转化生长因子-β 在牙齿及颅面骨发育和疾病中作用的研究进展

颅面骨发育包括膜内成骨和软骨内成骨两种方式，在遗传和其它各种因素的协同作用下，一部分颅面骨骼发育的祖细胞发生凝聚并分化为成骨细胞，参与膜内成骨；另一部分则分化为软骨细胞，进行软骨内成骨

。颅神经嵴细胞从神经管迁移到颅骨的前部，通过膜内成骨形成了颅骨、面部、下颌和上颌的前部，而中胚层来源的细胞通过软骨内成骨形成颅骨后部

。调控颅面生长的复杂分子机制导致脊椎动物头颅大小和形态的差异，颅面骨骼的发育则受到各种信号转导蛋白和生长因子相互作用的影响

。

转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）包含TGF-β1、TGF-β2 及TGF-β3 三种亚型

。作为一种分泌型活性蛋白，TGF-β 在软骨及骨形成中是必不可少的，任何影响TGF-β 信号的因素都可能导致颌骨发育异常

。此外，TGF-β 与颞下颌关节骨关节炎（temporomandibular joint os-teoarthritis，TMJ-OA）发生发展高度相关并可能成为特殊的治疗靶点

。TGF-β 信号异常也和腭突融合障碍导致的腭裂有关

。

牙的发育是上皮和间充质有序相互作用的复杂过程，包括牙胚的发生、组织的形成和牙齿萌出，牙胚由局部增生的牙板上皮及其下方的间充质组成，在牙胚发育晚期，牙本质、牙釉质等牙齿组织开始有序形成

。TGF-β 几乎参与牙发育的所有阶段

。异常的TGF-β 信号直接导致早期牙胚发育障碍

。此外，TGF-β 基因敲除会阻碍成牙本质细胞分化从而导致严重的牙本质形成缺陷

。而TGF-β 在釉质发育早期和成熟期都有着持续调控的作用

。

1 典型的TGF-β 信号

1978 年，De Larco 等分离出一种能使细胞表型发生转化的细胞因子，并命名为“肉瘤生长因子”，1982 年，Anzano 等发现这种“肉瘤生长因子”是一种特殊活性蛋白，并首次将其命名为TGF-β

。TGF-β 有着典型且保守的信号通路，其细胞信号转导在配体、受体、Smad 以及转录水平等不同层面受到精细的调控

。典型的TGF-β 受体包括胞膜上的TGF-β I 型受体（type I TGF-β receptors，TβRI）和TGF-β Ⅱ型受体（type ⅡTGF-β receptors，TβRⅡ），TGF-β 首先与TβRⅡ形成同源二聚体并发生构象调整，在招募到两个单位的TβRI 后，TβRⅡ立即磷酸化TβRI 胞膜结构域中的丝氨酸残基从而激活TβRI，TβRI 接下来继续磷酸化下游信号转导蛋白Smad2 和Smad3

。这组Smad 蛋白称为受体调节的Smads（receptor-regulated Smads，R-Smads），这些R-Smads 与 共 同 的 辅 助 型Smad 蛋 白（common Smad，Co-Smad）Smad4 形成三聚体复合物后入核调控各种基因表达，而Smad6 和Smad7 可以抑制R-Smads 的磷酸化，所以被称为抑制性Smads（inhibi-tory Smads，I-Smads）

。

2 TGF-β 信号与牙发育异常

2.1 TGF-β 信号与牙本质形成

牙本质由间充质细胞在牙发育中形成，TGF-β参与了牙发育中的上皮-间充质相互作用并在不同阶段有不同的表达模式

。早期研究发现，TGF-β1 主要通过调控成牙本质细胞的终末分化从而影响牙本质矿化

。作为典型TGF-β 信号的共激活因子，Smad4 依赖的TGF-β 信号通过调节前成釉细胞分泌copine-7 蛋白，而copine-7 通过上皮-间充质相互作用介导成牙本质细胞分化

。核因子I-C（nuclear factor I-C，NFI-C）是另一种促成牙本质细胞增殖和分化的关键蛋白，而NFI-C 胞质表达水平受TGF-β 典型信号通路的负调控

。Zhang 等

则发现TGF-β1 通过激活Smad3 信号抑制根尖牙乳头干细胞的成牙本质分化。研究表明，TGF-β1 促进了小鼠原代牙乳头细胞中成牙本质标志物上调，而在永生化小鼠牙乳头细胞系中则起相反的作用，这种差异是由与Smad2 核易位有关的输入蛋白-7 决定的

