs與這種異源四聚復(fù)合受體結(jié)合后，Ⅱ型受體將誘導(dǎo)Ⅰ型受體的GS區(qū)（甘氨酸-絲氨酸區(qū)）磷酸化。磷酸化的Ⅰ型受體進(jìn)而將細(xì)胞質(zhì)中的Smad1/5/8磷酸化，隨后，磷酸化的Smad1/5/8與Smad4結(jié)合形成復(fù)合體，轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[8,9]。此外，BMPs還可以激活MAPK，PI3和PKC等多種激酶信號通路。

BMP信號通路中除了這些正向調(diào)控因子的調(diào)節(jié)外，還受到細(xì)胞內(nèi)外多種信號分子的負(fù)向調(diào)節(jié)（圖1）：①細(xì)胞外的BMP拮抗物如Noggin、Chordin、Gremlin等因子競爭性地與BMP配體結(jié)合，使BMPs不能與膜上的BMP受體結(jié)合，繼而使信號無法傳入細(xì)胞內(nèi)[4,10,11]。②細(xì)胞內(nèi)的Smad6能選擇性地與BMP的Ⅰ型受體結(jié)合，阻斷Smad1/5/8的結(jié)合和磷酸化[12]。③Tob是一種抗增殖的蛋白，它能選擇性地與Smad1/5結(jié)合，從而抑制成骨細(xì)胞中的BMP信號[13]。④Smurf1是一種E3泛素連接酶，它能與Smad1/5相互作用來介導(dǎo)Smad蛋白的降解[14]。除此之外，Smurf1還可介導(dǎo)Runx2和BmpRI的降解[15,16]。

圖1 Bmp/Smad信號通路及其調(diào)節(jié)模式

3 BMPs在牙齒發(fā)育中的作用

研究證明，BMP信號通路在牙齒發(fā)育的各方面都起著重要作用Bmp4在牙板期表達(dá)于牙上皮，隨后逐漸轉(zhuǎn)移到牙間充質(zhì)中表達(dá)。它在牙齒早期發(fā)育過程中的牙胚位置預(yù)定和牙齒形態(tài)發(fā)生中具有關(guān)鍵作用[17,18]。Bmp2在E11-12表達(dá)于牙板上，從E13開始表達(dá)于釉結(jié)節(jié)。它還參與了調(diào)節(jié)成牙本質(zhì)細(xì)胞的分泌功能。Bmp7在牙板期表達(dá)于牙上皮，而后轉(zhuǎn)移至釉結(jié)節(jié)中表達(dá)。Bmp2，4，7的表達(dá)模式提示它們在牙齒發(fā)育過程中上皮與間充質(zhì)的相互作用中起重要作用，同時它們在表達(dá)模式及表達(dá)位置的相似性說明了這幾個基因可能存在功能冗余。Bmp3只在牙間充質(zhì)中表達(dá)，它能在可形成成牙骨質(zhì)細(xì)胞的牙囊中表達(dá)，推測Bmp3可能參與調(diào)節(jié)牙槽骨的形成。Bmp5在鐘狀后期的牙上皮中表達(dá)，它具有調(diào)節(jié)成釉細(xì)胞分化或分泌的功能。Bmp6僅在蕾狀期和帽狀期的間充質(zhì)中有微弱的表達(dá)，它在控制細(xì)胞分化的上皮與間充質(zhì)相互作用中具有重要作用[19]。

穩(wěn)態(tài)是指機體內(nèi)環(huán)境在各種因素的作用下達(dá)到一種動態(tài)平衡，這種動態(tài)平衡是相對的，不是絕對的，一旦穩(wěn)態(tài)遭破壞，就導(dǎo)致機體發(fā)育異常。現(xiàn)代生命科學(xué)的研究將穩(wěn)態(tài)的概念延伸到信號分子調(diào)控水平上。信號通路是由多種信號分子形成的復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中基因表達(dá)量的動態(tài)平衡是維持正常生理機能所必須的[20]。

