牙齿早期发育中BMP信号稳态的调制机制

在器官发育过程中，由信号分子所构成的遗传通路，其基因表达和信号水平的动态平衡和稳态调节是保证正常发育的必要条件。然而，对器官发育过程中有关信号通路的稳态调制机制所知甚少。BMP信号是牙齿器官发育的重要信号通路之一。本项目利用遗传修饰的小鼠模型，条件性在牙齿上皮和牙间充质中改变BMP信号的稳态，研究BMP信号的稳态对牙齿形态发生的影响、不同类型牙齿发育对BMP信号稳态的耐受性以及BMP信号稳态的调制机制。实验内容包括：(1) Noggin剔除小鼠BMP信号稳态调制的分子机制；（2）在牙胚组织中过表达Bmp4对牙齿发育的影响;(3)不同类型的牙齿在早期发育过程中对BMP信号的耐受性；（4）在牙胚中过表达Noggin对牙齿发育的影响。研究结果将为理解牙齿发育中BMP信号保持其稳态的精确调控机制提供实验数据，进一步完善牙齿发育的分子调控网络，同时对理解其他器官发生的机制也有重要的提示意义。

利用了Noggin剔除小鼠证实了BMP的内稳态对牙齿的发育是至关重要的。由于在小鼠下门牙和上下磨牙均有Chordin、Gremlin等其他BMP的拮抗物与Noggin具有相同的表达模式，当Noggin基因缺失时，其他拮抗物的表达对Noggin有功能互补的作用，从而保证了BMP的稳态和牙胚的发育正常。而在上门牙的早期发育中，没有BMP其他拮抗物的表达，Noggin是小鼠上门牙的直接关键因子，Noggin的缺失造成了上门牙的发育异常。我们利用转基因小鼠在小鼠牙胚的间充质中过表达了Bmp4，实验结果表明， Bmp4在间充质的过量表达则造成小鼠的磨牙发育异常。进一步证实了，BMP稳态的改变将导致牙齿发育的异常。.目前，许多研究已经揭示了小鼠牙齿发育的分子机制，但是关于人类牙齿发育的遗传控制机制的研究知之甚少。我们利用基因芯片技术高通量筛选了人牙胚基因表达谱，用原位杂交等方法检测了BMP，SHH以及FGF信号通路分子在人牙胚中的表达。发现，BMP信号通路的配体、受体、效应子以及拮抗物，包括BMP2 、 BMP3、 BMP4、 BMP7、 NOGGIN、 SMAD4、 BMPRIa、BMPRIb、BMPRII，在人牙胚帽状期及钟状期都有强烈表达。SHH, PTC1, SMO, GLI1, GLI2和GLI3在人牙胚的表达与在小鼠中的表达很相似。 FGFs配体以及它们的受体，包括FGF3, FGF4, FGF7, FGF8, FGF9, FGF10在人牙胚中也有表达，并且与在小鼠牙胚中的表达模式几乎相同。我们的结果表明这些基因在人牙胚中的表达模式与在小鼠牙胚中的表达模式几乎一致，但也有少许差别。这表明了在人牙胚发育过程中BMP、SHH、FGF信号通路既具有保守性也具有差异性。.经典的重组实验证实，在小鼠牙齿发育的早期，其成牙诱导能力首先在牙上皮，随后转移到牙间充质。然而，对于人的胚胎组织是否具有同样的成牙诱导潜能尚不知。我们的研究发现帽状期的人牙上皮与唇间充质组织重组后可被诱导成牙，而若将钟状期的牙上皮与唇间充质重组，则不可被诱导成牙。将钟状期的人牙间充质与小鼠第二腮弓上皮或人表皮干细胞重组后，可诱其成牙并分泌牙釉质。而若将帽状期的人牙间充质与小鼠第二腮弓上皮或人表皮干细胞重组后，则不可诱导其成牙。我们的研究为依赖干细胞技术构建人类生物工程牙齿奠定基础。