非综合征型先天缺牙发病机制的研究进展
张凤, 欧阳少波, 廖岚
南昌大学附属口腔医院修复二科,江西省口腔生物医学重点实验室 南昌 330006
[通信作者] 廖岚,主任医师,博士,Email:liaolan5106@163.com

[作者简介] 张凤,硕士,Email:276364721@qq.com

摘要

牙先天性缺失是牙齿在发育过程中常见的数目发育异常,其中非综合征型先天缺牙指牙齿发育过程中不伴有其他全身系统性综合征的牙先天性缺失。以往侧重研究与非综合征型先天缺牙有关的基因,而对于其发病的机制研究甚少,本文就近年来关于非综合征型先天缺牙发病机制的研究状况作一综述。

关键词: 非综合征型先天缺牙; 基因; 发病机制
中图分类号:R78    文献标志码:A      
Research progress on the pathogenesis of non-syndromic tooth agenesis
Zhang Feng, Ouyang Shaobo, Liao Lan
Dept. of Prosthodontics 2, the Affiliated Stomatological Hospital of Nanchang University; the Key Laboratory of Oral Biomedicine of Jiangxi Province, Nanchang 330006, China
Abstract

Tooth agenesis is a common phenomenon of tooth number abnormity. Non-syndromic tooth agenesis is the tooth development process without other systemic syndromes of tooth agenesis. Previous studies mainly focused on the genes. However, the pathogenesis of non-syndromic tooth agenesis is few and scattered. This article provides a summary regarding the pathogenesis of non-syndromic tooth agenesis.

Keyword: non-syndromic tooth agenesis; genes; pathogenesis

非综合征型先天缺牙是指牙齿发育过程中由于先天不足引起的不伴有其他全身系统性综合征的牙先天性缺失, 也称为单纯性牙缺失。缺牙数目可为一颗、几颗, 甚至全口缺失。

1 临床症状及危害

非综合征型先天缺牙临床表现一般累及恒牙列, 极少累及乳牙列, 第三磨牙最常缺失, 其他牙缺失数目不等[1]。缺牙存在明显的种族差异, 除第三磨牙外, 亚洲人群中最常见的缺失牙位为下颌切牙[2], 欧美洲人种最常见的为下颌第二前磨牙和上颌侧切牙[3]。牙缺失后咀嚼效率随之降低甚至丧失, 增加胃肠系统负担, 降低生活质量, 同时影响美观及心理健康。

2 发病因素

非综合征型先天缺牙具有明显遗传异质性, 其遗传方式涉及常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传和X染色体连锁遗传, 可为散发性或家族性[4]。遗传学和分子生物学研究进展表明, 有超过300个基因参与牙齿发育的不同阶段。轴抑制蛋白基因2(axis inhibitor-2, AXIN2)、肌节同源盒基因1(muscle segment homeohox gene-1, MSX1)、成对盒基因9(paired box gene-9, PAX9)等基因已证实与非综合征型先天缺牙有关[5], 近年来提出的WNT10A基因, 则可能是恒牙先天性缺失的主要候选基因之一[6]。影响牙发育的众多基因构成了一个复杂的网络调控系统, 控制牙的整个发育过程[7]。然而, 以上基因的突变在患者中的检出率并不高, 这可能是由于非综合征型先天缺牙可能是由多基因多因素共同调节控制的[8]

先天性缺牙的发生不仅与遗传有关, 环境和后天因素也对其起到重要的作用。物理、化学、生物因素均会影响牙发育, 此外, 牙胚发育期间的外伤、骨折、手术等环境因素还可能终止或影响牙的发生。

3 发病机制

部分学者[9]认为, 牙发育障碍并非只有一个关键的主效应基因起作用, 而是存在若干个功能可以相互补偿或者拮抗的微效应基因, 对于先天缺牙发病机制最好的解释就是多基因、多因素的病因模式。

3.1 上皮细胞和间充质细胞的相互作用

牙胚是由成釉器、牙乳头、牙囊3部分组成的, 成釉器起源于口腔外胚层, 形成釉质; 牙乳头起源于外胚间叶, 形成牙髓和牙本质。上皮细胞来源的信号分子与颅神经嵴起源的牙源性间充质中特定的转录调节分子发生特异性相互作用, 构成一个复杂的相互调节网络, 决定着牙的数目、形态和部位的发生[10]

