转化生长因子-β超家族成员在牙本质发生发育中的作用

陈尽欢 孙建勋 陈新梅

口腔疾病研究国家重点实验室 华西口腔医院牙体牙髓病科（四川大学） 成都 610041

转化生长因子-β超家族成员在牙本质发生发育中的作用

陈尽欢 孙建勋 陈新梅

口腔疾病研究国家重点实验室 华西口腔医院牙体牙髓病科（四川大学） 成都 610041

转化生长因子（TGF）超家族是一类在细胞分化、增殖和程序性死亡中参与调控的重要生长因子，具有相似的蛋白质高级结构，其中包括TGF-β、骨形态发生蛋白（BMP）和生长分化因子（GDF）、激活蛋白（ACT）和抑制蛋白等，它们通过其相应的受体介导转导信号。牙本质是牙体组织结构中的主要支持部分，由成牙本质细胞分泌的基质矿化而成。当成牙本质细胞分泌胞外基质并矿化时，TGF-β参与基质形成和矿化的调控，调控成牙本质细胞排列；BMP参与调节多种转录因子的表达，介导牙发生发育中上皮间质的相互作用；GDF在牙发生发育时调控牙周组织形成；ACT则调节细胞增殖分化，参与免疫应答，修复损伤等。本文就TGF-β超家族成员在牙本质发育中的作用等研究进展作一综述。

转化生长因子； 牙本质； 牙发生发育

转化生长因子（transforming growth factor，TGF）超家族是一类在细胞分化、增殖和程序性死亡中参与调控的重要生长因子，具有相似的蛋白质高级结构，其中包括TGF-β、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和生长分化

因子（growth differation factor，GDF）等。在牙发生发育的不同阶段，TGF超家族生长因子与其他多种生长因子共同作用，相互影响，调节牙的发生发育。

1 牙本质形成

牙本质是牙体组织结构中的主要支持部分，由成牙本质细胞分泌的基质矿化而成[1-2]。牙本质在冠方与上皮来源的釉质相邻，在根方与牙囊来源于的牙骨质相连，中心包裹牙髓组织。在牙胚发生发育的钟状期，邻近内釉上皮凹面的牙乳头细胞与分化成熟的成釉细胞相互作用，先分化为前成牙本质细胞，而后分化为成牙本质细胞[3]。成牙本质细胞合成的1型胶原和非胶原蛋白，自牙乳头表层分泌至牙乳头基质中。牙本质涎磷蛋白（dentin sialophosphoprotein，DSPP）、骨桥蛋白（osteopontin，OPN）、骨钙蛋白和一些其他生长因子以及基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）等非胶原蛋白，在诱导细胞分化和促进牙本质矿化过程中起着重要的作用[4]。钙离子在牙乳头表层的牙本质基质中沉积，与有机成分结合形成羟磷灰石晶体并逐渐扩大融合，促使牙本质矿化[2,5]。牙本质细胞由牙尖的斜面向牙颈部分化，直至整个冠部牙本质完全形成。根部牙本质形成与冠部相似，在牙冠发生发育即将完成时，内釉和外釉上皮细胞颈环处增生形成的上皮根鞘包裹牙乳头细胞向根尖增生；外层牙乳头细胞与上皮细胞基膜接触，分化出的成牙本质细胞进而形成根部牙本质[6-7]。

音猬蛋白（sonic hedgehog，SHH）和无翅型小鼠乳房肿瘤病毒整合位点（WNT）家族信号转导通路相关蛋白以及成纤维细胞生长因子超家族成员等生长因子对上皮与间质间的相互作用进行调控。这些生长因子除了影响细胞的增殖和分化外，还在胚胎发生发育、细胞外基质形成、组织形成和重建、组织结构代谢以及肿瘤形成等方面发挥作用[8-9]。其中，TGF超家族的不同成员在牙本质发生发育的不同时段中表达不同[10]。

2 转化生长因子超家族成员

2.1 TGF超家族成员及其结构

TGF超家族成员包括TGF-β、BMP、GDF、激活蛋白（activin，ACT）和抑制蛋白以及在胚胎发生中参与性别分化的副中肾管抑制物质和抗副中肾管激素，节蛋白和肌肉生长抑制蛋白等[11]。TGF超家族蛋白具有相同的二聚体结构：其N末端有一段信号肽序列，紧邻生物活性区有4个氨基酸组成的蛋白酶加工位点，C末端包含9个保守的半胱氨酸生物活性区，两个单体通过分子间的二硫键形成二聚体[11-12]。很多不同类型的细胞都能合成TGF-β超家族成员，但血小板和大部分细胞合成的TGF-β多为无活性的潜活形式，前体形成后在需要时通过蛋白酶水解或者构象变化即被活化。BMP通常以活性形式分泌，其活性受到卵泡抑制蛋白和头蛋白以及抑制型Smad蛋白和cas相互作用锌指蛋白等多种胞外抑制剂的控制[13]。

