调控硬腭模式形成的分子机制

Cleft palate represents one of the most frequently occurred human birth defects. The mammalian palate is anatomically divided into the anterior bony hard palate and the posterior muscular soft palate. However, how the anterior hard palate is patterned and how the palatal osteogenesis is controlled remains unknown. Hox genes encode homeodomain-containing transcription factors that determine the pattern of organ development. However, In the Hox-free developing palate, this raises a fundamental question as what transcription factors to specify and pattern the hard and soft palate. The homeobox gene Shox2 is expressed specifically in the anterior palatal mesenchyme, overlapping with the future bony hard palate domain. We have shown previously that Shox2 mutation leads to not only a rare type anterior clefting of the secondary palate, but most intriguingly, also the significantly reduced bone formation in the hard palate, indicates an essential role for Shox2 in organ patterning and skeletogensis. Our preliminary studies present evidence that Shox2 may interact with other transcription factors and chromatin remodeling factors to ground the patterning and skeletogensis of hard palate. In this application, we will employ genetics, biochemistry, molecular biology, genomics and bioinformatics approaches to explore the molecular patterning of the hard palate. The results obtained will provide novel knowledge for understanding of palate development and cleft palate formation and provide solid foundation for future tissue engineering of palatal bone for clinical treatment/repair of cleft palate defects.

颅颌面畸形是发生率最高的出生缺陷，尤以腭裂最为常见。上腭由前端硬腭和后端软腭构成，对其模式化和转录调控机制所知甚少。Hox转录因子作为常见组织特异性的辅助因子，指导器官的模式特化。然而，在上腭中并不表达Hox，是哪些转录因子决定了上腭的前后硬腭和软腭的模式形成还是未知之迷。同源框基因Shox2在前腭特异性地表达，其突变导致前腭裂，且硬腭骨量大幅减少，表明其在上腭模式化和骨发生中具有重要功能。前期研究表明，Shox2可能作为核心转录因子，与其他转录因子和染色质重塑蛋白共同作用，形成转录复合物，结合到特定的增强子上，调控硬腭的模式化及骨发生。将采用遗传、分子生物学、基因组学及生物信息学手段，进行深入研究，进一步理解上腭发育及腭裂发生的机制，对进一步理解颅颌面其他器官模式形成和骨发生机制也将有重要的启迪。

颅颌面畸形是发生率最高的出生缺陷，尤以腭裂最为常见。Shox2在前腭特异性地表达，其突变导致前腭裂，且硬腭骨量大幅减少。在上腭间充质中过表达Shox2导致腭突的增生以及颚骨的发育不良。RNA-Seq和ATAC-Seq分析表明，Shox2调控表达模式的特异性和skeletogic基因相关的染色质可及性。H3K27的ChIP-Seq和瞬时转基因增强子的分析表明，Shox2在上颚板的前端以特异性的方式结合到远端顺式图调控元件上，从而调控硬腭的模式形成。研究解释了硬腭模式形成的重要机制。为进一步验证这一理论，对Shox2 在前腭中特异性结合元件的序列集分析发现，在距离Alx1基因上游约约127kb处有高强度的结合峰，具备增强子的特征，可能是Shox2调控下游成骨基因的一个重要元件。Alx基因家族在颅面发育中的作用十分重要。在人类，ALX1纯合突变引起极其严重的额面部发育不良表型。研究表明，该位点是Alx1的远端增强子位点，Shox2在上颚板前端特异性地结合到远端顺式增强子上，调控骨Alx1的转录输出，从而调控骨化过程，到达调控硬腭的模式形成的作用。. 本项目还拓展了腭裂和牙齿发育机制其他相关研究。Wnt1-Cre; Bmp2f/f 小鼠表现出严重的皮罗氏序列征，即下颌骨和舌头的发育不良的小下巴，造成了上腭裂的发生。由于舌头细胞的增殖和凋亡以及下颌骨成骨前体细胞的分裂和分化的异常，是导致下颌发育不良的原因。K14-Cre;R26R-Fg8小鼠表现一种独特类型的融合性多生牙，在形态学上与人类的II型牙内陷极其相似。异位激活的上皮FGF8改变了切牙舌侧外釉上皮的细胞命运，使之具备成牙潜能，激活了包括Pitx2，Sox2，Lef-1，P38和Erk1/2等牙发育关键基因，导致诱导额外的切牙的发育，并与原来的切牙融合，形成多生牙。通过异源组织重组证明牙间充质和FGF8可能是调控牙齿发育速率的关键因素。牙间充质中强制性过表达Fgf8可以通过p38和PI3K-Akt细胞内细胞通路促进细胞周期从G1到S其的转换，从而促进了细胞分裂，抑制凋亡，导致牙齿发育速率的延缓。牙间充质中的FGF8可能是一个关键的信号分子，以非细胞自主性的方式调控哺乳动物的牙发育。