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1、Notch信号与牙胚发育和牙齿损伤作者：修复马,亮综述,王胜朝,张亚庆审校单位：第四军医大学口腔医院牙体牙髓病科 陕西 西安 710032 【摘要】 Notch信号通路在进化上高度保守，它可以通过局部细胞间相互作用传导信号，调控细胞的增殖、分化、凋亡等多种生命过程，最终决定多细胞动物发育过程中多种细胞的命运。本文就Notch信号途径在牙胚发育以及牙髓、牙周损伤修复方面的作用作一综述。 【关键词】 Notch信号； 牙胚发育； 损伤修复Progress on effects of Notch signal pathway in tooth germ development and dental
2、repair after injury MA Liang, WANG Sheng-chao, ZHANG Ya-qing. （Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, School of Stoma-tology, The Fourth Military Medical University, Xi′an 710032, China） Abstract Notch signaling is a highly conserved mechanism throughout evolution. It controls cell p
3、roliferation, differentiation, apoptosis through interaction of cells, then determines the cell fate during multicellular development. In this review, the roles of Notch signaling involved in the tooth development and dental repair after injury were discussed. Key words Notch signaling； tooth develo
4、pment； dental repair 在牙胚发生发育过程中，众多信号分子和调控因子构成复杂的网络调控系统，这些信号通路相互作用共同诱导特定细胞的增殖、分化和凋亡，从而导致牙齿的发生。牙齿的发生发育受到上皮层与间充质相互作用的调控，其中存在许多信号传导通路的调控。各种信号分子如成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）和骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等都在牙齿发生，形态形成以及细胞分化中扮演了重要角色1。而Notch信号通路是近几年关于牙胚发育生物学基因调控研究的热点。 1 Notch信号通路对牙胚发育和牙齿
5、形态发生的影响 Notch信号通路在正常的牙齿发生过程中十分重要。牙齿是上皮层与间充质相互作用而形成的器官，二者相互作用使牙胚发育成具有多种细胞类型的复杂结构，其中包括上皮来源的成釉细胞和间充质来源的成牙本质细胞，它们合成并且分泌牙体硬组织的有机成分（前者形成牙釉质， 后者形成牙本质）。在牙齿发育中，在相邻上皮与间充质细胞中可分别见到Delta与Notch分子的互补表达，且这种现象与成釉细胞和成牙本质细胞的分化有关。结果表明，牙齿发育中细胞的多样性是以Notch信号所介导的旁侧分化为基础的2。 1.1 Notch受体与牙胚发育 与牙齿发育相关的Notch受体主要有Notch1、2、3，且以前两
6、者更重要。从蕾状期到帽状期（在胚胎第13.5天）位于牙胚顶端的蕾状期牙胚细胞停止分裂并形成一个上皮来源的信号中心，即釉结。釉结可在帽状期（E14即胚胎第14天）分泌生长因子和其他各种信号分子，且研究证实了釉结在调控牙齿形态发生中的核心作用。在牙胚发育早期，Notch1、2均表达于牙胚上皮来源的星网状细胞层中，但在周边基底上皮细胞层中不表达。在胚胎14 d，Notch1在所有星网状细胞中和整个釉结区都有表达，然而，Notch2仅在半数的星网状细胞中表达，且在釉结和颈环结构中表达微弱或不表达。牙胚发育阶段的一个重要特点是，Notch1、2在牙胚间充质细胞不表达3。而Harada等4认为，Notch
7、1也可表达于中间层细胞，Notch2则高表达于星网状细胞和外釉上皮细胞。最近的一项研究表明，Notch1可在来自成人牙髓组织的SP（side population）细胞中表达，但是当SP细胞传代培养后，Notch1无法用反转录聚合酶链反应（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR）检测出来。其原因可能是它只在未分化的人牙髓细胞中一过性表达5。Mucchielli等6报道，在E13.5的小鼠切牙中，Notch2表达于切牙牙蕾上皮的唇侧和切牙沟的舌侧，Notch2的mRNA表达于上颌切牙牙胚上皮的前部，而在磨牙中则呈对称表达。接着
8、，他们对Notch2在人乳牙牙胚发育中的时空表达作了进一步说明：1）在妊娠第6周，上皮牙蕾开始形成，此时Notch2表达于不与间充质相接触的牙胚上皮细胞，而不表达于牙蕾周围的间充质细胞；2）在帽状早期，牙胚上皮形成成釉器，间充质细胞形成牙乳头和牙囊。在此期，Notch2强烈表达于牙乳头和牙囊间充质细胞中；而在成釉器中，不与间充质细胞接触的上皮细胞不表达Notch2，其他的上皮细胞则有适度的表达；3）在帽状晚期，成釉器分化为内釉上皮、外釉上皮、星网状细胞和中间层细胞，Notch2表达于星网状细胞和中间层细胞，而在内外釉上皮层表达微弱；4）在钟状期，靠近牙胚上皮的牙髓细胞分化为成牙本质细胞并开始分