2.2 TGF超家族成员的信号转导通路

TGF超家族生长因子通过其相应的受体介导转导信号。以TGF-β为例，经典的信号转导通路通过Smad蛋白介导，由TGF-β1型受体（TGF-β1 receptor，TGF-βR1）和2型受体（TGF-βR2）共同作用以转导信号[14-15]。TGF-β信号分子首先与TGF-βR2结合，再与TGF-βR1结合形成三元复合物异二聚体[14]。TGF-βR2的丝氨酸-苏氨酸激酶对TGF-βR1的磷酸化作用转导至受体介导型Smad蛋白（R-Smad），介导磷酸化信号转导至下游细胞膜基板，结合活化的Smad4蛋白形成复合物，转运至细胞核并通过与细胞转录激活因子或抑制因子结合，从而调节目的基因表达[16]。经典信号转导通路根据细胞生长因子与对应的1型受体结合后激发活化的R-Smad信号分子不同分为两条通路，通路一：BMP2、4~10以及GDF1、3、5~7等与其相应1型受体结合后激活的R-Smad 1、5、8通路；通路二：TGF-β，ACT，GDF8、9、11，BMP3，节蛋白，肌肉生长抑制蛋白等结合相应的1型受体后激活的R-Smad2、3通路[10,17-18]。与Smad4结合，活化为这两种途径的中心环节。非经典信号转导通路是指一些TGF-β超家族成员介导的细胞作用或功能并不依赖于经典的Smad信号转导通路。有些响应TGF-β的细胞，转录中介因子1可代替Smad4并以依赖TGF-β直接刺激的方式与Smad2、3聚合并转导信号，这一通路在红细胞的分化中发挥着重要的作用[19]。在有些情况下，TGF-β家族能激活包括细胞外信号调节蛋白激酶、C-Jun氨基端激酶、P38信号转导通路的促分裂素原活化蛋白激酶链在内的信号转导通路以及Rho-相关卷曲螺旋形成蛋白激酶-1、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B和蛋白磷酸酶等转导信号。另外，BMP2型受体也可以直接调控人单丝氨酸蛋白激酶-1[20]。

3 TGF-β超家族成员调控牙本质形成的机制

3.1 TGF-β及其在牙本质形成中的作用

TGF-β是一类细胞分泌的由两个结构相同或相近相对分子质量为1.25×104的亚单位借二硫键连接的二聚体，是结构和功能高度保守的多肽生长因子[12]。TGF-β亚家族主要包括TGF-β1～3三种同族物，其生物活性相似，氨基酸序列具有高度的同源性。TGF-β mRNA及其蛋白质在牙胚发生的不同时期，包括从蕾状期早期到根部牙本质形成，均有表达[7]。TGF-β1从蕾状期开始在口腔上皮中表达，之后进入外胚间质，最后定位于其中的成牙本质细胞层。当成牙本质细胞分泌胞外基质并开始矿化时，TGF-β1表达较强并通过自分泌和旁分泌参与基质形成和矿化的调控[5,21-22]，还可通过调控紧密连接蛋白的表达来调控成牙本质细胞排列[23]。

TGF-β1可以提高细胞的碱性磷酸酶活性，调节细胞活化，提高牙本质涎蛋白、OPN表达以及1型胶原蛋白分泌和矿化，而牙本质涎蛋白、牙本质磷蛋白等蛋白质也可以反过来维持TGF-β1的活性[22,24-25]。不同质量浓度的TGF-β1对基质形成和吸收的影响不同。Tgf-β1基因敲除小鼠可出现牙体磨耗严重，矿化不足并伴有炎症等发育异常；而Tgf-β1基因过表达的小鼠则表现为牙本质形成缺陷，矿化减少，牙本质小管分支增多，牙本质胞外基质成分在牙髓中异常沉积[26-27]。

在成牙本质细胞分化，基质分泌、矿化，根部牙本质形成过程中的间质层均可检测到Tgf-β1基因表达；外源性的TGF-β2可诱导牙本质细胞分泌牙本质基质，从而刺激牙本质形成，但Tgf-β1基因过量表达会使野生雄性小鼠牙本质弹性模量降低，而对于雌性小鼠这种影响并不明显；在Tgf-β1基因敲除的小鼠中，神经嵴细胞来源的间质TGF-β信号转导受阻，影响成牙本质细胞的终末成熟分化，成牙本质细胞1型胶原纤维和DSPP的分泌均降低，牙根发生发育不良[27-30]。

3.2 BMP在牙本质发育中的作用

BMP和GDF同为TGF-β超家族成员，其结构和功能相似，具有7个隔开的半胱氨酸残基的典型结构。唯一的例外是BMP1，其基因与果蝇tolloid基因同源，编码一种蛋白酶。这种蛋白酶的结构与其他超家族成员不同，是通过裂解BMP的拮抗蛋白和从其他BMP前体复合物中释放BMP而发挥作用的[31]。

