【专家笔谈】初级纤毛在颅颌面和牙发育中的调控作用及其机制

初级纤毛包括纤毛膜、轴丝和纤毛基质三部分（ 图1 ）。纤毛膜上有多种受体、离子通道和转运蛋白，有助于初级纤毛对信号的感知和传导^［ 3 ］。细胞膜和纤毛膜连接处凹陷呈囊状，称为“纤毛袋”^［ 3 ］。在初级纤毛形成时，母中心粒转变为基体^{［ 2 , 3 ］}。初级纤毛的轴丝微管从基体延伸，内部形成9组圆形排列的二联体微管，呈经典的“9+0”结构^［ 3 ］。从基体到二联体微管的转换区域称为过渡区，过渡区有“Y”型纤维连接二联体微管和纤毛膜，还有对筛选进出纤毛的物质十分重要的过渡纤维^［ 3 ］。一种称为纤毛内运输（intraflagellar transport，IFT）的马达驱动运输系统负责组装纤毛及运输功能蛋白质^{［ 2 , 3 ， 17 ］}。IFT过程依赖的IFT复合体分为IFT-A和IFT-B^{［ 2 , 3 ， 17 , 18 ］}。其中，IFT-A由6种蛋白质组成，包括IFT43、121、122、139、140、144 ^{［ 18 , 19 ］}，IFT-B由16种IFT蛋白质组成，包括位于核心的IFT22、25、27、46、52、56、70、74、81、88和位于外围的IFT20、38、54、57、80、172^{［ 18 , 19 ］}。IFT-A与动力蛋白-Ⅱ（dynein-Ⅱ）联合介导纤毛基底到纤毛顶的逆向运输，IFT-B与驱动蛋白-Ⅱ（kinesin-Ⅱ）联合介导纤毛顶到纤毛基底的顺向运输^{［ 2 , 3 ， 17 , 18 ］}（ 图1 ）。

图1  初级纤毛的结构与信号转运示意图

初级纤毛是细胞的信号枢纽^{［ 2 , 3 ］}，与刺猬因子（Hedgehog，HH）、经典/非经典Wnt、Notch、血小板衍生生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）、转化生长因子-β、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）以及Hippo信号通路等密切关联，对胚胎发育和维持组织稳态等至关重要^{［ 2 ， 20 ］}。

颅颌面发育与初级纤毛密切相关（ 图2 ）。颅神经嵴细胞是面部大部分骨骼、软骨和牙齿的祖细胞，其迁移到发育中的面部突起是颅颌面形成的关键^［ 21 ］。颅颌面发育异常主要是由于颅神经嵴细胞在生成和迁移到面部突起或在其随后的生成和分化中存在缺陷而引起^［ 22 ］。有研究表明，在胚胎发育期间，神经嵴细胞、神经外胚层和表面外胚层中初级纤毛或纤毛蛋白的缺失可导致细胞增殖、分化和凋亡的异常，从而导致颅颌面发育缺陷^［ 16 ］。

图2 初级纤毛信号通路影响颅颌面发育示意图

1. 颅颌面发育过程中初级纤毛关键基因的作用：研究显示，产前乙醇暴露与初级纤毛相互作用可能导致“短暂性纤毛病”，从而引起颅颌面中线发育不良^［ 23 ］。初级纤毛形成所必需的卷曲螺旋结构域蛋白32（coiled-coil domain containing 32，CCDC32）突变也可导致颅颌面畸形^［ 24 ］。Schock等^［ 25 ］发现不同的初级纤毛基因组织特异性敲除会产生独特的颅颌面表型，初级纤毛和纤毛各基因有特定的时空作用。下文介绍一些在颅颌面发育过程中有影响的初级纤毛相关基因，这些基因可编码维持初级纤毛结构或功能所必需的蛋白质，因此其表达异常引发纤毛病，最终导致颅颌面畸形。

（1）IFT88：IFT88是IFT-B的组成分子之一，参与纤毛的顺向运输^{［ 18 , 19 ］}，是导致人类口面裂的主要候选基因之一^［ 26 ］。IFT88在颅颌面发育中起主要作用，IFT88突变小鼠表现出腭裂、多生牙和颅颌面中线发育不良等颅颌面畸形^［ 20 ］。

（2）IFT20：IFT20也是IFT-B的组成分子之一。小鼠IFT20神经嵴特异性敲除后，损害纤毛生成和胶原的细胞内运输，导致面部区域骨质减少，从而引起颅颌面畸形^{［ 27 , 28 ］}。另外，有研究显示髁突软骨中IFT20缺失可能损害初级纤毛发生，减少软骨细胞增殖并降低高尔基体大小^［ 29 ］。

（3）EVC和EVC2：EVC和EVC2是纤毛病埃利伟综合征（Ellis-van Creveld syndrome，EVC）的两个致病基因，其编码的蛋白质在初级纤毛的基体形成一种蛋白复合物，在纤毛定位和转导HH信号中相互需要^{［ 30 , 31 ］}。Kwon等^［ 30 ］发现EVC2缺失可导致颅颌面发育不良。

