周陶， 巫佩瑤， 楊雨青， 曹志煒， 解亮

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心 四川大學華西口腔醫(yī)院，四川 成都（610041）

1 初級纖毛的結(jié)構(gòu)和功能研究

初級纖毛是從真核細胞表面延伸出來的一種非運動型細胞器，由軸絲和一對中心粒構(gòu)成。其中，軸絲呈“9+0”雙聯(lián)微管狀排列，是纖毛內(nèi)物質(zhì)雙向運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；中心粒構(gòu)成纖毛基體部，提供纖毛微管骨架來構(gòu)建軸絲；軸絲基部和基體頂端之間為過渡區(qū)，主要調(diào)節(jié)蛋白進出纖毛。初級纖毛可以感受外環(huán)境中的機械與化學刺激，是個體發(fā)育過程中重要的信號轉(zhuǎn)導中心，介導了Hedgehog、Wnt、Notch、鈣離子等多種信號通路的信息傳遞，進而參與調(diào)控細胞增殖分化，維持組織穩(wěn)態(tài)。

2 牙發(fā)育過程中初級纖毛的分布特點

牙發(fā)育是上皮與間充質(zhì)相互誘導的過程，發(fā)育早期牙上皮增厚形成牙板，在多種信號通路調(diào)控下，經(jīng)蕾狀期、帽狀期、鐘狀期形成完整的牙齒。觀察小鼠牙發(fā)育發(fā)現(xiàn)：初級纖毛存在于牙胚發(fā)育不同階段的細胞表面。E12.5（牙板增厚）時，初級纖毛分散于牙板上皮增厚區(qū)的細胞表面以及下方的間充質(zhì)；E13.5（蕾狀期）時，主要位于牙胚基底上皮層的頂端，且與基膜方向相對，可能參與牙發(fā)育早期細胞的極化；E15.5（帽狀期）時，整個成釉器中都分散有含初級纖毛的細胞［1］。牙胚發(fā)育晚期，初級纖毛的數(shù)量和長短隨細胞分化表現(xiàn)出時空特異性。E16.5（鐘狀早期）時，內(nèi)釉上皮和外釉上皮中可見大量短纖毛，而在星網(wǎng)狀層主要集中于釉結(jié)處［2］。P0（礦化開始）時，成釉細胞出現(xiàn)初級纖毛，且數(shù)量隨牙胚發(fā)育進行性減少，在此階段，成牙本質(zhì)細胞和牙髓細胞表面可見大量粗的初級纖毛。P12 以后，成釉細胞和成牙本質(zhì)細胞的初級纖毛分別沿牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)軸向排列，前者朝向外釉上皮，后者指向牙髓，均與硬組織形成方向相反［2］。牙囊細胞表面初級纖毛隨牙發(fā)育逐漸集中在牙周膜細胞表面，呈線性排列，且更靠近牙骨質(zhì)，可能與該處承受更大咬合力有關(guān)［2］。人牙胚發(fā)育過程中初級纖毛的分布與小鼠既具相似性，但也存在著不同。12 周（帽狀期）時，大量的初級纖毛分布于成釉器的各個部位，但主要集中在內(nèi)釉上皮和牙乳頭處。14周，初級纖毛主要集中在頸環(huán)及其鄰近的牙囊和牙乳頭細胞中。21周時，成釉細胞、牙髓細胞和成牙本質(zhì)細胞中均可見長的初級纖毛，而頸環(huán)處的內(nèi)釉上皮中缺乏清晰可見的纖毛［3］。由此可見，初級纖毛在牙胚發(fā)育中存在時間和空間依賴性，這種動態(tài)改變可能與牙發(fā)育不同階段不同細胞的結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)，如成牙本質(zhì)細胞和成釉細胞表面纖毛的方向可以影響細胞的移動，規(guī)律的纖毛排布有利于細胞的定向等［2］。

