[關(guān)鍵詞] 同源盒基因； 先天缺牙； 非綜合征性先天缺牙； 牙齒發(fā)育； 基因突變； 牙組織再生工程； 配對盒基因9； 肌節(jié)同源異型盒基因1

[中圖分類號] R781.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [doi] 10.7518/gjkq.2024046

先天缺牙（congenitally missing teeth，CMT）是兒童牙病中常見的牙齒數(shù)目發(fā)育異常，根據(jù)缺失牙數(shù)目可分為個(gè)別牙先天缺失、多數(shù)牙先天缺失以及先天無牙癥。缺牙1～5顆（不包括第三磨牙） 的患病率為3%～10%，而缺牙6顆或6顆以上（不包括第三磨牙） 的發(fā)病率為0.1%～0.5%[1]。恒牙列中所有牙齒都有先天缺失的可能，除第三磨牙外，最常缺失的牙齒是上頜側(cè)切牙，其次是下頜中切牙及上頜第二前磨牙[2]。先天缺牙的病因尚未明確，遺傳、環(huán)境、物理、化學(xué)、生物因素均會(huì)影響牙齒發(fā)育，而遺傳因素被認(rèn)為是影響牙齒先天缺失的主要因素[3]。

人類牙列的發(fā)生和發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的上皮與間充質(zhì)相互作用的過程，并且受到多基因調(diào)控的生理過程[4]。這些基因中的一個(gè)或幾個(gè)發(fā)生突變，都將可能導(dǎo)致先天缺牙的發(fā)生。同源盒（homeobox，HOX） 基因是研究中最常見的與牙齒發(fā)育相關(guān)的基因，它們在遷移的神經(jīng)嵴細(xì)胞中高表達(dá)[5]。PAX、MSX、DLX、LHX、BARX、PITX是參與牙齒發(fā)育的HOX基因的關(guān)鍵成員。目前，HOX基因在先天缺牙中扮演的角色以及其在牙組織再生工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景正成為研究者們的關(guān)注熱點(diǎn)。本文概述HOX基因家族的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能，對與先天缺牙相關(guān)HOX基因的表達(dá)模式、分子機(jī)制以及臨床應(yīng)用前景展開綜述。

1 HOX 基因家族概述

19世紀(jì)，在果腹果蠅中發(fā)現(xiàn)了同源異型基因，同源異型基因早期被歸類為“選擇基因”，其作用是控制細(xì)胞生長和分化，20世紀(jì)80年代，McGinnis等[6]在其他種類果蠅中發(fā)現(xiàn)了“同源盒”序列，隨后，小鼠、脊椎動(dòng)物、植物中均發(fā)現(xiàn)了HOX基因，其含有一個(gè)共同的180 bp的序列，稱為同源盒，術(shù)語“box”指的是交叉同源性僅限于一個(gè)短而高度保守的DNA片段[7]。其中編碼60個(gè)氨基酸的蛋白結(jié)構(gòu)域稱為同源結(jié)構(gòu)域（homeodomain，HD），具有HD的轉(zhuǎn)錄因子與一系列靶基因的啟動(dòng)子在此區(qū)域結(jié)合，從而調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)[8]。

HOX的基因結(jié)構(gòu)、表達(dá)和生物學(xué)功能之間存在著一定關(guān)聯(lián)性。HOX基因具有一個(gè)顯著的特征——空間共線性：基因在染色體上的順序與它們在胚胎上的表達(dá)域順序一致[9]。每個(gè)家族中這些基因的順序之間存在相關(guān)性，它們的一系列表達(dá)模式發(fā)生在胚胎前后軸上，因此，脊椎動(dòng)物中HOX基因家族與胚胎發(fā)育密不可分。

HOX基因幾乎存在于所有真核生物中，目前，在人類中找到了大約200多種HOX基因，在人類基因組中識別出了11類HOX基因：ANTP、PRD、LIM、POU、HNF、SINE、TALE、CUT、PROS、ZF和CERS[10]。來自不同家族的HOX基因之間可以相互配合，對動(dòng)物頭面部發(fā)育、上下頜骨形成起著至關(guān)重要的作用，而且某些HOX基因的突變?nèi)笔踔量赡苡绊懷例X的胚胎發(fā)育，造成牙齒的先天缺失。

