核因子C(Nfic)在人类牙根和骨组织发育中调控作用研究进展

2017-8-7 15:08  来源:口腔颌面修复学杂志
作者:张凤成 李亚男 阅读量:781

    组织的发生、发育和再生在医学界一直备受关注,而以牙齿和骨为代表的机体硬组织均是器官再生和发育生物学的良好模型。对于二者的研究越来越多的集中在转化与再生过程中各种因子的相互作用和诱导上。核因子C(Nfic)是一类特异性的转录因子,在哺乳动物的成牙本质细胞中呈现高表达,该因子对成牙本质细胞的分化和牙根发育起到关键的调控作用。近年发现,该因子在成骨细胞中同样高表达,并已初步得出该基因具有促进成骨作用的结论。

    1.核因子家族成员及核因子C(Nfic)主要作用

    Nfic隶属于核因子家族,该家族自20世纪80年代被发现以来,因其作为编码位置的特异性转录因子而备受学者关注并研究,研究发现,该家族基因的表达产物是腺病毒DNA体外复制所必须的一类蛋白,核因子家族包括四个成员,分别是Nfia、Nfib、Nfic以及Nfix,四种因子在机体不同的组织细胞中表达活性并不完全一致,而发挥的作用亦不同:通过基因敲除的方式发现,Nfia突变的机体将出现脑部发育不全的迹象;Nfib突变将会导致肺部发育障碍;Nfix突变则会引起肌组织代谢受阻;而机体Nfic的缺失则无法形成正常的牙根。

    Nfic对于牙齿发育影响的研究进行的相对较晚,而对于机体骨骼发育及形成的研究更是在近些年才刚刚兴起。部分学者发现,经Nfic敲除的小鼠其牙根出现发育异常,从而推测该基因在牙根发育中起到重要的调控作用,而后续的研究表明,该基因突变的个体,其牙齿的牙冠发育正常,牙根的发育依然障碍,而另外三个基因靶器官(脑、肺等)的发育则未受影响,由此可见Nfic的作用是相对独立的,该基因的缺陷不会对其它三个成员的表达产生影响。在对机体成骨的研究中,发现Nfic基因的表达与成骨相关因子呈现高度一致性,Nfic-/-大鼠的骨组织呈现明显的异常:骨密度、骨小梁、皮质骨均出现不同程度的降低,相应地,与成骨呈负相关的机体成脂作用则增强。以上均提示Nfic基因对于机体牙根形成和骨发育均有重要的调控作用。

    2.Nfic通过Shh信号通路对牙根发育进行调控

    2.1牙齿牙根的发育

    牙根的发育主要涉及口腔上皮和口腔外胚间充质的相互联系,依赖于郝特维希上皮根鞘(Hertwig’s epithelial root sheath,HERS)的形成和成牙本质以及成牙骨质细胞的增殖分化[13]。牙齿的牙冠发育完全后,位于颈环处成釉器内的内釉上皮和外釉上皮相互结合并不断向根方迁移,形成具备两层上皮细胞结构的鞘状结构,即郝特维希上皮根鞘(hertwig’s epithelial root sheath,HERS)。Steinway等研究表明,Shh信号通路Epithelial sonic hedgehog(Shh)和转化生长因子β(TGF-β)通路在HERS的形成中起到重要的调节作用。牙源性间充质干细胞是牙根发育的母细胞,分布在HERS两侧的牙乳头和牙囊在HERS的诱导下分别分化为成牙本质细胞和成牙骨质细胞,进而分泌牙本质和牙骨质形成完整的牙根。Ptc1和Smad4信号通路在此过程中发挥着重要作用,这两条通路上的基因发生突变将会形成过短的牙根。

