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核转录因子I-C在牙根发育中的影响

2021-08-16 310 上传者：管理员

摘要：牙根发育是一个复杂的过程,由上皮和间充质共同调控完成,并涉及多种分子的相互作用。研究发现,核转录因子I-C（nuclear factor I-C,NFIC）是调控牙根发育的主要分子之一,NFIC参与根部牙本质的形成。牙根的生长是通过与多种分子相互作用实现的,这些分子包括转化生长因子-β（transforming growth factorβ,TGF-β）、Krüppel样转录因子4（Krüppel-like factor 4,KLF4）、Osterix（OSX）、Hedgehog（HH）、AFF4和微量元素锌等。本文将对NFIC在牙根形成过程中的作用和与NFIC相关的分子作一综述。

关键词：
分子信号
成牙本质细胞
核转录因子I-C
牙根发育
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牙根发育是上皮和间充质相互作用的复杂过程，在这一过程中有一系列生长因子和转录因子表达，这些因子在上皮-间充质的相互作用中发挥重要作用[1,2]。研究发现，核转录因子I-C(nuclear factor I-C,NFIC)在上皮附近的间充质细胞中表达，并且小鼠出生后第5～16天时，在牙乳头和牙囊中均检测到了NFIC表达[3],这表明NFIC在牙根的生长发育发挥重要作用。因此，本文希望通过介绍NFIC在牙根形成过程中的作用，为牙根发育的分子机制以及牙根发育异常的研究提供新的思路。

1、NFIC的生物学意义

核因子I(nuclear factor I,NFI)家族的转录因子在人类发育过程中起重要作用，4个家族成员NFIA、NFIB、NFIC和NFIX具有同源DNA结构域，可以通过控制靶基因的转录来调节细胞增殖和分化，从而发挥功能[4]。其中NFIC在许多组织中表达，包括脑、肝、肾、脾、心脏和牙根[5]。生物信息学分析NFIC基因结构发现了一个潜在外显子，因此将这个编码1个氨基酸甲硫氨酸的68 bp潜在外显子命名为外显子1A,并将原来的外显子1重命名为外显子1B,所以位于人类染色体19p13.3上的NFIC基因由原来的11个外显子编码变成由12个外显子编码，这些外显子被剪接产生4种蛋白质产物，分别为NFIC1、NFIC2、NFIC3和NFIC4,外显子1A包含NFIC2和NFIC3中的起始密码子，而外显子1B编码NFIC1和NFIC4的N末端，另外NFIC1包含完整的C末端，NFIC2不表达外显子9,NFIC3缺少外显子3和9,而NFIC4缺失了外显子9和10[5]。

2、牙根发育

牙根的发育开始于牙冠形成以后，在牙乳头和牙囊之间，成釉器的顶端向下延伸形成上皮根鞘(Hertwig's epithelial root sheath, HERS),这是由内釉上皮和外釉上皮形成的双上皮结构，普遍认为HERS引导着牙根形成[6]。牙根发育开始时，牙乳头干细胞(SCAPs)在HERS内侧凝聚，并与HERS的内釉上皮层接触，分化成为成牙本质细胞，形成根部牙本质。在牙根向下发育的动态过程中，HERS通过细胞凋亡和上皮-间充质的相互作用形成网状结构，这种网状结构可以调控牙囊细胞与新形成的牙本质进行接触，并分化为成牙骨质细胞，部分HERS细胞也可以直接分化成成牙骨质细胞[7],进而形成牙骨质。牙周韧带的形成是在牙囊细胞与HERS接触、迁移的过程中，许多胞质突起从牙囊细胞前突中伸出，并分泌胶原纤维，最初这些胶原纤维杂乱无章，随着牙根的发育，其增厚并进行有序排列，进而形成了定向附着的牙周韧带，这种排列方式对连接牙根和牙槽骨、稳固牙齿至关重要[8]。