Ogawa等[11]研究表明, PAX9基因和MSX1基因编码的转录因子在牙形成和发育过程中的上皮细胞和间充质细胞的相互作用中起着重要作用。调控基因PAX9, 不仅能直接调控MSX1的表达, 并且与MSX1基因在蛋白质水平上相互作用, 在牙发育过程中活化MSX1, 使骨形成蛋白4作为形态生成信号, 在口腔颌面部发育的不同时期调控上皮与间充质间的相互作用[12]。PAX9基因和MSX1基因在间充质细胞表达中的这一重要协作关系, 在牙蕾状期以后的进一步发育中起着相当重要的作用。影响牙胚形成基因之间的相互作用, 调控着上皮细胞和间充质细胞基因的正常表达, 从而促进了牙胚的正常发育。

3.2 信号转导通路

在细胞中, 各种信号转导分子间相互识别、相互作用, 将信号进行转换和传递, 构成信号转导通路。当外界环境发生变化时, 机体通过复杂的信号传递系统来传递信息, 从而调控机体活动。许多的Wnt信号分子参与牙发育, 其表达与否均会影响牙发育。Wnt信号转导系统在组织发育和肿瘤发生过程中起重要作用, 其在生物进化过程中具有高度保守性, 并在颅面部发育过程中发挥重要作用[13]

Wnt/β -连环蛋白信号通路在牙发育中扮演着重要的角色[14], 许多Wnt通路及其介质广泛表达于牙胚的发育中, 牙胚发育中的各种异常均与β -连环蛋白的退化和Wnt信号通路的抑制有关。当缺乏Wnt刺激时, 细胞质中的β -连环蛋白与一种由腺瘤息肉病大肠杆菌、中轴抑制蛋白、糖原合成酶激酶3β 和酪蛋白激酶Ⅰ 形成的蛋白复合体(破坏性复合体)存在一定的关系。在糖原合成酶激酶3β 和酪蛋白激酶Ⅰ 连续的磷酸化作用下, β -连环蛋白泛素化并且发生退化, 从而导致Wnt靶基因转录失败。当绑定一个Wnt受体在配体中时, 它将和低密度脂蛋白相关蛋白5/6共同受体激活细胞内散乱的蛋白质, 从而抑制并破坏细胞质中β -连环蛋白的稳定。由此, β -连环蛋白的积累并进入细胞核, 激活了Wnt靶基因的转录[15]。β -连环蛋白在牙发育中起着双重作用, 它不仅涉及Wnt信号, 而且调控着细胞间的附着[16]

在牙胚发育的早期时, 若Wnt经典通路中的信号分子被敲除, 如淋巴增强因子1(lymphatic enhancement factor 1, LEF1)和β -连环蛋白, 牙胚发育则停滞于蕾状期, 说明经典Wnt信号通路在牙胚发育启动时就起着重要的作用。另外, LEF1或者Wnt通路抑制因子1的异位表达可阻止Wnt信号通路, 从而使牙发育阻断在蕾状期和牙胚期[17, 18]。林敏魁等[19]还发现, AXIN2表达于帽状期牙胚的釉结节中, 这说明此时经典Wnt信号通路己经开始在牙胚形态发生中起作用。

3.3 蛋白功能受到影响

牙胚的形成是基因表达的结果, 生物体内的各种功能蛋白、酶都有其对应的结构基因编码。当体内的各种蛋白功能发生障碍时, 牙发育也会出现障碍。

Gerits等[20]发现, PAX9基因和MSX1基因突变能导致其编码蛋白空间结构改变, 通过影响其热稳定性和(或)三维折叠, 扰乱编码蛋白的正常功能活动, 并改变了其DNA结合能力以及与其他转录因子的相互作用, 从而导致牙发育障碍。PAX9基因外显子上产生错义突变, 改变了编码的氨基酸。使编码的氨基酸由丙氨酸变为脯氨酸。它破坏蛋白质α 螺旋结构, 可使PAX9蛋白的正常结构遭到破坏, 导致有效蛋白质数量减少, 还可能使其合成的蛋白质部分或完全失活, 靶基因的表达量减少, 从而引起先天性缺牙[21]。错义突变也有可能使其编码的蛋白部分或完全失活, 结果产生异常蛋白质或酶, 从而不完全抑制了催化反应。如果由于基因错义突变置换了酶活性中心的氨基酸, 进而将合成没有活性的酶或蛋白, 甚至产生可与正常蛋白发生交叉反应的抗体, 使这些蛋白质不能正常行使功能, 最终使牙发育受到障碍[22]