3 初級纖毛調(diào)控牙發(fā)育中的相關(guān)信號通路研究

3.1 Wnt 信號通路

初級纖毛蛋白（主要是基體部）可參與調(diào)控經(jīng)典和非經(jīng)典兩種Wnt 信號通路。Wnt 與配體卷曲蛋白（frizzled，F(xiàn)Z）結(jié)合后可引起兩種途徑的激活，前者依賴于β-連環(huán)蛋白（β-catenin），經(jīng)dishevelled（Dsh）蛋白募集，糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）滅活，β-catenin 易位到細胞核，與T 細胞因子/淋巴增強因子（T-cell factor/lymphoid enhancer factor，LEF/TCF）家族成員共同誘導靶基因轉(zhuǎn)錄。初級纖毛對于Wnt 信號通路的調(diào)控作用還存在爭議，研究發(fā)現(xiàn)纖毛基底部驅(qū)動蛋白（kinesin-like protein3A，KIF3A）等缺失后可導致Wnt 信號通路的異常激活；也有研究發(fā)現(xiàn)，初級纖毛蛋白缺失造成纖毛形成障礙，卻表現(xiàn)出正常的Wnt 信號傳導［4］。在WntCre+Kif3afl/fl 小鼠牙胚間充質(zhì)中，Wnt/β-catenin 信號傳導的增強說明了初級纖毛對Wnt 信號通路的負向調(diào)控作用［5］。Kif3a 敲低的牙囊和牙髓細胞初級纖毛喪失，向成牙本質(zhì)細胞分化受到明顯抑制進一步證實了這一觀點［6］。而Kif3a 缺失對于牙發(fā)育的影響也呈現(xiàn)出區(qū)域特異性，表現(xiàn)為切牙完全喪失，而磨牙僅表現(xiàn)出牙胚增大和成釉器畸形。此外還發(fā)現(xiàn)纖毛參與調(diào)控的Hedgehog 和Wnt 信號通路可能共同介導上皮與間充質(zhì)相互作用。小鼠間充質(zhì)中Kif3a 缺陷可導致同一區(qū)域Hedgehog 信號通路喪失和Wnt 信號通路增強，并繼發(fā)地向牙上皮傳遞異常信號，引起上皮中這兩種信號通路增強，最終表現(xiàn)出切牙完全喪失，磨牙增大［5］。

3.2 Hedgehog 信號通路

Hedgehog 信號通路幾乎參與了所有組織器官的發(fā)育，并且它的信息傳遞高度依賴于初級纖毛。Hedgehog 信號通路由位于纖毛基部的跨膜受體（patched1，PTCH1），跨膜平滑蛋白（smoothened protein，SMO），融合抑制因子（suppressor of fused，SUFU）以及3 個鋅指轉(zhuǎn)錄因子（Gli1，Gli2 和Gli3）構(gòu)成，當PTCH1 與配體結(jié)合以后，解除對SMO 的抑制讓其易位到纖毛中，活化的SMO 輔助受體通過抑制SUFU 激活Gli，隨后激活的Gli 活化因子進入細胞核，啟動Hedgehog 目標基因的表達。研究表明，初級纖毛膜上的主要蛋白，包括負責物質(zhì)運輸?shù)霓D(zhuǎn)運蛋白復(fù)合體（intraflagellartransport proteins，IFT），與纖毛組裝有關(guān)的中心粒和基體部蛋白在調(diào)控細胞對Hedgehog 的響應(yīng)中具有重要作用，大部分基因突變主要通過影響這些纖毛蛋白的結(jié)構(gòu)或功能，進而增強或削弱Hedgehog 信號的傳遞，最終導致胚胎發(fā)育異常［7］。

3.2.1 Evc/Evc2 基 因 Evc 或Evc2 基 因 編 碼 的EVC 和EVC2 蛋白是共定位于纖毛基體部和纖毛膜上的跨膜蛋白，并參與Shh 信號通路的正向調(diào)控。該基因的缺失可引起埃利偉氏綜合征（ellis-van creveldsyndrome，EvC）。據(jù)臨床報道，該類患者可表現(xiàn)出圓錐形或釘型齒、牙齒缺失、釉質(zhì)發(fā)育不全、牙齒過小、牙齒延遲萌出、高齲率等［8-9］。Evc2/Limbin 參與調(diào)控切牙牙根長度，還與牙發(fā)育過程中成釉細胞礦化和細胞外基質(zhì)沉積相關(guān)［10］。

纖毛內(nèi)EVC 區(qū)中Smo-Evc2 復(fù)合體的形成是Hedgehog 信號通路轉(zhuǎn)導的分子基礎(chǔ)，并受到嚴格的空間限制。EVC2 蛋白從EVC 區(qū)消失后特異性阻斷SMO 和下游調(diào)節(jié)蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和SUFU 因子之間的信號傳導，進而抑制Gli 轉(zhuǎn)錄因子的激活［11］。除Evc/Evc2 本身的突變，Ift121 的缺失也可以導致Evc-Smo 復(fù)合體形成障礙，也說明了纖毛蛋白的調(diào)控存在交互作用［12］。