（4）跨膜蛋白107（transfilm protein107，TMEM107）：TMEM107定位于初级纤毛，并富集于过渡区。Cela等^［ 32 ］研究显示TMEM107基因敲除小鼠的纤毛形态破坏，导致颅颌面发育缺陷。

（5）巴尔得-别德尔综合征（Bardet-Biedl syndrome，BBS）蛋白：BBS在功能上被视为转运蛋白，在初级纤毛中起作用，携带多个膜性受体进出初级纤毛^{［ 33 , 34 , 35 , 36 ］}。Tobin等^［ 37 ］发现BBS蛋白是神经嵴细胞迁移所必需的，BBS突变可导致SHH依赖性颅颌面缺损。

（6）跨膜前后转化1（transmembrane anterior posterior transformation 1，TAPT1）：TAPT1基因编码TAPT1蛋白，Symoens等^［ 38 ］发现野生型TAPT1定位于中心体和（或）纤毛基体，而缺陷型TAPT1错误定位于细胞质，破坏高尔基形态和运输以及正常的初级纤毛形成，研究显示斑马鱼TAPT1b敲降模型有严重的颅颌面软骨畸形和延迟骨化，并且这种变化已被证明与颅神经嵴细胞的异常分化有关。

（7）多囊蛋白2（polycystin2，PC2）：PC2是由多囊肾病2（polycystic kidney disease 2，PKD2）基因编码的一种跨膜蛋白，主要位于初级纤毛中^［ 39 ］。Khonsari等^［ 39 ］发现PKD2突变体有许多机械损伤迹象，如磨牙牙根断裂、切牙变形以及颅骨形状异常等，但当头部在子宫中未受到明显的机械压力时，突变体则不表现出这些表型，表明PKD2可能作为机械感受器在颅颌面生长中发挥作用。

2. 初级纤毛介导颅颌面发育的关键信号通路：在颅颌面发育过程中，初级纤毛参与神经外胚层、表面外胚层和颅神经嵴细胞之间的信号传递^［ 3 ］。在颅颌面发育的成骨和成软骨过程中，初级纤毛也是信号传递的必要载体^［ 18 ］。初级纤毛信号通路十分复杂，并非单独起作用，不同的通路之间存在相互影响^{［ 2 ， 17 ， 40 , 41 ］}。

（1）HH信号通路：目前已发现3种哺乳动物同源基因，包括音猬因子（sonic Hedgehog，SHH）、印度刺猬因子（Indian Hedgehog，IHH）和沙漠刺猬因子（desert Hedgehog，DHH）^［ 40 ］。其中，SHH表达于肢芽的极化活动区和神经管的脊索和底板，需通过初级纤毛进行传导^{［ 5 ， 40 ］}，可调控颅神经嵴细胞的存活和增殖等^［ 3 ］。Niida等^［ 40 ］认为SHH活性增加与大头畸形、面中部发育过度相关，活性降低则与小头畸形、面中部发育不全相关。IHH调节骨骼和软骨发育，与SHH功能有部分类似；DHH表达主要限于性腺，包括睾丸支持细胞和卵巢颗粒细胞^［ 40 ］。

初级纤毛介导的HH信号通路在颅颌面发育过程中十分重要。Abrams和Reiter^［ 4 ］发现初级纤毛HH信号介导了脊索前板和神经外胚层之间的交互作用，为面部中线发育提供支持。Suzuki等^［ 42 ］研究显示，在7-脱氢胆固醇还原酶（7-dehydrocholesterol reductase，DHCR7）、胰岛素诱导基因（insulin induced gene，INSIG）1、INSIG2突变的成骨细胞中，初级纤毛的数量和长度发生改变，结果依赖于初级纤毛的HH信号通路活性改变，干扰了颅颌面发育。Shin等^［ 43 ］建立了肠道细胞激酶突变小鼠模型，发现小鼠发育的腭部初级纤毛异常增长，引起SHH信号通路转导异常，导致腭部发育缺陷。驱动蛋白家族成员3a（kinesin family member 3a，KIF3a）是驱动蛋白-Ⅱ的组成单位，参与和IFT-B合作的逆向运输。Brugmann等^［ 44 ］在小鼠和鸟类等实验动物的颅神经嵴细胞内条件敲除KIF3a，结果初级纤毛丧失，HH信号活性扩大，表型为面中部过度发育。

（2）Wnt信号通路：Wnt信号对颅颌面的发育至关重要^［ 45 ］。初级纤毛是一种整合HH和Wnt信号的细胞器，Wnt信号过高和HH信号过低是纤毛病颅颌面发育缺陷的常见分子机制^［ 46 ］。在神经嵴细胞间充质中，Wnt促进细胞增殖，从而促进面突的生长，Wnt在面部上皮细胞中的表达对面突的融合至关重要^［ 47 ］。Yuan等^［ 46 ］研究发现KIF3a缺失导致颅神经嵴细胞对HH信号无反应，对Wnt信号反应过度。虽然Wnt信号通路与初级纤毛的关系存在争议，但目前初级纤毛与Wnt信号有关仍是主导观点^{［ 1 ， 17 ， 47 , 48 ］}，研究结果不同的原因可能在于敲除的纤毛有关基因不同，Wnt的纤毛内通路并不依赖于所有的纤毛分子。