3、NFIC在牙根发育中的作用

3.1 NFIC对牙乳头干细胞的影响

SCAPs具有分化成牙髓细胞和成牙本质细胞的能力。研究发现，过表达NFIC可以抑制感染牙髓中的炎症反应，体外培养人类有炎症的SCAPs,过表达NFIC可以抑制SCAPs的炎症反应，而降低NFIC表达会加重SCAPs的炎症反应[9]。此外，体外培养人类发育中的磨牙根尖SCAPs发现，过表达NFIC增加了SCAPs中的增殖和分化、矿化结节形成和钙浓度的表达，并且还上调了SCAPs中牙源性相关标志物的表达，即碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素和Ⅰ型胶原的mRNA水平以及牙本质涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein, DSPP)水平，而降低NFIC表达抑制了SCAPs的矿化能力，并下调了牙源性相关标记的表达[10,11]。

3.2 NFIC对根部成牙本质细胞的影响

在Nfic-/-小鼠中，观察到上下颌切牙牙根变短、磨牙牙根消失、牙髓腔扩大、髓底低、成牙本质细胞分化异常和牙本质形成异常的现象[12]。研究发现，与野生型小鼠相比，Nfic-/-小鼠的成牙本质细胞排列紊乱、处于未分化的原始状态，表现出凋亡细胞的特征，并且失去了细胞连接复合体[13]。研究认为闭合小带-1 (ZO-1)、闭合蛋白、E-钙粘蛋白(E-Cad)和连接蛋白-43 (CX-43)共同构成了细胞连接复合体，ZO-1位于细胞膜表面，为其他紧密连接蛋白提供支架；闭合蛋白是一种紧密连接膜蛋白；E-Cad是一种细胞粘附糖蛋白，可以控制细胞的粘附强度和运动性，影响细胞的侵袭力；CX-43也称为间隙连接α-1蛋白，可以通过间隙连接影响细胞通讯，调控细胞生理过程。体外研究发现，与对照组相比，ZO-1、闭合蛋白、E-Cad在Nfic敲除的成牙本质细胞中表达降低，而CX-43在实验组和对照组中表达保持一致[13,14]。但是在牙根发育起始过程中，Nfic-/-小鼠和野生型小鼠一样，均形成了正常的HERS组织[15]。

3.3 NFIC对牙囊细胞的影响

牙囊细胞(DFCs)来源于未分化的外胚层间充质细胞，具有自我更新和多向分化的能力，在牙根和牙周发育过程中分化形成牙骨质、牙周膜和牙槽骨[16]。人类DFCs已被证明是再生医学的可靠资源，对治疗炎症的牙周组织和再生牙周组织有重要意义[17]。研究发现，NFIC蛋白在DFCs中表达，并以时间依赖性的方式增加表达，出生后第5～7天时，大鼠磨牙分离的DFCs中观察到NFIC蛋白表达最高[18]。体外培养大鼠DFCs发现，过表达NFIC促进了DFCs的增殖，并且还增加了DFCs中成骨相关标记物的表达，即Ⅰ型胶原、Runt转录因子2(Runx2)、ALP和β-catenin的mRNA水平，而沉默NFIC可增加DFCs的凋亡，并下调成骨相关标记物的表达[18]。

NFIC参与牙根发育，在SCAPs、根部成牙本质细胞和DFCs中发挥重要作用。在SCAPs中，NFIC抑制人类SCAPs的炎症反应、诱导SCAPs矿化和牙源性相关标记的表达；在根部成牙本质细胞中，NFIC促进小鼠成牙本质细胞的分化和成牙本质细胞连接复合体的形成；在DFCs中，NFIC促进大鼠DFCs增殖和成骨相关标记物的表达。