3.2.2 Ift基因 Ift基因編碼的IFT蛋白是纖毛內(nèi)運輸系統(tǒng)的重要組分，該系統(tǒng)主要由IFTA復(fù)合體和IFTB 復(fù)合體構(gòu)成，主要負責物質(zhì)在纖毛內(nèi)的雙向運輸［13］。目前已證實，Ift基因變異可引起多種發(fā)育性疾病，常見的是Ift52、Ift140、Ift121、Ift122等引起的顱骨外胚層發(fā)育不良［14］，患者可表現(xiàn)出牙齒小而寬，延遲萌出，牙間隙增大，牙融合伴釉質(zhì)發(fā)育不全，甚至牙缺失等［15-16］。Ift140 cKO小鼠表現(xiàn)出磨牙短根以及根間牙本質(zhì)變薄，可能與Ift140調(diào)節(jié)成牙本質(zhì)細胞相關(guān)基因Nfic，Osx，Dspp和Dmp1的表達有關(guān)［17］。

Ift 基因缺陷仍然主要通過破壞Shh 信號來影響牙齒發(fā)育。Ift88 變異可以導致異常纖毛的形成，Ift88orpk 小鼠在第一磨牙位置處出現(xiàn)異位的內(nèi)側(cè)磨牙并伴磨牙數(shù)量增加［18］，與間充質(zhì)中Shh 信號增強有關(guān)；Ift122 缺失會影響纖毛蛋白的正確定位，破壞其與IFT43-IFT121 和IFT139 的相互作用，導致纖毛運輸障礙［19］，阻礙了Shh 信號通路中Smo與Gli 之間的信息轉(zhuǎn)導［20］。此外還發(fā)現(xiàn)，Ift140cKO小鼠纖毛數(shù)量明顯減少，Shh 通路相關(guān)信號分子均下調(diào)，并可能通過Shh 信號通路活化間充質(zhì)干細胞中的核因子1C 型（nuclear factor 1 C-type，NFIC），調(diào)節(jié)根發(fā)育［17］。此外，敲除成熟成牙本質(zhì)細胞中的Ift140，不影響磨牙正常發(fā)育［21］，而敲除早期牙齒間充質(zhì)干細胞中的Ift140，則出現(xiàn)磨牙短根和低分化成牙本質(zhì)細胞［22］?？梢?，IFT140 蛋白在牙發(fā)育中的作用具有時間和空間依賴性。此外，Ift 的突變可影響多條通路，牙髓干細胞中敲除Ift80 后，破壞的Hedgehog 信號影響成牙本質(zhì)細胞的分化，牙髓干細胞增殖下降則與FGF2-FGFR1-PI3K-AKT信號通路的破壞密切相關(guān)［23-24］。

3.2.3 其它基因 Ofd1 基因編碼纖毛基體部和中心體上的蛋白，該基因發(fā)生突變以后會引起纖毛的喪失并影響Shh 信號通路傳導［25］，導致口-面-指綜合征，表現(xiàn)為多牙、缺牙和牙釉質(zhì)發(fā)育不全，成牙本質(zhì)細胞分化和礦化受阻，牙尖形成異常等［26］。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)，OFD1 外顯子20，21 的突變可引起纖毛異常，卻無相關(guān)的異常癥狀［27］。Bbs 基因喪失后可引起巴-比二氏綜合征（bardetbiedlsyndrome，BBS），該基因缺失后破壞IFT 蛋白導致纖毛蛋白的異常定位和物質(zhì)運輸障礙，且不同亞型的Bbs 缺陷對于胚胎發(fā)育影響各不相同［28］。目前認為，Bbs4 和Bbs6 主要參與成牙本質(zhì)細胞表面初級纖毛的形成，BBS 蛋白缺失后導致Shh 信號異常，常表現(xiàn)為牙齒排列擁擠，釉質(zhì)發(fā)育不全，短根等［29］。

4 展 望

作為重要的信號中心，初級纖毛參與了牙發(fā)育過程中Hedgehog、Wnt 等的信息傳遞，基因缺陷導致相應(yīng)的纖毛蛋白破壞，可破壞下游信息的傳遞，并且逐漸明確了不同基因在Shh 信號通路中的調(diào)控靶點。雖然部分研究已經(jīng)明確牙發(fā)育中Hedgehog、Wnt 信號通路依賴于纖毛參與細胞的增殖分化以及牙齒礦化等，但牙發(fā)育中其它重要信號通路如Notch、TGF-β 與纖毛的關(guān)系尚不明確。同時，初級纖毛在牙發(fā)育中的分布表現(xiàn)出時空特異性，而某些基因通過初級纖毛對Wnt 和Hedgehog信號通路的調(diào)控也表現(xiàn)出時空特異性，這之間的關(guān)系還需要更多的研究加以論證。