（3）PDGF通路：在颅颌面发育过程中，PDGF受体α（PDGF receptor α，PDGFRα）表达与神经嵴细胞和基板发育相关，PDGF通路中断对颅颌面发育有严重影响^［ 47 ］。目前已有研究发现PDGFRα存在于成骨细胞的初级纤毛表面^{［ 41 ， 49 ］}，初级纤毛在调节PDGFRα信号通路中发挥重要作用^［ 49 ］。Zaghloul和Brugmann^［ 47 ］推测初级纤毛缺陷可能干扰PDGF通路，导致颅颌面缺陷。Noda等^［ 27 ］研究证实IFT20破坏可降低PDGFRα的产生，抑制PDGF-Akt信号，导致成骨细胞增殖减少以及凋亡增加，从而影响颅颌面发育。

（4）Notch信号通路：Notch信号通路在初级纤毛中启动^［ 41 ］，在多个组织发育过程中调节细胞增殖和分化^［ 50 ］。Notch信号对控制咽外胚层细胞的分化至关重要，Notch信号突变体中咽弓发育异常^［ 50 ］。有学者推测颅颌面缝内排列良好的细胞层次在一定程度上是由Notch信号介导的^［ 41 ］。

（5）Hippo信号通路：Hippo信号通路的转导需通过定位于纤毛基体的蛋白^［ 17 ］，在组织发育、维持稳态、再生以及肿瘤发生中发挥作用^{［ 51 , 52 , 53 , 54 ］}。Hippo通路对颅颌面发育和骨重塑有重要影响，但Hippo通路与其他通路之间复杂的交叉关系尚未完全明确^{［ 52 ， 55 ］}。

（6）mTOR信号通路：mTOR信号通路通过初级纤毛发挥作用^［ 17 ］，通过感知各种环境变化调节细胞生长、发育、存活等^{［ 56 , 57 , 58 ］}。mTOR复合体1介导的mTOR在颅神经嵴细胞发育的多个过程必不可少，包括颅颌面形态发生和器官发生期间细胞的增殖、存活和分化 ^［ 56 ］。

综上，初级纤毛作为多个信号通路转导的中枢，当纤毛结构或功能异常时，常表现为伴有颅颌面缺陷的纤毛病，因此研究纤毛介导的信号通路对颅颌面发育的影响有重要意义。

初级纤毛存在于牙齿发育的各个阶段^［ 14 ］。脊椎动物牙齿的发育是口腔上皮和间充质相互作用的结果^［ 59 ］。初级纤毛可协调牙齿发生的几个重要的信号通路^［ 14 ］。

笔者课题组前期发现初级纤毛关键基因IFT140在牙齿发育中发挥重要作用，成牙细胞IFT140敲除小鼠表现出磨牙根短、牙本质薄、修复牙本质形成缓慢，进一步研究发现，成牙细胞中IFT140的缺失可破坏初级纤毛的形成和SHH信号转导，导致成牙细胞分化受损和牙本质沉积中断^［ 60 ］。Jiang等^［ 61 ］在人牙囊细胞（human dental follicle cells，HDFC）和人牙髓细胞（human dental pulp cells，HDPC）中敲除KIF3a，结果显示初级纤毛丢失，HDFC和HDPC中碱性磷酸酶、runt相关转录因子2、牙本质基质蛋白1和牙本质涎磷蛋白等成牙分化相关标志物的表达均受损。Yuan等^{［ 62 , 63 ］}发现在牙髓干细胞（dental pulp stem cell，DPSC）中敲除IFT80通过干扰纤毛形成、抑制FGF受体表达、FGF信号、HH信号及其串扰从而抑制成牙分化，另外还发现初级纤毛在牙发育过程中促进成牙细胞极化，这是牙本质管状结构形成的基础，此外，在成牙细胞中敲除IFT80的小鼠表现出颈环DPSC增殖减少，磨牙根发育受损，磨牙根变短，牙本质矿化减少，切牙萌出迟缓。Hampl等^［ 14 ］通过对现有的研究总结表明初级纤毛缺陷可干扰牙发育过程中的信号通路，进而导致各种牙发育缺陷，包括多生牙、先天性缺牙、牙釉质或牙本质发育不良以及牙列拥挤等。

初级纤毛不仅在牙体发育中发挥作用，还在牙周稳态中发挥作用。有研究发现咬合力通过调节BBS7的表达以介导SHH信号通路的活性，调节细胞迁移以实现牙周膜稳态，但目前的研究还不清楚BBS家族基因与咬合力的关系^［ 64 ］。

初级纤毛在牙发育中的信号转导具有十分重要的作用。目前，牙再生是口腔领域的研究热点。我们能否通过调控初级纤毛促进牙修复再生是未来的重要研究方向。