4、NFIC相关的分子

4.1 NFIC与TGF-β

转化生长因子(TGF)β家族由TGF-β、SMAD、骨形态发生蛋白(BMP)、激活蛋白和抑制素组成，他们在促进成牙本质细胞分化和牙根发育中发挥重要作用[19]。研究发现TGF-β能够通过SMAD通路降解NFIC,SMAD通路是TGF-β家族的经典信号通路，体外培养成牙本质细胞发现，过表达SMAD3可引起TGF-β1对NFIC的降解，而沉默SMAD3抑制了TGF-β1对NFIC的降解[20]。另外在成牙本质细胞的早期分化过程中，TGF-β可以通过JNK途径促进NFIC和SMAD泛素调节因子(SMURF)的结合作用，继而实现对NFIC的降解，JNK途径是TGF-β家族非经典的蛋白激酶(MAPK)通路之一，SMURF在TGF-β信号通路中具有降解SMAD蛋白的作用，研究发现抑制JNK途径可以降低NFIC与SMURF的结合作用[20]。在成牙本质细胞分化和矿化的后期，NFIC能使细胞质和细胞核中的p-SMAD2/3去磷酸化，并将其转移到细胞核中，从而负调控TGF-β信号[21]。

4.2 NFIC与KLF4

KLF4是特异性蛋白/ KLF转录因子家族的成员之一，KLF4参与促进成牙本质细胞分化和抑制成牙本质细胞增殖[22]。研究发现，Nfic-Klf4-牙本质基质蛋白1(dental matrix protein 1,Dmp1)-Dspp途径是促进成牙本质细胞分化的信号通路之一[23],因为在Nfic-/-小鼠中，Klf4的表达和蛋白水平显著降低，进一步研究发现NFIC可以与Klf4启动子结合，这导致KLF4、DMP1和DSPP的表达增加。然而过表达或沉默KLF4仅影响DMP1和DSPP的表达水平，并不影响NFIC的表达水平。另外在成牙本质细胞分化过程中，KLF4可以与DMP1启动子结合[24],而DMP1与DSPP启动子结合，进而促进成牙本质细胞分化[25]。在牙根发育过程中，Nfic-Klf4-E-Cad通路参与促进了间充质-上皮的转化作用(MET),KLF4可以与E-Cad的启动子结合，而E-Cad作为MET的标记在成牙本质细胞分化过程中表达，在成牙本质细胞分化过程中，NFIC和E-Cad的表达随时间增加[23]。结合所有研究，证实了NFIC通过Nfic-Klf4-Dmp1-Dspp途径促进成牙本质细胞的分化和矿化，并且还通过Nfic-Klf4-E-Cad通路促进了MET作用。

4.3 NFIC与OSX

OSX也称为SP7,是一种含锌指结构的转录因子，在SCAPs、DFCs、成釉器和牙槽骨中都有表达[26]。在Osx-/-小鼠的牙髓中缺乏正常极化的成牙本质细胞，但增殖细胞明显更多，这提示OSX在细胞增殖中具有抑制作用，但在成牙本质细胞分化中具有增强作用[27]。研究发现，Osx是Nfic的关键下游分子之一，其功能是促进成牙本质细胞分化，因为在Nfic-/-小鼠中OSX的表达显著降低，而过表达NFIC会导致OSX表达呈剂量依赖性增加[27],并且Osx通过Dmp1和Dspp参与形成极化的成牙本质细胞，在Osx-/-小鼠的牙根中，DMP1和DSPP的表达显著下降[27],然而在人类SCAPs中过表达OSX,增加了DMP1、DSPP的表达[28]。因此Nfic-Osx-Dmp1-Dspp途径是NFIC参与成牙本质细胞分化的通路之一。

4.4 NFIC与HH

在牙根发育过程中，HH信号在HERS和附近的间充质细胞中表达，HH信号在参与牙根发育的过程中呈剂量依赖性，激活或者抑制HH信号均导致牙根变短、根尖牙乳头细胞增殖减少和成牙本质细胞分化受损[29]。HH信号通路由3个配体SHH、DHH和IHH组成，其中SHH信号研究最为广泛。研究发现NFIC是HH信号通路的下游分子之一，在小鼠实验中，降低SHH信号可导致NFIC表达降低和牙根缺失，而通过外源性添加SHH蛋白可以恢复NFIC表达来实现牙根的部分挽救[30]。此外，NFIC与HH相互作用蛋白(HHIP)的启动子区域结合，HHIP蛋白具有抑制HH蛋白的作用，因此HH配体促进NFIC表达，同时NFIC为SHH信号提供负反馈[31]。

