初级纤毛对牙发育的作用及相关机制的研究进展

初级纤毛对牙发育的作用及相关机制的研究进展
张晨洋;孙瑶
【摘要】初级纤毛是哺乳动物细胞表面特化的细胞突起，其内部存在大量调控细胞生命活动的信号分子，参与构成细胞内的信息传递系统。

近年来研究发现，牙组织细胞有纤毛存在，并且纤毛病患者可同时伴有牙齿发育异常表现。

说明细胞纤毛可能参与牙发育过程。

本文旨在将近年来国内外有关初级纤毛在牙齿发育中的功能及作用机制研究进展作一综述，阐示细胞纤毛中信号分子的功能及作用通路，拓展对牙发育机制的了解。

%The primary cilium is a specialized cellular process of mammalian cells. With a large amount of cell signal molecules in it, the primary cilium forms a large information system in cells. Recently, primary cilium has been found in tooth forming cells, and it is reported that dysfunction of cilium can cause dysplasia of teeth,which suggests primary cilium is involved in tooth development. In order to demonstrate the function and signaling pathways of the cilium in tooth development, research on the mechanism and function of pri⁃mary cilium will be reviewed. It may broaden our understanding of the molecular mechanisms underlying tooth development.
【期刊名称】《口腔医学》
【年(卷),期】2016(036)010
【总页数】4页(P950-952,956)
【关键词】初级纤毛;牙齿发育;Hh信号通路;Wnt信号通路
【作者】张晨洋;孙瑶
【作者单位】同济大学附属口腔医院口腔种植科，上海 200072; 上海牙组织修复
与再生工程技术研究中心，上海 200072;同济大学附属口腔医院口腔种植科，上
海 200072; 上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，上海 200072
【正文语种】中文
【中图分类】R78
纤毛是哺乳动物细胞表面特化的细胞突起。

近年来随着细胞生物学研究的发展，人们对细胞感受外界环境的方式和机制有了不断深入的了解，研究者们逐渐发现纤毛对组织发生发育具有重要调控作用。

1.1 初级纤毛的结构和功能
除个别种类细胞(如淋巴细胞[1])中是否存在纤毛尚无定论外，纤毛几乎存在于哺乳动物所有细胞中[2]。

它主要由三部分构成：①延续于细胞膜特化的纤毛膜；②由
中心体和转换纤维组成的纤毛基底部；③延续于一个中心粒的微管束构成的纤毛轴丝。

根据纤毛是否有中央丝和动力臂等运动部件，可以将纤毛分为运动型纤毛和感受型纤毛，感受型纤毛又称为初级纤毛(Primary cilium)。

初级纤毛内存在大量调
控细胞生命活动的信号分子，构成了细胞内庞大的信息传递系统。

也是细胞接收微环境信息的“天线”[2]。

它可以帮助胞体感受机械力，生物化学信号以及光学信
号等，并进一步释放纤毛内相应信号分子进入胞体，调控细胞内生命活动[3]。

早在二十世纪七八十年代，研究者们就陆续发现了牙周膜细胞、分泌型成釉细胞和牙本质细胞都是有纤毛细胞。

近年来，Magloire等[4]的研究也证实了成牙本质细胞有纤毛结构。

Thivichon-Prince等[5]在人牙齿发育阶段的牙乳头细胞中检测到
了纤毛结构，并发现机械敏感型N型Ca2+ 通道聚集在成牙本质细胞纤毛基底部，
同时一些神经样结构也在纤毛基底部区域被发现，提示在牙齿发育过程中细胞纤毛对牙髓牙本质复合体的功能具有重要的调控作用。

1.2 初级纤毛内信号转运模式
纤毛轴丝的微管束形成信号传递所需的轨道，轨道上依次连接动力马达蛋白和纤毛转运蛋白(intraflagellar transport proteins，IFTs)复合体[6]。

货物蛋白或包装小泡与运载复合体结合借助马达蛋白的动力在微管轨道上往返运输，以完成细胞内信号递送。

纤毛内运输是具有严格方向性的，由纤毛基底部向纤毛顶端的运输被规定为正向运输[6]；由纤毛顶端向基底部的运输为逆向运输。

方向性由不同的马达蛋
白连接不同的转运复合体(复合体A、B)来实现[6]。

纤毛转运复合体A，目前已发
现由不少于6种IFTs(IFT144、IFT140、IFT139、IFT122、IFT121、IFT43)组成，复合体A与Dynein马达蛋白结合，负责逆向信号运输[6]。

