MAPK信号通路在牙源性细胞成牙分化中的功能研究进展

2020-7-24 09:07  来源:北京口腔医学
作者:武涛涛 高润涛 阅读量:4887

    牙齿组织生物性再生修复是解决牙体缺损,牙列缺失的前沿研究方向,诱导牙源性细胞成牙分化是实现牙齿组织生物性再生修复的重要途径之一。多种信号通路共同参与调控牙源性细胞成牙分化的过程。牙源性干细胞是一类来源于牙齿组织的间充质干细胞如牙髓干细胞(dental pulp stem cells,DPSCs)、根尖牙乳头干细胞(stem cells from apical papilla,SCAPs)、牙周膜干细(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)、牙囊干细胞(dental follicle stem cells,DFSCs)脱落乳牙干细胞(stem cells from exfoliated deciduous teeth,SHED)等。

    相较于其他组织来源的干细胞,牙源性间充质干细胞具有更强的成牙分化潜能。成牙分化是一个复杂的过程,需要多种信号通路的共同参与。目前已知的参与成牙分化的细胞信号通路包括MAPKs,BMPs,Notch,Wnt等。其中MAPK信号通路是研究热点之一。丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)是一类丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶,所有真核细胞都能表达MAPK。MAPK信号通路可以将细胞外刺激信号转导至细胞核内部,从而调控细胞增殖、分化、凋亡、炎症等多种生理过程。

    经典MAPK信号通路由保守三级激酶模式组成,包括MAPK激酶激酶(MAP kinase kinase kinase,MKKK)、MAPK激酶(MAP kinase kinase,MKK)和MAPK,这三种激酶依次激活,从而参与调节细胞的增殖、分化、凋亡、炎症等多种生理过程。有研究发现,MAPK信号通路在成牙分化,成骨分化,成脂肪分化及肿瘤细胞的分化中都起到重要作用。目前,在哺乳动物中明确的MAPK激酶,包括:细胞外信号调节激酶类(ERKs)c-Jun氨基端激酶(JNKs)、p38MAPKs、ERK5等。其中ERKs,p38MAPKs通路等在牙源性细胞成牙分化中发挥了重要作用。

    1.ERK(extracellular signal-regulated kinase)信号通路对成牙分化的调控作用

    ERK是指细胞外调节蛋白激酶,包括ERK1和ERK2,首次发现于80年代末,是最早发现的MAPK激酶。ERK信号通路遵循MAPKs的保守三级激酶模式,在ERKs的传递途径中Ras作为上游激活蛋白,Raf等作为MAPKKK,MAPK/ERK激酶(MEK)作为MAPKK,ERK即MAPK,即Ras-Raf-MEK-ERK途径。目前研究发现,ERK信号通路在细胞分化,增殖,发育中发挥重要作用。其在牙源性细胞成牙分化中的作用也逐渐被发现。

    Mei等研究证实,特定浓度的锶(Sr)可显著影响人牙髓干细胞的体外成牙分化能力并增加ERK磷酸化水平,激活MAPK/ERK信号通路。此结果表明ERK信号通路可能在锶诱导的成牙分化中起到重要的作用。Eun-Su等研究发现,表儿茶素(ECN)可以促进人牙髓细胞成牙分化,此过程中,ECN激活了ERK信号通路,阻断ERK信号通路可以显著减少DSPP的表达。表明ERK信号通路参与了ECN促进牙髓细胞成牙分化的过程。

    Young-Sun等研究发现,交联剂京尼平可以促进人牙髓细胞成牙分化,此过程中,京尼平提升了ERK的磷酸化水平,阻断ERK信号通路可以显著减少牙本质涎磷蛋白(DSPP),牙本质基质蛋白-1(DMP-1),骨粘连蛋白(ON)等成牙标志物的表达,表明ERK信号通路参与京尼平促进牙髓细胞成牙分化的过程。

    2.p38MAPK信号通路对成牙分化的调控作用

    1993年Brewster等在研究高渗环境对真菌的影响时首次发现p38MAPK。已发现的p38MAPK有5个异构体,分别为p38α(p38)、p38β1、p38β2、p38γ、p38δ。炎性因子,外界刺激等可激活介导p38MAPK通路的MAPKKK,包括MLK3,DLK,TAK等,进而逐级激活MAPKK,包括MKK3和MKK6,以及p38MAPK,从而调控细胞凋亡,分化及炎症反应等。

    Chun-Chieh等研究发现牙髓干细胞内吞噬外泌体的过程可以引起成牙分化相关基因的表达,诱导成牙本质细胞分化。同时此过程可导致磷酸化P38增多,激活P38信号通路。Yamaza等研究发现,胆红素可以抑制脱落乳牙干细胞(SHED)的成牙分化。此过程中,胆红素减少AKT,ERK1/2的磷酸化,增加NF-κBp65的磷酸化,结果表明,AKT,ERK1/2,NF-κBp65通路共同参与胆红素抑制SHED成牙分化的过程。

    He等研究发现,低浓度的INF-γ(0.5ng/ml)可以抑制牙髓干细胞(DPSC)的成牙分化,此过程中p38MAPK磷酸化水平下调。利用SB203580抑制p38MAPK的催化活性进而阻断p38MAPK信号通路后,p38MAPK磷酸化水平明显上升,同时可显著提升牙髓干细胞的成牙分化能力。此结果表明p38MAPK信号通路在调控牙髓干细胞成牙分化潜能中发挥了关键作用。

    Lew等研究发现0.4T稳态磁场可以促进牙髓干细胞形成修复性牙本质,利用p38MAPK信号通路抑制剂可以抑制0.4T稳态磁场对修复性牙本质形成的促进作用,表明此成牙分化过程中,p38MAPK信号通路起到了重要的调控作用。

