基本信息
- 项目名称：
- 人类牙齿早期发育中WNT信号通路关键基因的表达检测
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 人类牙齿的再生是一项极具应用前景、市场价值和社会效益的研究工作。牙齿再生技术的建立首先必需研究牙齿发育的机制问题。本作品通过检测Wnt信号通路关键基因WNT5a、LRP5、SOSTDC1、FZD4、LEF1在人类牙齿发育过程中的表达情况，为Wnt信号通路积累相关的数据，为更好地了解潜藏在牙齿发育过程中的分子机理，在基因水平上掌握牙齿发育的过程,为将来实现人类牙齿再生提供了良好的参照。其研究结果对了解其他器官发育的分子机制具有重要的指导意义。
- 详细介绍：
- 人牙齿早期发育的形态发生过程和小鼠的非常相似，也包括牙板期、蕾状期、帽状期和钟状期。在胚胎发育的5至6周，人乳牙牙胚即开始发育，在牙齿发生的预定部位开始出现上皮增厚，与小白鼠的E11.5出现的形态相似，此时为牙板期。7至8周时，增厚的牙上皮不断分裂并向其下方的牙间充质组织入侵内陷，形成蕾状的结构，此时为蕾状期。9至10周牙蕾分化形成帽状, 此时为帽状期，11至12周以后为钟状期。妊娠8周人乳牙牙蕾上皮向舌侧或颊侧突出一个上皮分支。这个上皮分支作为未来恒牙的牙蕾上皮，诱导其下的间充质形成恒牙牙胚，恒牙牙胚会长期停滞于钟状期，直到少儿时期的乳牙需要替换时才继续发育（Zhang et al, 2005）。 哺乳动物的牙齿源于上皮与间充质之间的相互诱导作用，信号 因子在这个相互诱导中扮演了关键的角色。生长因子是一种分泌性蛋白质，由产生生长因子的细胞分泌到胞外，通过与特异性受体的结合，作用于邻近或自身的细胞，在细胞间传递着信息。与牙齿发育过程密切相关的生长因子主要可以分为4类：骨形成发生蛋白（BMP），成纤维生长因子（FGF），刺猬蛋白家族（Hhs）和WNT家族。 Wnt信号通路（signaling pathway）是公认的在胚胎发育过程中对图式形成和分化起指导作用的一种重要的信号系统。Wnt通路主要有2种信号传导方式，一种方式是将信号传导到细胞核内部，激活特定目标基因的转录，称之为经典的Wnt信号通路（canonical Wnt pathway）；另一种方式是将信号传导到细胞质中，激活细胞骨架系统的重组过程，使细胞极性化（如由立方细胞变成柱状细胞），产生新的形态变化过程，称之为平行极性的Wnt信号通路（planar polarity pathway）。目前认为Wnt必须同时与LRP5/6和Frizzled结合，形成有功能的配基-受体复合物来激活经典的Wnt-beta-catenin通路（Zorn，2001）。在模式动物小鼠中的所有这些研究结果均表明Wnt信号通路在牙齿发育中的关键作用。 人类与小鼠的牙齿发育过程很可能不仅仅只是形态发生上相似，其内在的分子诱导机制也可能存在着很高的相似性。本研究对Wnt信号通路中几个关键的信号分子在早期人磨牙牙胚中的表达模式进行精确的定位和相对的定量分析，以期进一步了解Wnt人类牙齿发育分化和形态建成中作用。对理解Wnt信号通路在人类其他器官中的作用也有普遍的意义。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究利用基因芯片方法，分析了人牙齿分化的关键时期帽状期牙胚的基因表达谱，并将其中的Wnt信号系统的组成分子的表达情况与小鼠中的数据进行比较分析，发现两者在表达模式是既有相似之处，也有明显的差异。在此基础上，利用原位杂交技术，对Wnt信号通路中几个关键的信号分子在早期人磨牙牙胚中的表达模式进行精确的定位和相对的定量分析，以期进一步了解Wnt信号通路在人类牙齿发育分化和形态建成中作用。
科学性、先进性及独特之处
- 牙齿发育是研究器官发育常用的研究模型之一。目前，对模式动物小鼠牙齿器官发育的分子调控机制已经相当深入的了解，建立了调控牙齿发育的遗传信号网络。但是，对人类自身牙齿发育调控机制所知甚少。本研究分析检测了人牙胚帽状期Wnt信号通路的表达谱并与小鼠的数据比较，为理解人牙齿早期发育的分子机理提供重要的实验数据，为人牙齿再生的研究提供理论依据，对理解人类其他器官的发育机制也有普遍的意义。
应用价值和现实意义
- 在组织工程研究中，牙齿再生的研究已经成为引人瞩目的发展方向。理解人牙齿发育的分子调控机制，对发展该领域的研究至关重要。本研究对人类牙胚组织WNT信号通路的表达谱进行分析和关键基因的原位杂交表达检测，为更好地了解潜藏在牙齿发育过程中的分子机理提供了重要的实验数据，对了解器官发育的分子机制具有普遍的意义，同时为人类牙齿再生以及其它器官再生提供了重要的基础知识。
学术论文摘要