2 調(diào)控先天缺牙的HOX基因

2.1 配對盒基因（paired box，PAX） 9

PAX9是配對PAX家族成員之一，位于14q12～13，基因長度為1 630 bp，由4個(gè)外顯子構(gòu)成，包含1個(gè)N-末端DNA結(jié)合配對結(jié)構(gòu)域、1個(gè)八肽和1個(gè)C-末端轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，配對結(jié)構(gòu)域具有2個(gè)不同的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋基序，它們與靶基因的特定DNA序列相互作用，該結(jié)構(gòu)域在牙發(fā)生的所有階段的牙間充質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用[11]。PAX9在咽囊、四肢和顱面間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，在小鼠胚胎發(fā)育過程中對胸腺、甲狀旁腺、四肢、腭和牙齒的發(fā)育至關(guān)重要[12]。在牙齒發(fā)育的蕾狀期、帽狀期和鐘狀期階段，PAX9一直維持著較高水平的表達(dá)，動(dòng)物模型研究已經(jīng)證明PAX9-缺陷型基因敲除小鼠，牙齒發(fā)育停留在蕾狀期，最終導(dǎo)致磨牙缺失[13]。

2.2 肌節(jié)同源盒基因（muscle segment homeoboxgene，MSX） 1

MSX1是MSX家族成員之一，位于4p16.1，跨度約4.05 kb，長度為1 713 bp，由兩個(gè)外顯子組成，其中第二個(gè)外顯子編碼高度保守的同源結(jié)構(gòu)域，同源結(jié)構(gòu)域由延伸的N-末端臂和3個(gè)α-螺旋組成，螺旋Ⅰ和Ⅱ中的殘基被認(rèn)為在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和結(jié)合活性中起重要作用，而螺旋Ⅲ中的殘基與N-末端臂中的殘基結(jié)合對于DNA結(jié)合特異性至關(guān)重要[14]。HD在蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、DNA結(jié)合以及與TATA-結(jié)合蛋白（TATA-binding protein，TBP） 和Dlx家族的相互作用中起重要作用。純合子MSX1缺陷的小鼠導(dǎo)致唇腭裂的發(fā)生、切牙發(fā)育不全以及磨牙發(fā)育停滯在蕾狀期[15]。MSX1引起牙缺失多數(shù)是由于單倍計(jì)量不足導(dǎo)致的常染色體顯性遺傳，也有MSX1常染色體隱性遺傳突變的報(bào)道[16]。此外，MSX1突變會(huì)導(dǎo)致孤立的卵裂和Witkop綜合征。Witkop綜合征是由于MSX1外顯子2核酸605的雜合位點(diǎn)出現(xiàn)了C-A的無義突變，導(dǎo)致指甲發(fā)育不全和牙齒數(shù)量異常，后者往往直到恒牙萌出時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，其中最常缺失的牙位是下頜切牙、下頜第二磨牙和上頜尖牙[17]。

2.3 垂體同源盒（pituitary homeobox，PITX） 2

PITX2 是PITX 家族的成員之一， 定位于4q25～q2。PITX2包含同源結(jié)構(gòu)域和C-末端OAR結(jié)構(gòu)域，它們可以各自獨(dú)立地與轉(zhuǎn)錄因子相互作用以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性，而且OAR結(jié)構(gòu)域與N端結(jié)合后還可抑制DNA的結(jié)合，對口腔頜面部的發(fā)育、牙齒的形成至關(guān)重要[18]。PITX2選擇性地在下頜、下肢以及牙齒中表達(dá)，在胚胎發(fā)育早期，是牙齒發(fā)育的第一個(gè)轉(zhuǎn)錄標(biāo)記，在所有牙冠形態(tài)發(fā)生過程中的上皮細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，調(diào)控上皮信號中心和牙胚的形成[19]。研究[20]發(fā)現(xiàn)將小鼠PITX2基因敲除之后，下頜骨及上頜牙齒發(fā)育受到影響，牙胚發(fā)育停止于蕾狀期。PITX2突變引起的Axenfeld-Rieger綜合征（Axenfeld-Rieger syndrome，ARS）表現(xiàn)出極其罕見的上頜中切牙的缺失。ARS綜合征是指雙眼虹膜和小梁網(wǎng)的先天性發(fā)育異常，可伴有全身發(fā)育異常，最常見的是顱面口腔發(fā)育異常、眼房畸形和臍帶異常，其導(dǎo)致的先天缺牙常見于上頜中切牙和上頜第二前磨牙[21]。