    2.2Nfic对牙根发育的影响

    Steele首先发现并报道Nfic-/-敲除小鼠无法形成正常的磨牙牙根,不但牙槽窝较浅甚至缺如,而且牙根间隔的骨质也未形成。Park等的研究同样发现Nfic-/-敲除小鼠的牙根极其短小并伴有粗大的根尖孔,自此,学者对于该基因在牙根的发育方面进行了深入研究。目前,对于该基因在牙根发育过程中的调控作用观点为,在(Epithelial sonic hedgehog(Shh)信号通路中,由HERS细胞作用Shh产生信号,Nfic作为Shh的下游基因得到激活来介导成牙本质细胞的增殖分化。AltabaAR和Huang等研究发现,在Shh-Ptch-Smoothened(Smo)信号通路中,Shh是一种信号蛋白,通过与其特定的受体Ptc/Smo蛋白复合物相互作用从而激活,该通路在介导哺乳动物牙根发育的过程中起主要作用。

    在哺乳动物中,Shh信号通路下游的转录因子有Glil、Gli2和Gli3,以及已明确的Nfic因子。而后者是通过Smad4-Shh-Gli1-Nfic通路完成,而Smad4是在HERS的诱导下在牙上皮表达,该分子的异常或突变并不会直接影响Nfic。Shh因子在Smad4缺失的情况下受到抑制,进而影响Nfic在牙根的表达。从细胞形态来说,相关研究发现,在正常野生型小鼠牙根的牙髓一侧排列着长且整齐的成牙本质细胞,而Nfic-/-型小鼠的成牙本质细胞形态异常,表现为圆形甚至多角形,且排列很不规则,而表达于细胞质内发挥细胞间联结作用的紧密粘连蛋白及闭锁蛋白表达下降,导致细胞之间终末网的细胞间桥复合体消失从而导致细胞间连接力松弛,这可为异常的成牙本质细胞会被自身分泌的基质包裹而形成骨样牙本质提供相关解释;而从分子表达上来讲,异常牙根的主要的观察指标是由牙本质细胞表达编码的特异性基因产物-牙本质涎连蛋白(DSPP),同样有研究证实,Nfic-/-小鼠的牙根部组织DSPP的表达量明显降低,而相反地,另外一种成骨细胞特异性的基因产物-骨涎蛋白(BSP)在Nfic-/-小鼠的牙根的成牙本质细胞中强阳性表达,这说明Nfic-/-小鼠成牙本质细胞不但不能分化为正常的牙本质,同时该细胞还具有异型性的表达。

    另外,在牙根发育过程中,转化生长因子β(TGF-β)同样起较重要的调控作用,该因子调控成牙本质细胞的分化,促进细胞外基质的合成,研究发现,Nfic因子的突变会导致该信号因子的表达异常:Nfic-/-小鼠的牙根中TGF-β1的表达强阳性,而TGF-βI型受体和该因子的转录因子Smad2/3的表达也升高,即Nfic基因的缺失会导致间充质TGF-β的过表达。而近年相关研究已证实,TGF-β信号经上皮内Smad通路来诱导上皮中Epithelial sonic hedgehog(Shh)信号的表达,同时通过外分泌路径进入牙根内间充质形成的牙乳头中诱导Nfic基因的活化表达形成正常的牙根。因而间充质内的Nfic基因可对TGF-β的表达起到负反馈的抑制作用,这种抑制作用是牙根发育所必需的。

    3.Nfic对骨发育的调控

    3.1骨生成及重建的BMP-Smads通路

    骨组织的形成和重建更为复杂,来源于胚胎中胚层的间充质经过增殖和聚集后,在众多成骨通路的介导下经膜内成骨和软骨内成骨两种形式形成最终的骨组织,在该过程中信号通路起到尤其关键的作用。在成骨相关的通路中,以BMP-Smads、Wnt/β-catenin、Notch、MAPKs等信号通路研究的最为广泛,而与Nfic基因密切相关的即为BMP-Smads这条经典通路。目前认为BMPs是骨形态发生最早期的信号分子:内源性或外源性BMPs通过结合细胞膜上特异性受体-BMP受体Ⅰ和Ⅱ(BMPR-Ⅰ、Ⅱ),再与BMPs特异作用的Smads蛋白结合进入细胞核,启动并激活成骨细胞特异性转录因子从而诱导MSCs向成骨细胞分化及骨形成。在此过程中,成骨细胞的特异性转录因子主要是Runx2和Osterix,二者依次为信号传递的先后基因,即BMP信号将其传递到Runx2进而传递到Osterix来介导成骨。