纤毛转运复合体B，
由不少于14种IFTs(IFT172、IFT80、IFT88等)组成，该复合体与Kinesin驱动蛋白结合，负责正向运输信号分子[6]。

纤毛组成蛋白的基因发生突变，可能使纤毛
的组聚、解聚或信号运输过程受到不同程度的影响，从而引发纤毛病(Ciliopathies)[7]。

2.1 纤毛病
由于初级纤毛在绝大多数组织细胞中广泛存在，其功能异常引发的纤毛病多为以全身多组织器官发育异常为临床表现的综合征，属于人类遗传性疾病范畴[7]。

据统
计现在发现并命名的纤毛病有十余种。

纤毛结构复杂其中蛋白种类繁多，故纤毛病的成因也相对复杂。

如梅克尔综合征(Meckel syndrome,MKS)，由连接纤毛转运复合物A和B的(Bardet-Biedl syndrome,BBS)蛋白异常引发，呈现严重的胎儿
发育障碍、枕骨脑膨出、囊性肾脏发育不良、肝纤维性变等。

热恩窒息性胸腔发育异常综合征(jeune asphyxiating thoracic dystrophy syndrome,JATD)，患者有肾和眼发育缺陷，全身软骨和骨组织发育异常，四肢粗短，胸廓狭小而常形成失氧
症，严重者危及生命[7]。

而口-面-指综合征1型(oral-facial-digital syndrome type I,OFD 1)主要表现为口腔颌面部的发育异常[8]。

尽管不同基因突变引发的病
情严重程度差异较大，但骨骼发育的异常在多种纤毛病中普遍存在的，而且表现相似，主要为身材矮小，四肢短粗，肋骨短小致胸腔狭窄，关节形态异常等。

2.2 纤毛病的牙齿发育异常表现
据统计大于1/3的发育异常伴有颅颌面部发育异常[9]。

Khonsari等[10]认为它们中一部分病例属于纤毛病范畴，其病因与初级纤毛的功能异常相关。

一些纤毛病的临床表现中常常包括牙齿形成缺陷。

如纤毛基底部的结构蛋白Ellis-van
Creveld(EVC)基因突变患者口腔表现有牙齿形态和数目异常,包括牙釉质发育不良、锥形牙、小牙畸形、少牙等[11]。

定位于中心体与纤毛组建相关的OFD1蛋白基
因突变病例中，约50%患者临床表现有牙齿发育异常，包括形态异常、萌出位置
异常，并伴有唇、腭、舌裂以及唇颊系带异常[12]。

与人类纤毛病相一致，Evc和Ofd1基因敲除小鼠也表现出严重的牙齿形态发育异常[13-14]。

3.1 初级纤毛Hh信号通路与牙齿发育
Hh信号是组织器官发育的重要信号通路，哺乳动物同源基因包括SonicHedgehog(Shh)、Indian Hedgehog(Ihh)和Desert Hedgehog(Dhh)三
种[15]。

Hh信号通路是目前纤毛相关信号通路中研究最为深入的[15-16]。

Hh信号通路的核心组件包括Hh受体Ptch1(Protein patched homolog 1)、
SMO(Smoothened)蛋白和定位于纤毛内的Gli转录因子复合体[15]。

Ptch1作为Hh信号受体定位在纤毛基底部纤毛膜与细胞膜转折处。

Hh与受体结合后Ptch1
移出纤毛膜区域[15]，然后SMO的移入纤毛区，使原本存在纤毛顶端的受抑制因子Sufu控制的转录因子Gli激活，通过纤毛逆向运输，激活态转录因子Gli向细
胞内运输，移出纤毛区进入细胞核，启动下游发育相关基因的转录[15-17]。

纤毛
转运蛋白(IFTs)突变后该通路被阻断，信号不能成功运输，也不能激活处于抑制态
的Gli转录因子，从而影响正常组织发育过程[7]。

Hh信号也是牙齿发育过程中的重要信号通路，其对牙齿中干细胞干性的维持，发育过程中牙齿的数量和形态，牙根的形成等都有至关重要的影响。

Li等[18]应用模式动物研究Hh信号与牙干细胞干性的关联性。

他们发现牙根形成是受Bmp通路和Shh通路共同调控的，即磨牙成釉器上皮细胞中存在Bmp-Smad4-Shh-Gli1
的信号通路，这些分子共同形成颈环处上皮干细胞的细胞龛，维持干细胞中Sox2的表达，后者的存在抑制颈环处上皮根鞘的凋亡，影响牙根形成。