3 HOX 基因調(diào)控先天缺牙分子機(jī)制探討

3.1 HOX基因突變與先天缺牙

PAX9基因已知突變近50個(gè)，可分為錯(cuò)義突變、無義突變、移碼突變等，其中起始密碼子突變有4個(gè)：c.3Ggt;A、c.1Agt;G、c.2Tgt;G和c.2Tgt;A，這些PAX9起始密碼子突變可引起單倍劑量不足，產(chǎn)生嚴(yán)重的牙齒發(fā)育不全[11]。PAX9突變發(fā)生在單核苷酸替換的范圍內(nèi)，可能通過以下途徑發(fā)揮作用：1） 缺乏結(jié)構(gòu)域而喪失功能；2） 突變的RNA或蛋白質(zhì)不穩(wěn)定；3） 產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)，獲得新的功能；4） 干擾了PAX9等位基因的功能[22]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)人類對PAX9突變數(shù)量敏感，突變越多，牙齒發(fā)育不全的情況越嚴(yán)重。編碼區(qū)和非編碼區(qū)的突變涉及外顯子1、2、3和4；外顯子2是包含成對結(jié)構(gòu)域的高度保守區(qū)域，顯示出最多的突變。Sarkar等[23]報(bào)道了一對雙胞胎，由于外顯子2的8個(gè)核苷酸的缺失，導(dǎo)致C-末端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域破壞，造成恒牙缺失。

MSX1基因的缺失下調(diào)了下游基因BMP4和轉(zhuǎn)錄因子LEF的表達(dá)，通過Wnt/β-連環(huán)蛋白（Wnt/β -catenin） 信號通路來抑制成牙本質(zhì)細(xì)胞分化，最終影響牙齒發(fā)育和唇腭裂的形成[24]。迄今為止，與非綜合征性牙齒發(fā)育不全相關(guān)的MSX1變異，大多數(shù)是錯(cuò)義突變和移碼突變。錯(cuò)義突變常發(fā)生在第二前磨牙和第三磨牙，研究發(fā)現(xiàn)MSX1同源結(jié)構(gòu)域內(nèi)的第31位的精氨酸被脯氨酸取代后，導(dǎo)致第二前磨牙先天缺失[18]，然而移碼突變往往導(dǎo)致更嚴(yán)重的非綜合征性先天缺牙。MSX1基因c.469+5Ggt;雜合突變是嚴(yán)重非綜合征型先天缺牙的致病突變。此外，c.119Cgt;G的純合性改變和c.348Cgt;T的雜合性改變也可能是非綜合征型先天缺牙患者發(fā)病的原因[25]。

Intarak等[26]在非綜合征性先天缺牙患者家庭中發(fā)現(xiàn)了新的TIPX2 突變， c. 573_574delCA （p.L193QfsX5），這種無義突變會(huì)影響PITX2蛋白的C末端的OAR結(jié)構(gòu)域，從而導(dǎo)致蛋白功能障礙并影響牙齒發(fā)育。在2022年的一項(xiàng)研究報(bào)道中，中國學(xué)者[27]在一個(gè)非綜合征先天缺牙家系中發(fā)現(xiàn)了PITX2新發(fā)雜合錯(cuò)義移碼突變（ｐ.I59fs），在一個(gè)中國ARS家系中發(fā)現(xiàn)了新的雜合剪接突變（c.390+1Ggt;A）[28]。

PAX9 和MSX1 基因突變導(dǎo)致先天缺牙早于TIPX2被發(fā)現(xiàn)，因此PAX9和MSX1的研究報(bào)道較TIPX2多，基因突變類型較豐富。未來的研究不僅需要繼續(xù)探索新的基因突變類型，更應(yīng)該對相關(guān)基因的表達(dá)水平和調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行探索，通過深入了解HOX基因在先天缺牙發(fā)生過程中的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)為臨床先天缺牙提供新的治療靶點(diǎn)。