。这可能有助于解释TGF-β 对不同细胞具有不同的成牙本质分化潜能。

2.2 TGF-β 信号与牙釉质形成

新近研究证实，TGF-β 除了调节腭突融合相关基因表达外

，各种与TGF-β 信号间接作用的小分子蛋白也影响腭的发育

。TGF-β3 诱导的MEE 细胞凋亡是腭突融合所必需的

，其下游信号分子Smad2 的过表达可增MEE 细胞凋亡从而拯救TGF-β3 缺失突变导致的小鼠腭裂

。小鼠胚胎腭间充质（mouse embryonic palatal mesenchyme，MEPM）细胞对腭突发育也至关重要

。在全反式维甲酸诱导的小鼠腭裂中，Smad2 与长链非编码RNA 母体表达基因3 的直接作用抑制了Smad2 信号传导和MEPM 细胞增殖

。2，3，7，8-四氯二苯并二恶英诱导的TGF-β 启动子甲基化也影响Smad信号传导从而抑制MEPM 细胞增殖，最终导致腭裂的发生

。托吡酯则可以增加MEPM 细胞中TGF-β1 及Smad2 的表达，孕期使用托吡酯显著增加新生儿患口颌裂的风险

。

3 TGF-β 信号在颌骨、颞下颌关节发育及其相关疾病中的作用

3.1 TGF-β 配体异常与颌骨及颞下颌关节发育和疾病

在哺乳动物胚胎发育中，TβRI 和TβRⅡ对骨的形成作用非常重要，早期条件性敲除TβRⅡ基因的小鼠牙槽骨量和骨矿物质密度显著降低

。小鼠神经嵴细胞中TβRⅡ的条件性失活会导致严重的颅面骨形成缺陷，而神经嵴细胞中TβRI 的缺失会导致牙发育迟滞、早期下颌骨形态缺陷和关键形态基因表达异常

。除了在颅面骨发育和形成中的作用，TGF-β 受体异常也影响相关疾病的发生发展。在糖尿病患者中，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的成骨分化和自噬水平降低，衰老表型增加，同时还检测到了增强的TGF-β1 表达

。而在糖尿病动物模型中，抑制TβRⅡ信号传导能增强BMSCs 的成骨分化和自噬、延缓BMSCs 的衰老并促进下颌骨缺损的愈合

。

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相对河北省其他地市，承德市的水资源总量较为丰富，为34.8亿m3，但人均水资源占有量仅933 m3，属于重度缺水地区。承德市滦河流域自1999年以来持续干旱，降水量明显减少，1999—2010年流域平均年降水量442.8mm，比 1956—2010年平均年降水量减少了14.5%，地表水资源量减少了55.2%。产水量减少的趋势进一步加剧了水资源危机发生的频次和程度，表现为：农业干旱缺水，生活及工业用水挤占农业用水和生态环境用水等。从现状供需情况看，全市约有80%的地区缺水率在10%～20%，在平水年仍存在季节性缺水的现象，出现国民经济和生活用水挤占生态用水现象。

3.2 TGF-β 受体异常与颌骨及颞下颌关节发育和疾病

下颌骨生长和重塑除了在颞下颌关节髁状突处发生软骨内成骨外，主要与膜内成骨有关，而髁状突纤维软骨在细胞组成、细胞外基质成分和胚胎起源等方面与长骨关节透明软骨不同

。Ltbp主要与TGF-β 的分泌和激活有关，Ltbp1 敲除的斑马鱼会出现明显的下颌骨缺陷，并影响到颌骨软骨和周围肌肉

。而Ltbp3 的基因突变会导致上颌骨发育不全以及下颌前突畸形

。

3.3 Smad 蛋白家族异常与颌骨及颞下颌关节发育和疾病

Smad 蛋白是TGF-β 信号通路最重要的核心蛋白之一，依据结构不同主要分成R-Smads、Co-Smads 和I-Smads 3 个亚家族

。Smad 蛋白表达在髁状突软骨发育期间具有空间和时间的特异性

。外显子测序表明下颌骨发育不良、小颌与Smad3 的变异有关

。Smad3 缺失则会导致髁状突退化，表现出TMJ-OA 样表型

。而在TMJ-OA模型中，增加的miR-140-5p 可以干扰Smad3 的表达

。此外，过表达TGF-β1 可激活Smad2 通路并诱导血管内皮生长因子的分泌，这有助于颌骨的形成

。然而在电压门控氯化物通道7 基因敲除的斑马鱼中，Smad2 信号增强，最终导致颅面骨缺损和各种牙齿畸形

。

间歇性缺氧可以直接造成生长中的大鼠牙颌面发生形态学改变，其中，下调的TGF-β 和Y 染色体性别决定区-盒转录因子9 将髁状突纤维软骨细胞的增殖和成熟转向肥大分化和骨化，最终造成下颌骨及软骨的发育不良

。TMJ-OA 主要表现为细胞外基质丢失和髁状突软骨退化，TMJ-OA 髁状突软骨中TGF-β1 表达升高，而软骨下骨中过表达TGF-β1 会导致髁状突软骨退化

。然而在白细胞介素诱导的TMJ-OA 细胞中，增加的新型非编码RNA miR-140-5p 可直接靶向Smad3 从而降低TGF-β3 的表达

。一项直接注射TGF-β 的治疗性研究表明，TGF-β 对早期TMJ-OA 关节软骨具有保护性作用，而对晚期TMJ-OA 关节软骨无明显益处

。基于TGF-β 在维持软骨稳态中的重要作用，近年来，一些学者对以TGF-β 作为刺激因子的软骨组织工程进行了大量研究

。

4 TGF-β 信号与腭部发育异常和疾病

正常腭突主要由被一层薄薄的上皮细胞包绕的间充质组成，在腭突融合中，腭中线接缝处的腭突内侧边缘上皮（medial edge epithelial，MEE）细胞发生迁移、上皮-间充质转化和程序性细胞死亡，最终从接缝中消失