Mensah等[23]的研究也提示, 突变的蛋白质失去了和靶DNA的结合能力及转录激活功能。Wang等[24]进一步证实了, 非综合征型先天缺牙患者的PAX9基因突变蛋白结合DNA的水平比正常蛋白低很多, 而且牙发育不全的严重程度和PAX9基因突变蛋白的DNA结合能力有关。

3.4 DNA甲基化

DNA甲基化是DNA修饰的途径之一, 大量研究表明DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变, 从而控制基因表达。

DNA甲基化和组蛋白修饰是最常见的表观遗传改变的类型[25], 通过细胞的空间排列和信号间的相互作用, DNA甲基化影响特定胚胎生长发育基因的表达、细胞分化[26]。有研究[12]发现, 组蛋白脱甲基酶可以控制牙干细胞的分化。在牙矿化反应中, 组蛋白H3第27位赖氨酸上的三甲基化会抑制牙本质涎磷蛋白和牙本质基质蛋白1基因的表达, 而且这一基因的表达是发生在牙囊细胞而不是牙髓细胞, 表明表观遗传的调节机制在牙源性的神经嵴系的成体终末分化中扮演着重要的角色[27]。此外, 赖氨酸脱甲基酶(lysine demethylase, KDM)6B可促进牙间充质干细胞的牙源性分化[28]。Yin等[29]报道, 在中国人群中外胚叶发育不良基因(ecto-dermal dysplasia, EDA)启动子的甲基化状态与X连锁少汗型外胚层发育不良有着密切关系。

甲基化差异表达与牙发育不全和非综合征型先天缺牙有关。Wang等[30]研究发现, 多个基因和表观遗传之间的相互影响可能是牙发育不全的一个重要原因, 非综合征型先天缺牙患者的甲基化水平比正常人更高。

3.5 单核苷酸多态性

单核苷酸多态性(single nucleotide polymor-phisms, SNP)是指在基因组上单个核苷酸的变异形成的遗传标记, 其数量很多, 多态性丰富。

牙发育基因SNP位点的突变可以引起牙先天缺失。Bergendal等[31]和Marvin等[32]在综合征和非综合征型先天牙缺失患者中发现了AXIN2基因的无义突变和错义突变。Liu等[33]研究表明, 牙发育相关基因的SNP可能与先天性牙缺失有关。王升威等[8]通过对中国人群中单纯性多数牙缺失患者的AXIN2基因3个SNP位点(rs2240308、rs1453- 53986、x139209450)的检测和分析后发现, rs14- 5353986位点的SNP与先天牙缺失存在一定相关性, 提示该位点可能是中国人群先天牙缺失的一个危险因素。