3.2 HOX基因參與牙齒形成的信號聯(lián)級機(jī)制

HOX基因家族與胚胎發(fā)育息息相關(guān)，在牙齒形成過程中，某些蛋白質(zhì)（如生長因子等） 與靶細(xì)胞表面受體相互作用可以啟動(dòng)信號級聯(lián)機(jī)制靶向作用于HOX基因，造成牙齒發(fā)育停滯甚至牙齒缺失。

FGFs、WNT （牙板形成的激活因子） 和BMPs （牙板形成的抑制因子） 是啟動(dòng)牙胚發(fā)育形成的內(nèi)源性信號[29]。在胚胎發(fā)育早期，BMP4和FGF8參與了早期口腔上皮信號的組成，然后激活下路間充質(zhì)的成牙信號。研究[30]發(fā)現(xiàn)MSX1缺失，導(dǎo)致下游BMP4、LEF1 和DLX2 的下調(diào)， 使得MSX1基因突變小鼠的牙齒發(fā)育停滯，此外BMP4的下調(diào)也會(huì)對上皮中LEF1和DLX2的下調(diào)產(chǎn)生一定影響。IRX3在成牙本質(zhì)細(xì)胞增殖和分化過程中部分通過調(diào)節(jié)WNT5a促進(jìn)成牙本質(zhì)細(xì)胞增殖和分化[31]。

PAX9負(fù)責(zé)BMP4的表達(dá)，并進(jìn)一步調(diào)控MSX1的表達(dá)。有研究者[32]在一個(gè)中國非綜合征性先天缺牙家庭中發(fā)現(xiàn)一種新的PAX9移碼突變（c.49151-0delGCCCT-ATCACGGCGGCGGCC， p. P165Qfs*145） 導(dǎo)致激活BMP4啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的能力顯著降低。已有研究[33]表明MSX1和PAX9在牙齒形成蕾狀期到帽狀期的轉(zhuǎn)變過程中相互作用。PAX9和MSX1基因在非綜合征型先天性無牙頜患者中可能具有協(xié)同作用， 然而在嚴(yán)重先天缺牙患者中，PAX9的作用可能大于MSX1[34]。PITX2在小鼠牙齒發(fā)育期間特異性表達(dá)于上皮中，負(fù)責(zé)牙齒發(fā)育的啟動(dòng)，通過激活FGF8下調(diào)BMP4，導(dǎo)致小鼠牙釉質(zhì)礦化嚴(yán)重不足[30]。

4 HOX 基因作為先天缺牙治療靶點(diǎn)

先天缺牙是臨床中常見的牙齒發(fā)育異常，不僅影響患兒咀嚼、發(fā)音、美觀，甚至對心理健康產(chǎn)生一定影響。由于遺傳性發(fā)育缺陷的不可逆性以及人們對先天缺牙病因機(jī)制認(rèn)識的局限性，目前還沒有針對病因的預(yù)防治療手段[35]。近年來，先天缺牙相關(guān)基因在牙齒發(fā)育缺陷和口腔疾病發(fā)生中的作用日益受到密切關(guān)注，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，人們通過靶向治療技術(shù)更好地了解了先天缺牙相關(guān)基因和牙齒發(fā)育不全之間的表型相關(guān)性[36]，未來通過對牙齒發(fā)育不全背后的基因網(wǎng)絡(luò)嘗試更加深入地分析，將有助于探索先天缺牙臨床診療新方案。

4.1 HOX基因作為生物標(biāo)志物

生物標(biāo)志物可以預(yù)測治療反應(yīng)，識別可能從臨床試驗(yàn)中受益的潛在個(gè)體，并監(jiān)測治療反應(yīng)?；蚪M和功能生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，使研究人員和臨床醫(yī)生能夠?yàn)榛颊吡可矶ㄖ浦委煼桨竅37]。HOX蛋白的關(guān)聯(lián)作用（控制細(xì)胞的位置身份） 被用于在不同組織和解剖部位選擇指定的合適的干細(xì)胞群，進(jìn)而在再生醫(yī)學(xué)中更有效地利用干細(xì)胞。Zheng等[38]在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)HOX轉(zhuǎn)錄的反義RNA-HOTAIR不僅可以促進(jìn)HOX基因表達(dá)調(diào)控，而且還可以作為一種生物標(biāo)志物識別癌癥分子亞型。Picchi等[39]在一項(xiàng)研究報(bào)道了使用HOX和HOX家族的TALE亞家族作為標(biāo)志物來識別人類不同基質(zhì)細(xì)胞群的可能性。因此，由于HOX基因家族圖譜的特異性，可以通過標(biāo)記HOX基因亞家族選擇最合適的細(xì)胞群以進(jìn)行特定組織的再生和修復(fù)。