。腭裂通常是由于腭突融合失败引起，而腭突则由神经嵴细胞迁移分化形成

。Tak1 是Smad 非依赖性信号在腭发育中的调节因子，在神经嵴细胞中，Tak1 缺失突变影响了MAPK 通路从而导致腭裂

，此外，TβRⅡ的缺失导致TGF-β2 和受体表达水平升高，TβRI、TβRⅡ以及Tak1 的单倍剂量不足能够挽救TβRⅡ突变小鼠引起的腭裂缺陷

。

牙釉质由上皮细胞形成，正常的TGF-β 信号对于釉质形成是必不可少的

。TGF-β 前体通常与潜伏的TGF-β 结合蛋白（latent-transforming growth factor beta-binding protein，Ltbp）形成潜在复合物，Ltbp 主要与TGF-β 的分泌和激活有关

，而TGF-β激活激酶1（TGF-beta activated kinase 1，Tak1）不仅是TGF-β 的下游信号分子，还是MAPK 通路的上游激酶

。研究显示，Ltbp-3 突变小鼠的牙釉质发育不全

，而成釉细胞中Tak1 的过表达也导致了小鼠牙齿釉质发育缺陷

。此外，Smad7 敲除小鼠导致牙胚中Smad2/Smad3 信号过度激活从而严重损害牙上皮细胞增殖能力，最终导致牙齿大小显著减少

。釉质形成早期，TGF-β 通过典型途径共激活因子Smad4 调节上皮-间充质相互作用，Smad4条件性敲除小鼠中观察到了杂乱无章和发育不全的成釉细胞

。糖原合成酶激酶-3 则通过激活典型的TGF-β 信号通路间接调控成釉细胞分化

，此外，TGF-β1 还通过MARK 通路中的细胞外信号调节激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase，ERK1/2）信号激活achaete-scute 家族bHLH 转录因子5（achaete-scute family bHLH transcription factor 5，Acsl5）的转录，Acsl5 是一种有利于釉质形成的转录因子

。在釉质发育成熟期，TGF-β 以亚型特异性的方式调节成釉细胞结构相关的基因表达、矿物离子转运、细胞凋亡等

。

(3) 将橡胶粉应用于塑料工业中，不仅能充分发挥胶粉中橡胶的特性，提高塑料的抗冲击强度，赋予材料一定的弹性，而且成型工艺简单，能耗降低，技术可行，是目前橡塑共混，乃至弹性体研究的一个重要发展方向。

合成的针铁矿老化3 d后，对其进行XRD分析。老化的目的是使矿物结晶度更好，晶体结构更稳定。合成针铁矿衍射图谱中针铁矿的特征峰明显，衍射峰强度较高，与α-FeOOH图谱基本一致。针铁矿的扫描电子显微镜(SEM)分析的图像如图3所示，由图可知针铁矿沉淀物的晶体形状和粒度合成的针铁矿具有良好的结晶度和纯度。

其他累及腭部的先天性发育畸形也与TGF-β信号异常有关。Loeys-Dietz 综合征（Loeys-Dietz syndrome，LDS）是一种全身广泛受累的常染色体显性遗传结缔组织病，典型表现为主动脉瘤和动脉迂曲、眼距过宽以及悬雍垂裂或腭裂等

。TGF-β信号相关基因的突变被认为是LDS 发病最重要的遗传因素，患者TβRⅡ的突变首先被证实为LDS 的遗传病因

。在各种疾病模型中，TGF-β2、TGF-β 3、Smad2 和Smad3 基 因 突 变 均 可 造 成LDS 样 表型［16］。

5 结 语

牙齿及颅面骨发育的调控机制尚不清楚，是目前研究的热点。TGF-β 在牙、颌骨、颞下颌关节与腭发育及其相关疾病中发挥着关键作用。TGF-β 参与牙胚发育，尤其与牙釉质及牙本质的形成密切相关。近年来，许多与牙发育相关的关键信号分子被发现，而这些分子被证实与TGF-β 信号之间存在相互作用。此外，TGF-β 的缺失突变以及作用于该信号的异常因素都可能造成颌骨及颞下颌关节发育异常。异常的TGF-β 信号被认为与TMJ-OA 发生发展高度相关，然而具体作用机制还没有被完全阐明。事实上，TGF-β 信号在传统骨关节炎中的机制已经进行了大量研究，在未来，随着研究的深入，其在TMJ-OA 中的具体机制可能被阐明。TGF-β 信号在腭突发育不同阶段的异常调控都可能导致腭裂的发生。近年来，以TGF-β 作为刺激因子的软骨组织工程取得了一定成效。因此，需加强对TGF-β 信号在调控牙及颅面骨发育机制中的研究，以期为相关疾病的治疗提供新靶点。

【

】 Cai L wrote the article. Xie J, Zhou XD re-vised the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

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