因此，上皮中特异性敲除Bmp或Smad4都会产生相似病损，表现为由于上皮根鞘持续存在导致
的磨牙牙根发育受阻[18]。

而在此基础上抑制Shh信号可以挽救牙根不形成的表
型[18]。

他们的另一项研究中还发现牙根方感受性神经纤维分泌的Shh信号，可
以维持局部微环境中间充质干细胞持续表达Gli1，这些Gli1阳性的细胞是主要的
成牙间充质干细胞，是维持切牙牙齿持续萌出和磨牙牙根形成的必要条件[19]。

Cobourne等[20]发现Shh信号的异常可以导致牙发育早期小鼠牙蕾的数目异常。

而在基因水平上干扰纤毛相关信号分子表达，则可引起Shh信号通路发生变化，
引发牙齿形态发育异常。

纤毛转运蛋白Ift88突变小鼠中发现Shh下调，小鼠第一磨牙近中产生类似前磨牙的多生牙[21]。

而Shh信号抑制因子Gas1突变后也出现同样的多生牙表现[21]。

在另一项研究中，纤毛组成的重要蛋白EVC基因敲除小
鼠的牙齿发育异常，表现为小鼠切牙变短，尖端呈球型，下颌磨牙的大小、形态异常，上颌第一、第二磨牙发生融合，并且磨牙牙根形态均异常[22]。

Evc敲除小鼠磨牙钟状早期、钟状期、帽状期以及出生后成釉器和牙乳头的Shh信号定位均发
生改变，并且成釉器上皮细胞增殖能力减弱，细胞分布无序[22]。

因此，在正常牙齿发育过程中，成釉器和牙乳头细胞的纤毛可能通过接收发育信号Shh等，进一
步调节细胞增殖和分化[22]。

3.2 初级纤毛中Wnt信号通路与牙齿发育
Wnt信号通路也是牙组织发育的重要信号通路[23-24]。

多种Wnt家族成员在小
鼠牙齿发育阶段均有表达，且其异构体在牙胚发育中具有空间表达特异性[25] 。

Wnt信号通路在牙胚发育的启动期、蕾状期、帽状期、钟状期、分泌期及出生后
牙齿发育等各个阶段均发挥了重要作用[26]。

多项动物实验和细胞实验研究结果表明纤毛对经典的Wnt/β-catenin通路具有负向调控作用[27-28],纤毛的异常往往
会激活经典Wnt/β-catenin 通路。

研究发现初级纤毛将β-catenin锁定于纤毛基底部，限制其进核，从而抑制Wnt/β-catenin通路[29]。

2014年Liu等[9]利用Wnt1-Cre+/Kif3afl/fl条件性敲除鼠来研究Shh和Wnt信号对小鼠牙胚发育的影响。

结果发现小鼠间充质干细胞中敲除纤毛动力马达Kif3a后，细胞不能形成纤毛结构，小鼠牙胚间充质中Shh信号明显减弱，而Wnt信号却相应增强。

条件性敲除Kif3a后小鼠磨牙成釉器、牙乳头形态均明显异常，导致牙齿形态异常。

Nakatomi等[22]发现Evc敲除小鼠成釉器钟状早期Wnt信号的定位相对于釉结
向颊侧偏移。

与此同时，Wnt的下游效应基因Lef1的定位也在上皮和间充质中向颊侧扩散，导致Evc敲除小鼠磨牙形态发育异常，提示牙齿发育受纤毛结构和功
能影响并受Shh和Wnt两通路的共同调节的[9,22]。

初级纤毛是细胞感受微环境的重要途径，它可以感受机械力，也可以接收细胞外多种生物学信号，并启动细胞内相应一系列生命活动，构成细胞内外信息传递的桥梁。

研究发现，牙体组织细胞上有初级纤毛结构，并且部分初级纤毛功能异常患者具有牙齿形态、数量发育异常表现。

相关机制研究表明，初级纤毛通过调控牙齿发育的重要信号通路参与牙齿发育过程。

未来，随着初级纤毛信号通路研究的不断深入，其与牙齿发育的相关性将得到更加全面的阐示，人们对牙齿发育过程的认识也将更加清晰和具体。

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