4.5 NFIC与AFF4

超级延伸复合物(SEC)由RNA聚合酶Ⅱ(PolⅡ)、正延伸因子b(P-TEF b)、AFF和ELL蛋白家族组成，在基因转录过程中发挥作用[32]。AFF4是AFF蛋白家族的成员之一，可作为支架蛋白接其他亚基，在PolⅡ调控转录的过程中起重要作用[33]。研究发现，AFF4与牙本质的形成关系密切，AFF4在人牙髓和成牙本质细胞中普遍表达，并且在成牙本质细胞中的表达远高于牙髓细胞[34],在人牙髓细胞中降低AFF4导致ALP活性、钙矿化程度和与牙源性相关的基因(如RUNX2、SP7、DSPP)的mRNA水平显著降低[34]。体外培养人牙髓细胞发现，抑制AFF4显著降低了NFIC mRNA和蛋白表达水平，而过表达AFF4导致NFIC表达增加[34],另外，AFF4在NFIC的启动子区域表达丰富[34],推测AFF4是NFIC的上游分子之一。挽救实验中，过表达NFIC能够挽救AFF4缺陷导致的牙髓细胞分化能力降低，并且部分恢复了SP7、DSPP的表达[34]。

4.6 NFIC与微量元素锌

锌在蛋白质结构、基因调控和细胞信号传导中具有重要功能[35],适当的锌对生物生长发育至关重要。锌转运蛋白ZIP13负责将锌从高尔基体转运到细胞质中，从而调节细胞内锌的表达水平。Zip13缺陷小鼠表现与Nfic缺陷小鼠相似，具体为磨牙根部牙本质形成减少和磨牙切牙短根[36],说明锌对于成牙本质细胞分化和牙本质形成是必不可少的。然而过量的锌会使NFIC表达降低，在成牙本质细胞分化过程中，过量的锌会促进细胞质中的SMAD2/3磷酸化，并提高了NFIC和p-SMAD2/3在细胞质中的结合效率，进而通过TGF-β途径使NFIC降解，提示锌作为微量元素，是以低浓度发挥作用，而过量的锌会导致NFIC表达降低和根部成牙本质细胞分化异常[36]。

5、总结

牙根的发育是上皮-间充质的相互作用，在成牙本质细胞分化过程中，NFIC和Nfic-Klf4-E-Cad信号通路的表达随时间增强，表明NFIC在MET中发挥重要作用。Nfic基因敲除小鼠独特的牙根表型，证明了NFIC在牙根发育和成牙本质细胞分化中的作用，并且NFIC对SCAPs和DFCs的影响为再生医学的发展提供了部分参考依据，过表达NFIC对感染牙髓和牙周组织的炎症反应有抑制作用。研究发现，NFIC作为影响牙根形成的主要基因之一，通过Nfic-Klf4-Dmp1-Dspp途径和Nfic-Osx-Dmp1-Dspp途径参与调控成牙本质细胞的分化和牙根的发育，并且NFIC的表达还受TGF-β、HH、AFF4和微量元素锌的影响。掌握NFIC在牙根发育中的作用以及NFIC与相关分子的相互关系将有助于我们全面了解牙根的发育机制。

参考文献：

[4]张凤成,李亚男.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[J].口腔颌面修复学杂志,2017,18(2):117-121.

[11]梁妍,张菁,李颂.转录因子NFIC在cAMP信号通路斓控根尖牙乳头干细胞分化中的作用[J].安徽医科大学学报,2017,52(2):190-193.

文章来源：刘昕,谢晓华.核转录因子I-C在牙根发育中的作用[J].口腔医学研究,2021,37(08):689-692.