BMP-DLX5-KDM4B信号通路对间充质干细胞成牙分化的作用及调控机制研究

Tooth defects and lost are common and frequently-occurring oral diseases. Biology restoration and regeneration of dental tissue for repair the tooth defects and lost is advance and key scientific issues. And discovering the odontogenic differentiation potential, regulation and underlying molecular mechanisms of mesenchymal stem cells (MSCs) has the important scientific significance for MSC mediated dental tissue regeneration. BMP signaling pathway plays an important role in regulating the odontogenic differentiation. However, the role of BMP signaling in regulating the odontogenic differentiation of MSCs and molecular mechanism is not clear. Previously our research group found the interaction among the BMP signaling, DLX5/HOXC8 protein complex and KDM4B, which may be the key signaling pathway to regulate the odontogenic differentiation of MSCs. Based on these discoveries, we will reveal the function of BMP-DLX5/HOXC8-KDM4B signaling pathway in odontogenic differentiation of MSCS by using the loss of function and gain of function studies. Then we will discover the effect of BMP-DLX5/HOXC8-KDM4B signaling pathway on the dental tissue regeneration by using nude mice and miniature swine models. Furthermore, we will elucidate the interaction and regulation mechanism of BMP-DLX5/HOXC8-KDM4B, and the molecular mechanism for odontogenic differentiation and dental tissue regeneration of MSCs. Taken together, this study will be helpful to elucidate the molecular mechanism of MSC odontogenic differentiation, and provide the key target genes and theoretical basis for promoting MSC mediated dental tissue regeneration.

牙齿缺损、缺失的生物性再生修复是口腔医学研究的前沿课题，如何促进干细胞牙向分化是促进其介导牙齿组织再生的关键，BMP信号通路在调控成牙分化方面起着重要作用，但在调控间充质干细胞牙向分化的作用和分子机制尚不清楚。课题组前期通过研究发现BMP、DLX5/HOXC8蛋白复合体及KDM4B信号分子之间存在着相互作用，并可能是调控干细胞牙向分化的关键通路。在此基础上，本课题拟继续通过丧失性及获得性功能研究揭示BMP-DLX5/HOXC8-KDM4B信号通路在干细胞牙向分化中的功能，并在裸鼠及小型猪动物模型上揭示其对牙齿组织再生的影响。在此基础上，研究BMP-DLX5/HOXC8-KDM4B相互作用及调控机制、进而揭示其对干细胞牙向分化和牙齿组织再生的分子机制。该研究将有助于阐明间充质干细胞牙向分化的分子机制，为促进间充质干细胞介导的牙齿组织再生提供关键靶基因和理论依据。

颌骨缺损和牙齿脱落是常见的口腔疾病，可影响咀嚼功能、语言功能甚至生命健康。目前，使用间充质干细胞(MSCs) 为基础的干细胞治疗正在成为一种有前途的治疗方法。虽然近几十年骨和牙组织再生的过程逐渐发展，但仍缺乏对骨骼和牙齿再生中支配MSC机制的全面理解。课题组前期研究发现DLX5在牙源性间充质干细胞(MSCs)中高表达，并被赖氨酸特异性去甲基化酶4B(KDM4B)上调，使其能够调节骨/牙本质的分化，但DLX5在骨/牙本质/软骨形成中的作用机制尚未完全阐明。进而利用根尖牙乳头干细胞(SCAPs)研究了DLX5的功能。DLX5在SCAPs成骨分化诱导及人BMP4重组蛋白刺激后表达量增加，且BMP信号通过SMAD4信号影响DLX5的表达。采用碱性磷酸酶(ALP)检测、茜素红染色、钙离子定量分析、骨/牙本质形成相关基因表达及体内移植等方法证明DLX5促进SCAPs成骨/成牙分化潜能；用阿尔新兰染色、成软骨相关基因表达等方法表明DLX5促进SCAPs成软骨分化潜能；用划痕实验及transwell实验来验证DLX5对SCAPs迁移及趋化的影响，结果表明，DLX5促进SCAPs的迁移和趋化能力。用荧光素酶基因报告实验和染色质免疫沉淀技术来研究DLX5和KDM4B之间的关系，我们发现DLX5通过直接与其启动子结合来增强KDM4B的转录。此外，KDM4B亦上调了SCAPs中DLX5的表达。这些结果表明DLX5和KDM4B是BMP信号的正效应因子，并通过正反馈机制相互调节。应用免疫共沉淀实验发现了DLX5与HOXC8可以形成蛋白复合体，因此我们探究了HOXC8对间充质干细胞成骨/成牙/成软骨分化功能影响。通过前述实验方法发现HOXC8抑制了SCAPs的成牙/成骨分化潜能；促进了SCAPs的成软骨分化潜能；抑制SCAPs的迁移和趋化能力。通过以上研究我们揭示了BMP-SMAD-DLX5/KDM4B信号通路的激活，DLX5与HOXC8蛋白复合体的形成及相互作用可能是促进牙源性间充质干细胞介导的组织再生的内在机制，为干细胞介导的颌骨和牙齿组织再生的机制提供了一个新的方向，将有利于颌骨和牙齿组织的再生转化研究。