4 结语

非综合征型先天缺牙在临床上是常见的, 现有的解决方法大部分是通过临床各种修复手段恢复缺失部分, 但效果并不理想, 如果能从发病机制上彻底预防、干预该疾病的发生将是一个重大突破。目前, 非综合征先天缺牙的发病机制复杂, 更深入、彻底的探索甚少, 研究透彻其发病机制仍需要遗传学、分子生物学、基因组学、循证医学、口腔基础医学等多领域共同协作完成。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Nieminen P. Genetic basis of tooth agenesis[J]. J Exp Zool B Mol Dev Evol, 2009, 312B(4): 320-342. [本文引用:1]
[2] 朱曚曚, 周家琳, 刘英奇, . 邯郸市1 895名大学生先天性缺牙的临床特征分析[J]. 现代口腔医学杂志, 2012, 26(4): 245-247.
Zhu MM, Zhou JL, Liu YQ, et al. An analysis of the clinical characteristics of congential oligodontia in permanent teeth with 1 895 college students in Hand an[J]. J Modern Stomatol, 2012, 26(4): 245-247. [本文引用:1]
[3] Behr M, Proff P, Leitzmann M, et al. Survey of congenitally missing teeth in orthodontic patients in Eastern Bavaria[J]. Eur J Orthod, 2011, 33(1): 32-36. [本文引用:1]
[4] 叶年嵩, 王晟, 赖文莉. 非综合征性先天缺牙相关基因的研究进展[J]. 国际口腔医学杂志, 2011, 38(4): 416-418, 422.
Ye NS, Wang S, Lai WL. Research progress on gene involved in non-syndromic tooth agenesis[J]. Int J Stomatol, 2011, 38(4): 416-418, 422. [本文引用:1]
[5] Galluccio G, Castellano M, La Monaca C. Genetic basis of non-syndromic anomalies of human tooth number[J]. Arch Oral Biol, 2012, 57(7): 918-930. [本文引用:1]
[6] Abdalla EM, Mostowska A, Jagodziński PP, et al. A novel WNT10mutation causes non-syndromic hypodontia in an Egyptian family[J]. Arch Oral Biol, 2014, 59(7): 722-728. [本文引用:1]
[7] Paixão-Côrtes VR, Braga T, Salzano FM, et al. PAX9 and MSX1 transcription factor genes in non-syndromic dental agenesis[J]. Arch Oral Biol, 2011, 56(4): 337-344. [本文引用:1]
[8] 王升威, 刘浩辰, 李玥, . AXIN2基因单核苷酸多态性与多数牙缺失的相关性研究[J]. 北京大学学报(医学版), 2014, 46(2): 269-273.
Wang SW, Liu HC, Li Y, et al. Association between AXIN2 polymorphism and oligodontia[J]. J Peking Univ (Health Sci), 2014, 46(2): 269-273. [本文引用:2]
[9] 冯海兰. 先天性缺牙的口腔修复治疗Ⅰ. 先天性缺牙的分类、发病率及病因[J]. 中华口腔医学杂志, 2011, 46(1): 54-57.
Feng HL. Prosthodontic treatment of congenital tooth agenesis Ⅰ. the classicfication, prevalence and etiology of congenital tooth agenesis[J]. Chin J Sto-matol, 2011, 46(1): 54-57. [本文引用:1]
[10] Lézot F, Descroix V, Mesbah M, et al. Cross-talk between Msx/Dlx homeobox genes and vitamin D during tooth mineralization[J]. Connect Tissue Res, 2002, 43(2/3): 509-514. [本文引用:1]
[11] Ogawa T, Kapadia H, Feng JQ, et al. Functional consequences of interactions between Pax9 and Msx1 genes in normal and abnormal tooth develop-ment[J]. J Biol Chem, 2006, 281(27): 18363-18369. [本文引用:1]
[12] Brook AH. Multilevel complex interactions between genetic, epigenetic and environmental factors in the aetiology of anomalies of dental development[J]. Arch Oral Biol, 2009, 54(Suppl 1): S3-S17. [本文引用:2]
[13] Seidensticker MJ, Behrens J. Biochemical interactions in the wnt pathway[J]. Biochim Biophys Acta, 2000, 1495(2): 168-182. [本文引用:1]
[14] Cai J, Mutoh N, Shin JO, et al. Wnt5a plays a crucial role in determining tooth size during murine tooth development[J]. Cell Tissue Res, 2011, 345(3): 367-377. [本文引用:1]
[15] Mostowska A, Biedziak B, Zadurska M, et al. Nucleo-tide variants of genes encoding components of the Wnt signalling pathway and the risk of non-syndromic tooth agenesis[J]. Clin Genet, 2013, 84(5): 429-440. [本文引用:1]
[16] Nelson WJ. Regulation of cell-cell adhesion by the cadherin-catenin complex[J]. Biochem Soc Trans, 2008, 36(Pt 2): 149-155. [本文引用:1]