BMP对于牙的生长发育起着重要的作用，参与调节多种转录因子的表达，介导牙发生发育中上皮间质的相互作用[32]。在钟状晚期可检测到多种BMP在成釉细胞和牙乳头细胞间转导，通过调控不同分下游信号分子影响成牙本质细胞分化及牙本质形成[33-34]。譬如，BMP4在牙本质细胞形成过程中转入成釉细胞层，BMP7在宿主胚胎第18周到出生后从内釉上皮层转入牙本质细胞层，BMP5亦从宿主胚胎18周开始在前成釉细胞层持续表达[7]。BMP主要通过调节SHH、成对样同源结构域转录因子和肌节同源型结构域家族的表达影响上皮间质的相互作用[29,34]，从而影响成牙本质细胞的终末分化。当前期牙本质细胞完成分化并分泌牙本质基质，BMP4表达明显下调[35]。

BMP4还调节上皮根鞘细胞的增殖和分化，从而影响根部牙本质的形成。轻度抑制K14-头蛋白小鼠的BMP信号转导，可导致部分牙冠和牙根发生发育缺陷，即BMP对牙体硬组织和根部形成具有重要的作用。除此之外，BMP2、4、7可诱导成熟的成牙本质细胞产生修复性牙本质。在Bmp2敲除的小鼠中，由于成骨细胞特异性转录因子、1型胶原和Dspp基因表达降低，成牙本质细胞成熟不全，无法分化为可分泌形成成熟牙本质小管形态的活性细胞，导致牙本质形成缺陷[36]。Xia等[37]发现，牙本质中的BMP2对于乳牙牙髓干细胞分化为成牙本质细胞有不可或缺的诱导作用。

GDF与BMP除了有TGF-Β超家族的共同结构外，还具有特殊的胱氨酸结构。GDF主要在骨骼、肌腱和韧带发生发育中起重要作用[31]。在牙体发生发育中，GDF的某些因子在牙胚成牙本质细胞层和小鼠牙髓中表达，但GDF对牙体发生发育的影响主要在于调控牙周组织形成，对于牙本质的形成和修复的影响则有待进一步研究[38-39]。

3.3 激活蛋白和抑制蛋白

ACT是由βA和βΒ两种基因产物组成的二聚体，包括ACTA（βA:βA），ACTB（βΒ:βΒ）和ACTAB（βA:βΒ）。抑制蛋白与ACT结构功能高度相关，其中一部分为与ACT结构一样或相近的βΒ亚单位，另一部分是抑制蛋白特异性的α亚单位，与BA亚单位的功能几乎完全相反[40]。最早发现，ACT可调节卵泡刺激蛋白的合成和分泌；后期发现，ACT还可调节细胞增殖分化，参与免疫应答，修复损伤等[41]。

ACTβA基因在牙胚阶段表达，对牙发生发育和牙列的形成有重要的作用。其相关基因突变的小鼠除上颌磨牙外余牙均缺失，而萌出的上颌磨牙未见明显异常。上颌磨牙牙胚中的ACTBA相关下游基因如远端较小的同源异形盒1~2等表达异常，提示可能在上颌磨牙发生发育中有ACTBA的补偿基因或其他通路进行调解[41]。

4 小结

TGF-β超家族信号参与调节牙胚早期形成，牙本质形成及牙根的发育，对牙发生发育具有至关重要的调控作用。其家族成员及下游信号分子对于牙本质的形成和矿化起到了十分关键的作用。调控转导链上的单一或多种因子可影响牙本质的形成。阐明其分子机制，可为牙本质发育疾病及龋损以及外伤性牙体组织损伤修复奠定重要的研究基础。

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（本文采编 王晴）

Roles of transforming growth factor-β superfamily in dentinogenesis

Chen Jinhuan, Sun Jianxun, Chen Xinmei. (State Key Laboratory of Oral Diseases, Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

This study was supported by National Natural Science Fundation of China(81300847).

Transforming growth factor（TGF）-β superfamily is a group of essential growth factors involved in the regulation of cell proliferation， differentiation， and apoptosis. TGF-β， bone morphogenetic protein（ΒMP）， growth differentiation factor(GDF), activin(ACT), inhibin and so on, share a set of similar spatial structures of proteins. Dentin, as the important supportive part of tooth structure, is formed with mineralized matrix, which secreted by odontoblasts. During dentin formation， TGF-β1 participates in the regulation of matrix formation， mineralization， and the odontoblasts arrangement; BMP involved in the adjustment of many transcription factors’ expression and mediated epithelialmesenchymal interaction in dentification; while GDF play roles in periodontal development and ACT regulates cell metabolism， inmmune response， damage repairment and so on. This article reviewed the advances on the roles of TGF-β superfamily in dentinogenesis.

transforming growth factor； dentin； dentification and development

Q 51

A

10.7518/gjkq.2016.04.022

2015-10-20；

2016-03-28

国家自然科学基金（81300847）

陈尽欢，硕士，Email：844048785@qq.com

孙建勋，副教授，博士，Email：jxsun@scu.edu.cn