    3.ERK、JNK、P38信号通路在调控成牙分化中的相互作用

    牙源性细胞成牙分化是一个复杂的生理过程,研究发现,ERK、JNK、P38MAPK信号通路可共同调控其成牙分化过程。Li等研究发现,E2(17beta-estradiol)在促进SCAPs的成牙分化过程中,JNK和p38磷酸化的表达升高,其下游转录因子包括磷酸化的Sp1,Elk1,c-Jun及c-Fos水平均升高。表明JNK及p38MAPK信号通路均参与了E2诱导SCAPs成牙分化的过程。

    Liu等研究发现,Hsa-let-7c(let-7c)可调控IGF-1诱导的牙髓干细胞成牙分化,过表达let-7c可以抑制ERK,JNK,p38信号通路,敲除let-7c可激活JNK,p38信号通路。表明JNK,P38信号通路共同参与调控了let-7c抑制IGF-1诱导的牙髓干细胞成牙分化的过程。Ma等研究发现,IGF-1/IGF-1R/hsa-let-7c轴可以调控IGF-1介导的SCAPs成牙分化。过表达hsa-let-7c的SCAPs其JNK,P38磷酸化水平显著提高。敲减hsa-let-7c的SCAPs其JNK,P38磷酸化水平显著降低。表明在IGF-1/IGF-1R/hsalet-7c轴调控IGF-1介导的SCAPs成牙分化的过程中,JNK,P38信号通路起到了重要的作用。

    Lv等研究发现Insulin-like growth factor1(IGF-1)促进牙髓干细胞成牙分化过程中,ERK1/2,p38磷酸化水平明显上调。Ngo等研究发现瘦素可以促进人牙髓干细胞成牙分化,在此过程中ERK,JNK,P38磷酸化水平升高,利用ERK,JNK,P38信号通路抑制剂可以显著抑制瘦素诱导的成牙分化。表明ERK,JNK,P38信号通路共同参与瘦素诱导牙髓干细胞成牙分化的过程。

    4.MAPK信号通路与其他信号通路在成牙分化中的交互作用

    除ERK、JNK、P38MAPK信号通路间相互作用调控成牙分化外,MAPK信号通路还可以通过与其他信号通路如BMPs、Wnt等的交互作用,共同调控细胞成牙分化。Qin等研究表明,BMP-2可以促进牙髓细胞成牙分化,同时上调JNK磷酸化水平。JNK抑制剂SP600125可以减少钙化结节的形成及下调成牙分化后期相关基因DSPP,OCNandBSP的表达。敲减JNK基因表达,同样观察到成牙分化后期相关基因的表达下调,这些结果表明JNK信号通路参与BMP-2诱导的牙髓细胞成牙分化的后期过程。

    Yang等研究发现,BMP-2可以通过激活经典的WNT/β-catenin信号通路促进人牙髓细胞成牙分化。此过程中,p38MAPK信号通路抑制剂可以部分抑制β-catenin表达的上调,利用p38MAPKs通路抑制剂SB203580及BMP通路抑制剂LDN193189相结合,可以完全阻断BMP-2诱导的成牙分化。由此推断,p38MAPK信号通路参与了BMP-2诱导的成牙分化过程及WNT/β-catenin通路的激活。

    LI等研究发现,胞外Ca2+可以促进BMP-2的表达进而激活smad1/5/8和ERK1/2通路,smad1/5/8和ERK1/2信号共同作用于下游的Runx2进而促进牙髓干细胞(DPSC)成牙分化。孔令姣等研究发现,BMP-9可以上调永生化根尖牙乳头干细胞ERK5磷酸化水平,利用ERK抑制剂BIX02189干预后,ERK5磷酸化下降。同时,BMP-9可以促进Runx2、OCN、OPN、DMP1阳性表达,促进成骨/成牙分化。而BIX02189则可以抑制成骨/成牙分化相关基因的表达,抑制成骨/成牙本质分化。此研究表明BMP-9可以通过激活ERK5信号通路促进根尖牙乳头干细胞成骨/成牙本质分化。

    BMP-9可以上调ERK5磷酸化水平,BIX02189干预后ERK5磷酸化下降;ALP染色,RT-PCR检测表达及茜素红染色均发现BMP-9可以促进Runx2、OCN、OPN、DMP1阳性表达,而BIX02189则抑制成骨/成牙本质分化。此研究表明BMP-9可以通过激活ERK5信号通路促进根尖牙乳头干细胞成骨/成牙本质分化。Li等研究发现,WNT6可以促进牙髓细胞成牙分化,此过程中,Wnt6可以上调JNK磷酸化水平,JNK抑制剂可以部分抑制WNT6促牙髓细胞成牙分化的作用。此研究表明,JNK信号通路参与了WNT6促牙髓细胞成牙分化的过程,但此过程仍有其他信号通路的参与。实现牙体组织生物性再生修复对于解决牙体缺损,牙列缺失,牙周疾病等均具有重大意义。

    牙源性干细胞由于具有较强成牙分化潜能同时又便于取材,因而广泛用于诱导干细胞成牙再生的研究中。然而,牙体组织再生是一项复杂的生物学过程,多种相互作用的信号转导通路均参与其中。现有研究已经表明MAPK信号通路在干细胞成牙分化中起到了重要作用,本文就近几年最新进展进行简要综述。

    多个MAPK信号通路及MAPK通路与其他信号通路间可以相互影响,共同作用,从而调控干细胞的成牙分化。现有研究在MAPK信号通路成牙分化的诱导因子,激活刺激物方面的研究已经取得了一定的进展,但其具体调控机制尚不明确,距离应用于临床治疗还有很远的路要走。

编辑: 陆美凤

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