9、泌牙本质基质，内釉上皮细胞分化为成釉细胞并开始分泌釉基质。此时，Notch2可以表达于成釉细胞、星网状细胞和中间层细胞，而在牙乳头中，Notch2不表达于成牙本质细胞。同时，Notch2在前成牙本质细胞层到成熟成牙本质细胞中呈梯度表达。研究还表明，虽然人与啮齿类动物牙齿发育中Notch2表达模式有相似之处，但在发育中的人牙胚上皮中，Notch2的表达模式与前期在啮齿类动物牙齿中的表达模式不同。Notch2在人乳牙的前成釉细胞和成釉细胞中表达，而在啮齿类动物牙齿中的这些细胞中未见表达7。 1.2 Notch配体与牙胚发育 在Notch配体中，与牙齿发育有关的主要有Jagged1、2和Delta1
10、。Mustonen等3研究表明，牙胚在从蕾状期到帽状期过程中（E13E14），Jagged1呈现高表达且表现出自身的发育调控模式，而Jagged2的表达较为微弱并且局限在上皮组织中。 Jagged2转录产物在胚胎11 d时就已经在口腔上皮中出现，而Delta1在牙齿发育的这些阶段没有表达。Jagged1在星网状细胞中表达，其表型结构域与Notch受体重叠，且Jagged1在联系牙胚与口腔上皮的牙板细胞中呈现特异性高强度表达，在蕾状晚期（E13.5），它还一过性地表达于发育中的釉结。和Notch1、2一样，Jagged1同样不表达于基底层细胞。和notch基因不同的是，Jagged1可密集地表达
11、于牙胚间充质细胞中。在蕾状早期（E13），Jagged1在牙胚间充质中广泛表达；在蕾状晚期（E13.5），它在最接近上皮牙蕾的间充质细胞中表达下调。另外，Harada等4报道，在小鼠和大鼠切牙的牙胚上皮细胞分化中，Jagged1可高表达于内釉上皮层和成釉细胞层。他们还发现，在成年啮齿类动物切牙根尖区的牙胚上皮中具有一个特殊结构，称为“根尖牙蕾”，从根尖牙蕾中成功培育出永生化牙胚上皮前体细胞系HAT-7。该细胞系可分化为不同的牙胚细胞。研究表明，在低密度细胞培养时，HAT-7细胞可同时低表达Notch1和Jagged1；当把细胞进行汇片融合后，分别表达这二者的细胞群出现分
12、离，一群细胞高表达Notch1，而另一群则高表达Jagged1。另外还发现，重组Jagged1蛋白可以提高中间层细胞在HAT-7细胞系中的出现率，而这种效应可被Jagged1的抗体抵消。最近的研究表明，过表达Jagged1还可激活在出生后人牙髓干细胞（dental pulp stem cell，DPSC）中的Notch信号通路。体外培养时，Jagged1可抑制DPSC向成牙本质细胞分化，表达Jagged1的DPSC不能在活体内形成矿化组织8。Mitsiadis等9报道，Jagged2也可在牙胚发育各个阶段表达。另外，Jagged2基因突变可对小鼠造成许多不良影响。首先，在Jagged2纯合突变
13、鼠中，其上颌与下颌架相互融合，造成小鼠呼吸困难并使新生小鼠出现围生期死亡。其次，发育中的牙齿受到上颌与下颌架相互融合的影响，常表现为异常的牙尖和颈环结构。在Jagged2纯合突变的牙胚中，颈环变得较大且向下方的间充质突出，增生明显。这都表明，Jagged2所介导的Notch信号对于正常的牙齿发育有重要的作用。 1.3 Notch信号靶分子与牙胚发育 Mustonen等3报道，HES5基因在蕾状期和帽状期的牙胚上皮和间充质中均无表达，而HES1基因却表现为强烈表达，且大部分与Notch1、2共同表达于上皮细胞中。另外，在口腔上皮细胞和星网状细胞中HES1基因表达强烈，而在牙蕾基底层细胞中大部分呈
14、阴性。在蕾状期和帽状期的釉结基本不表达HES1基因。在不表达Notch的间充质细胞当中，HES1和Jagged1却均有表达。 HES1基因在蕾状早期、晚期以及帽状期中均高表达于凝聚的间充质中。最后，它限制性地表达于外周间充质中，而后者是形成牙囊组织的来源。研究证实，当牙胚间充质单独培养和与牙胚上皮共培养时，HES1基因可表达于部分间充质细胞中。这说明，HES1基因在上皮细胞中的表达需要来源于间充质的信号诱导。Harada等4研究发现，HES1的mRNA也可表达于中间层细胞。 2 牙胚发育中调节因子对Notch信号的调控 2.1 Lunatic fringe基因、成纤维细胞生长因子和骨形态发生蛋
15、白的共调节体系Notch信号通路作为胚胎发育过程中重要的信号途径，其相关分子的表达、运输和降解受到诸多因素的调节10。其中与牙齿发育相关的主要是fringe基因，已知的3种fringe基因是Manic fringe、Radical fringe和Lunatic fringe，而只有Lunatic fringe基因在牙胚发育中起调控作用3。fringe所编码的氨基酸序列是Lex-1细菌家族糖基转移酶蛋白序列微弱的但很重要的同源序列，并且发现了fringe基因可影响Notch蛋白的糖基化。有研究表明，fringe基因可在高尔基体中选择性地使Notch受体胞外段EGF重复序列发生糖基化从而影响Not
16、ch受体与其配体的相互作用11-13。据Pouyet等14报道，Lunatic fringe基因在小鼠牙胚发育中的磨牙胚上皮和间充质均有表达，且Lunatic fringe基因在牙胚上皮中的表达与Notch受体表达表现出一种互补关系。当切牙上皮发生前后旋转时，Lunatic fringe基因在上皮中的表达呈不对称分布，且主要表达于切牙舌侧。而Mustonen等3则认为，Lunatic fringe基因只在牙胚上皮细胞表达，在口腔上皮和所有间充质组织均未见表达。他们还发现，在牙齿发育起始阶段的牙胚上皮未表达Lunatic fringe基因，并且在E13的牙蕾中其转录产物仍呈阴性表达。Lunatic fringe基因首次表达于蕾状晚期（E13.5）牙蕾舌侧的上皮细胞中。有趣的是，表达Lunatic fringe基因的细胞在发育中的釉结两侧出现。这在帽状期表现得更明显，此时Lunatic fringe基因在釉结颊侧表达并继而