    3.2Nfic通过BMP-Smads通路介导机体成骨

    牙齿和骨在发生发育、组织结构及物理特性上都具有相似性,如组成牙根的牙骨质,除无哈佛管和血管神经外,其余构成与骨几乎相同。近些年的研究发现,Nfic因子的缺失会导致成牙本质细胞的分化以及牙本质涎连蛋白(DSPP)和骨钙素(OCN)的表达异常,其中DSPP因子与牙根密切相关,而OCN是成骨标志物。基于上述结果,部分学者推测,牙齿发育路径上Nfic因子可参与调控骨的形成与发育。Nagata等便推测Nfic对于机体成骨具有重要的调控作用,但具体的机制和作用通路并未阐明。研究发现,核因子家族的四个NFI基因在人体成骨细胞和成骨细胞样细胞系中均有表达。

    与其它NFI家族成员相比,Nfic基因的mRNA表达量在正常成骨细胞中有更高的表达优势,尤其是与BMP-Smads通路成骨相关因子表达关联紧密。李传洁等在骨质疏松大鼠模型的研究中发现,Nfic基因的表达和碱性磷酸酶(ALP)以及BMPSmads成骨通路中的特异性表达因子Runx2的表达高度一致,同时出现骨密度降低,细胞活力和成骨能力下降的现象;魏泽宁等在糖尿病大鼠模型的研究中同样得出类似结果,成骨细胞形态改变,增殖力减弱,细胞成脂作用加强,Nfic的表达与BMP2、Runx2以及Osterix的表达正相关。后者的实验似乎更加能说明Nfic基因与成骨的相关性。机体成骨的同时伴发成脂,两者的表达呈负相关。

    Lee等进行的一项研究中同样支持Nfic因子在BMP-Smads成骨通路中的作用。实验者采用基因敲除的方式对大鼠进行对照观察,结果发现大鼠的牙根形成较短甚至无法形成,同时大鼠的骨组织同样出现明显的异常,骨矿物质密度骨小梁体积、骨小梁数量均显著减少,相应地,Nfic-/-大鼠骨髓空间出现了较大脂肪细胞的积累。成骨标记物Osterix,碱性磷酸酶(ALP),骨钙素(OC)和骨涎蛋白(BSP)表达均在Nfic-/-骨髓基质干细胞显著的下降,而成骨细胞分化标记物Runx2的表达却不受Nfic中断的影响。因此在该项研究中,笔者表明Nfic因子是通过BMP信号通路发挥成骨作用,同时证明Nfic处于Runx2基因的下游、Osterix基因的上游。因而,在BMP-Smads信号通路介导的成骨细胞分化过程中,Nfic在Runx2和Osterix基因之间起到类似中介传感器的作用。已有研究发现,Shh基因在大鼠颌面部发育早期即与BMP-4以及Wint-5a因子共同作用于上皮间充质细胞从而介导上下颌面的发育。

    而近年的研究表明,Shh基因缺失的小鼠,其第一鳃弓无法发育异常进而导致无法形成上下颌骨。而近年的研究表明,Shh蛋白能促使成骨分化及骨形成,在胚胎发育阶段,Shh蛋白亦能通过上皮间充质的作用诱导骨细胞增殖。而在裸鼠肌肉内移植Shh基因转染的成纤维细胞可完成异位成骨。但该通路发挥成骨机制的具体机制以及Nfic因子的作用位点仍然未知。

    综上所述,Nfic因子在牙根的形成过程中主要作用于成牙本质细胞的增殖分化,在HERS的诱导下通过Smad4-Shh-Gli1-Nfic通路介导牙根的形成;在骨形成过程中,Nfic主要通过BMP-Smads通路发挥作用,同时该基因与Runx2、Osterix、OC等众多成骨相关因子的表达呈现高度一致性,学者提出Nfic作为Runx2的下游因子通过Osterix的表达来调控成骨细胞的分化,但目前尚未得到普遍共识,而该因子在Shh通路介导成骨的机制目前同样缺少相关依据。因而,进一步对Nfic的作用进行深入研究,将为牙齿和骨组织在修复和再生方面的基础和临床治疗提供更好的思路。

编辑: 陆美凤

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