- 到目前为止，对模式动物小鼠牙齿器官发育的分子调控机制已经相当深入的了解，初步建立了调控早期牙齿发育的遗传信号网络。但是，对人类自身牙齿器官的发育调控机制所知甚少。本研究利用基因芯片分析人牙胚帽状期的基因Wnt信号通路的表达谱并与小鼠的数据比较，发现两者之间既有相似之处，也存在明显的差异。进一步利用反义RNA原位杂交技术，取不同时期流产人胚，对Wnt信号通路中的关键分子WNT5a、LRP5、SOSTDC1、LEF1、FZD4基因等在牙齿早期发育过程的表达情况进行检测，为理解人牙齿早期发育的Wnt信号分子作用机理奠定基础，为人牙齿再生的研究提供重要的理论依据。结果表明WNT5a、LRP5、SOSTDC1、LEF1、FZD4在人胚胎牙齿的蕾状期、帽状期、钟状期表达与模式动物小鼠胚胎牙齿的表达具有相似性又存在一定的差异，Wnt信号在人类牙齿的早期发育中起重要的调控作用。
获奖情况
- 无
鉴定结果
参考文献
- [1] Chai Y, Jiang X, Ito Y, et al. Fate of the mammalian cranial neural crest during tooth and mandibular morphogenesis. Development, 2000,127:1671-9. [2] Kontges G, Lumsden A. Rhombencephalic neural crest segmentation is preserved throughout craniofacial ontogeny. Development, 1996,122:3229-42. [3] Kassai Y, Munne P, Hotta Y, Penttila¨E, Kavanagh K, Ohbayashi N, Takada S, Thesleff I, Jernvall J, Itoh N, 2005, Regulation of mammalian tooth cusp patterning by ectodin. Science. 309:2067–2070. [4] Kratochwil K, Galceran J, Tontsch S, Roth W, Grosschedl R. 2002. FGF4, a direct target of LEF1 and Wnt signaling, can rescue the arrest of tooth organogenesis in Lef1(_/_) mice. Genes Dev 16:3173–3185. [5] Mark Tummers and Irma Thesleff. 2009.The Importance of Signal Pathway Modulation in all Aspects of Tooth Development.Journal of experiment zoology(MOL DEV EVOL) 312B:1-11
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外对各种各样的牙齿发育信号通路的研究一般都是以模式动物小鼠为研究对象。已有的研究结果表明，Wnt信号通路是公认的在胚胎发育过程中一种重要的信号系统。它与多种类型的组织和细胞的模式形成，增殖和分化是密切相关的。 Wnt通路主要有两种信号传导方式，一种方式是将信号传导到细胞核内部，激活特定目标基因的转录，称之为经典的Wnt信号通路；另一种方式是将信号传导到细胞质中，激活细胞骨架系统的重组过程，使细胞极性化（如由立方细胞变成柱状细胞），产生新的形态变化过程，称之为平行极性的Wnt信号通路。在经典的Wnt通路中，Wnt蛋白结合到Frizzled上，然后与辅助受体LRP5/6形成Wnt-Frizzled-LRP5/6复合体，将信号传导到细胞质内从而激活Disheveled。细胞质中的Disheveled一旦被激活就立即抑制了GSK-3的活性。GSK-3的活性被阻断后，β-catenin将从APC蛋白上分离出来并进入到细胞核中与TCF/LEF复合物形成异型二聚体（heterodimer）。该异型二聚体将结合到DNA上并激活目标基因的转录过程。在平行极性的Wnt通路中，Frizzled将激活JNK（jun N-terminal kinase）并指导细胞骨架系统进行非对称的重新组合过程，协调上皮组织层中的细胞极性化过程，而导致新的形态发生。 在发育中的口腔和牙胚组织中已经检测到数种Wnt基因的表达。在E10.5当牙齿发生部位和模式形成被决定时，Wnt7b在口腔中预定牙上皮以外的区域表达。从E11.5起Wnt10a和Wnt10b就开始在磨牙和门牙的增厚的牙上皮中表达，这些表达将一直持续到蕾状期。到了E14.5的帽状期，这2个基因仅局限在釉节结（enamel knot）中表达。此外，Wnt-4，Wnt-6和另一种Wnt受体Fz-6都在牙上皮中表达。Wnt-5a，sFrp2和sFrp3的表达仅局限牙的间充质中。已知Lef1是Wnt信号通路的关键组成成分，Lef1基因剔除小鼠的牙齿发育停滞在蕾状期。这也进一步说明Wnt信号在正常牙齿发育中不可缺少的。如此众多的Wnt配基及其受体和调控因子都在牙胚组织中表达，这表明Wnt信号在牙齿发育中的重要性。 WNT信号通路在模式动物小鼠的牙齿发育过程起到很重要的作用。然而，对人类牙齿发育过程中所存在的信号通路研究极少。