BMP信號穩(wěn)態(tài)即BMP信號的活性水平通過細(xì)胞內(nèi)外多種因子的精確調(diào)控使其達(dá)到一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，一種信號分子劑量的變化可以通過其他因子劑量的相應(yīng)變化來挽救這種平衡狀態(tài)。這種穩(wěn)態(tài)的保持對維持牙齒的正常發(fā)育起重要作用，BMP信號的穩(wěn)態(tài)一旦失衡可能導(dǎo)致嚴(yán)重的牙齒發(fā)育異常。研究發(fā)現(xiàn)BmpR-Ib的缺失不會造成小鼠牙齒的缺陷[21,22]但條件性敲除牙上皮中BmpR-Ia的小鼠，磨牙的發(fā)育停滯在蕾狀期[23,24]；條件性敲除神經(jīng)嵴來源的間充質(zhì)中的BmpR-Ia的小鼠，其牙齒發(fā)育停滯在蕾狀期和帽狀早期，并有嚴(yán)重的下頜缺陷；而在間充質(zhì)中利用ca BmpR-Ib代替BmpR-Ia能部分挽救磨牙和上切牙的缺陷，但并不能挽救下頜缺陷及下切牙的缺失[25]。這一系列的研究表明BMP受體作為BMP信號傳導(dǎo)的首要環(huán)節(jié)，在牙齒發(fā)育中起重要作用。在磨牙間充質(zhì)中BmpR-Ia和BmpR-Ib具有部分功能互補，其中一者的缺失可通過另一方的互補作用挽救這種信號的失衡。敲除Bmp6或Bmp7的小鼠牙胚的發(fā)育并沒有收到顯著的影響[26]，推斷它們的表達(dá)可能協(xié)同其他BMPs發(fā)揮作用，或其他信號分子的劑量變化調(diào)節(jié)了它們的活性水平。Bmp5和Bmp7雙敲除發(fā)現(xiàn)小鼠的鰓弓發(fā)育不全[27]。對BMP拮抗物對牙齒發(fā)育的影響的研究顯示Noggin敲除小鼠的下切牙和上下磨牙發(fā)育正常，而上切牙發(fā)生融合[28]，推測不同類型牙齒對維持BMP信號穩(wěn)態(tài)的機制存在差異。Gremlin過表達(dá)抑制Bmp4介導(dǎo)DSPP分泌，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因小鼠的牙釉質(zhì)缺陷，提示BMP拮抗劑與激動劑相互作用使BMP信號達(dá)到穩(wěn)態(tài)對牙齒正常發(fā)育具有關(guān)鍵的作用[29]。

4 研究展望

口腔疾病是人類最常見的多發(fā)疾病之一，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量，對牙齒的發(fā)育與再生的研究刻不容緩。BMP信號通路對維持牙齒正常發(fā)育具有至關(guān)重要的作用。BMPs是口腔上皮中最早表達(dá)的信號分子之一，它在上皮-間充質(zhì)的相互誘導(dǎo)中起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，但目前僅對BMP通路中部分的配體與牙齒發(fā)育的關(guān)系進(jìn)行了研究，還有許多在牙齒發(fā)育過程中起重要作用的因子尚未研究。同時，BMP通路在正常牙齒發(fā)育達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)一旦破壞可能導(dǎo)致嚴(yán)重的牙齒發(fā)育異常，因此進(jìn)一步研究BMP信號穩(wěn)態(tài)對牙齒發(fā)育的影響機制是非常有必要的。目前還有幾個重要的問題有待進(jìn)一步研究：①BMP信號穩(wěn)態(tài)對不同類型牙齒的作用機制；②還有一些BMP配體在維持BMP信號穩(wěn)態(tài)的機制仍未被研究；③BMP拮抗物的負(fù)向調(diào)控在牙齒發(fā)育中所起的作用。相信隨著轉(zhuǎn)基因小鼠構(gòu)建和體外添加生長因子等實驗技術(shù)日趨成熟，BMP信號通路對牙齒發(fā)育的影響將進(jìn)一步得到解答，這些機制在小鼠實驗中的研究也將有助于人們對人類牙齒疾病的進(jìn)一步研究。

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