4.2 HOX基因和干細(xì)胞靶向治療

近20年來，人們成功從牙髓、牙周膜、牙囊和脫落的乳牙中提取出牙源性間充質(zhì)干細(xì)胞，其分化潛力好、免疫原性低而且具有組織再生的特點(diǎn)[40]。在牙組織再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們正嘗試通過靶向治療技術(shù)人工調(diào)控HOX基因的表達(dá)水平從而促進(jìn)特定組織的再生與修復(fù)。已有研究[41-42]證明HOX基因中MSX和DLX的表達(dá)對于促進(jìn)牙源性間充質(zhì)干細(xì)胞增殖起著重要的作用。

在牙齒修復(fù)過程中，發(fā)育信號的再現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生信號通知作用，導(dǎo)致干細(xì)胞的招募、遷移和分化。特別是HOX基因（MSX、DLX、PITX和PAX9）會(huì)作為大量不同的分子，如生長因子、細(xì)胞因子和黏附分子等參與其復(fù)雜的相互作用過程。Nagano等[43]報(bào)道了Wnt/β-catenin調(diào)控通路參與了小鼠上皮細(xì)胞的分化而且通過Yes相關(guān)蛋白（Yes-associatedprotein，YAP） 1-轉(zhuǎn)化生長因子（transforminggrowth factor，TGF） -β信號傳導(dǎo)促進(jìn)牙胚發(fā)育。而且，在根尖牙乳頭干細(xì)胞誘導(dǎo)成骨的體外研究[44]中發(fā)現(xiàn)了BMP4信號通路增強(qiáng)DLX2的調(diào)控。另有研究[45] 表明MSX1 基因缺失可能通過下調(diào)ALP、OC、MMP-2蛋白水平，從而引起相關(guān)信號通路途徑異常。

HOX基因可以通過對靶基因進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)微環(huán)境的改變，在體外，研究者們可以通過小分子干擾技術(shù)人工上調(diào)或下調(diào)HOX基因的表達(dá)水平，進(jìn)而對疾病進(jìn)行靶向治療。Wang等[46]發(fā)現(xiàn)通過下調(diào)HOX 基因家族中的非編碼RNA——HOXA11-AS，可以顯著抑制口腔鱗狀細(xì)胞癌的轉(zhuǎn)移能力。Li等[47]發(fā)現(xiàn)LncRNA HOTAIR可以靶向結(jié)合miR-326，上調(diào)LncRNA HOTAIR表達(dá)之后，通過降低miR-326促進(jìn)口腔鱗狀細(xì)胞癌的侵襲和轉(zhuǎn)移。因此，HOX基因正逐步成為人類疾病基因治療的靶點(diǎn)。

HOX基因聯(lián)合牙源性間充質(zhì)干細(xì)胞治療技術(shù)可能在未來臨床上對于先天缺牙基因靶向治療有著重要的意義。隨著技術(shù)的進(jìn)步，HOX基因治療技術(shù)的利用可能會(huì)革命性地改變牙組織再生醫(yī)學(xué)的未來。

5 總結(jié)與展望

HOX基因作為多種轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控元件，參與多種機(jī)制和信號通路的調(diào)控，因此，HOX基因在先天缺牙中扮演著重要角色，有望成為先天缺牙基因治療的新靶點(diǎn)。近年來，對先天牙缺失的研究熱點(diǎn)集中在HOX基因突變類型上，然而HOX基因家族中存在大量的功能冗余，單個(gè)基因的突變分析還無法證明HOX基因?qū)ρ例X發(fā)育的完全控制。隨著人類基因組學(xué)時(shí)代的到來，未來，研究者應(yīng)通過更加深入地研究這些復(fù)雜基因的功能特性，探究HOX基因家族之間及與其他轉(zhuǎn)錄因子間的相關(guān)性，進(jìn)一步明確在牙齒發(fā)育過程中HOX基因的功能多樣性，使得從基因遺傳角度闡釋牙再生、骨再生成為可能，為臨床先天缺牙提供更好的診療思路和治療前景。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。