[17] Andl T, Reddy ST, Gaddapara T, et al. WNT signals are required for the initiation of hair follicle develop-ment[J]. Dev Cell, 2002, 2(5): 643-653. [本文引用:1]
[18] Sasaki T, Ito Y, Xu X, et al. LEF1 is a critical epithe-lial survival factor during tooth morphogenesis[J]. Dev Biol, 2005, 278(1): 130-143. [本文引用:1]
[19] 林敏魁, 王海亮, 闫福华. Axin2、Wnt5a以及Shh基因在小鼠磨牙胚帽状期中的表达[J]. 福建医科大学学报, 2010, 44(5): 328-331.
Lin MK, Wang HL, Yan FH. Expressions of axin2, wnt5a and shh at cap stage during development of mouse molar[J]. J Fujian Med Univers, 2010, 44(5): 328-331. [本文引用:1]
[20] Gerits A, Nieminen P, De Muynck S, et al. Exclusion of coding region mutations in MSX1, PAX9 and AXIN2 in eight patients with severe oligodontia phenotype[J]. Orthod Craniofac Res, 2006, 9(3): 129-136. [本文引用:1]
[21] 袁林天, 文玲英, 杨富生, . 2例多数牙先天缺失患儿及其父母的Pax9基因突变检测[J]. 牙体牙髓牙周病学杂志, 2004, 14(3): 137-140.
Yuan LT, Wen LY, Yang FS, et al. Analysis of mutation on Pax9 correlated with oligodontia[J]. Chin J Conserv Dent, 2004, 14(3): 137-140. [本文引用:1]
[22] 袁林天. 多数牙先天缺失致病相关基因PAX9、MSX1的研究[D]. 西安: 第四军医大学, 2004: 29-96.
Yuan LT. The study on pathogenic genes PAX9 and MSX1 related with oligodontia[D]. Xi’an: The Fourth Military Medical University, 2004: 29-96. [本文引用:1]
[23] Mensah JK, Ogawa T, Kapadia H, et al. Functional analysis of a mutation in PAX9 associated with fami- lial tooth agenesis in humans[J]. J Biol Chem, 2004, 279(7): 5924-5933. [本文引用:1]
[24] Wang Y, Wu H, Wu J, et al. Identification and func-tional analysis of two novel PAX9 mutations[J]. Cells Tissues Organs (Print), 2009, 189(1/2/3/4): 80-87. [本文引用:1]
[25] Barros SP, Offenbacher S. Epigenetics: connecting environment and genotype to phenotype and disease[J]. J Dent Res, 2009, 88(5): 400-408. [本文引用:1]
[26] Sen GL, Reuter JA, Webster DE, et al. DNMT1 main-tains progenitor function in self-renewing somatic tissue[J]. Nature, 2010, 463(7280): 563-567. [本文引用:1]
[27] Khan QE, Sehic A, Skalleberg N, et al. Expression of delta-like 1 homologue and insulin-like growth factor 2 through epigenetic regulation of the genes during development of mouse molar[J]. Eur J Oral Sci, 2012, 120(4): 292-302. [本文引用:1]
[28] Xu J, Yu B, Hong C, et al. KDM6B epigenetically regulates odontogenic differentiation of dental mesen-chymal stem cells[J]. Int J Oral Sci, 2013, 5(4): 200-205. [本文引用:1]
[29] Yin W, Ye X, Fan H, et al. Methylation state of the EDA gene promoter in Chinese X-linked hypohidrotic ectodermal dysplasia carriers[J]. PLoS One, 2013, 8(4): e62203. [本文引用:1]
[30] Wang J, Sun K, Shen Y, et al. DNA methylation is critical for tooth agenesis: implications for sporadic non-syndromic anodontia and hypodontia[J]. Sci Rep, 2016, 6: 19162. [本文引用:1]
[31] Bergendal B, Klar J, Stecksén-Blicks C, et al. Isolated oligodontia associated with mutations in EDARADD, AXIN2, MSX1, and PAX9 genes[J]. Am J Med Genet A, 2011, 155A(7): 1616-1622. [本文引用:1]
[32] Marvin ML, Mazzoni SM, Herron CM, et al. AXIN2- associated autosomal dominant ectodermal dysplasia and neoplastic syndrome[J]. Am J Med Genet A, 2011, 155A(4): 898-902. [本文引用:1]
[33] Liu H, Zhang J, Song S, et al. A case-control study of the association between tooth-development gene polymorphisms and non-syndromic hypodontia in the Chinese Han population[J]. Eur J Oral Sci, 2012, 120(5): 378-385. [本文引用:1]