BMPⅠ型受体ACVR1介导的BMP信号与WNT信号交互对牙本质形成作用的机理研究

The mechanisms of dentin formation is essential for elucidating the pathogenesis of dentin defects and related diseases, as well as in treatment of dentin diseases. BMP and WNT signaling are involved in tooth development. Our previous work confirmed that odontoblasts-specific Acvr1-null mice display dentin formation defect, accompanied by significantly reduced expression level of DKK1 and SOST, while expression level of ColI, BSP and Osterix raised, E-cadherin and CDC42 decreased. We speculate that cross talk between ACVR1 mediated BMP signaling and WNT signaling impeded odontoblasts polarization and differentiation. The purpose of this study is to investigate the role of ACVR1 in odontoblasts differentiation and dentin formation in tooth development. We will analysis tooth morphological phenotype, histological features and odontoblasts differentiation phenotype defects in odontoblasts-specific Acvr1-null mice by radiology, histology, in situ hybridization and Q-RT-PCR. Furthermore, we will investigate changes of BMP and WNT signaling pathways, and focus on the effects of cross talk between BMP and WNT signal pathways on odontoblasts differentiation, and finally clarify the underlying mechanisms of ACVR1 on regulate dentin formation. This study will provide etiological clues for dentin related diseases, and provide a theoretical basis for tooth regeneration.

牙本质形成机理对于阐明牙本质形成缺陷发病机制以及相关疾病治疗具有重要意义。已知BMP信号与WNT信号均参与牙发育，我们前期工作证实，特异性敲除成牙本质细胞BMPⅠ型受体Acvr1基因，发现有牙本质形成缺陷，同时伴有Dkk1和Sost表达降低，ColI、Sp7和Bsp表达上调，E-cadherin和Cdc42表达下调，推测ACVR1介导的BMP与WNT信号通路交互对话影响了成牙本质细胞分化和极化。本研究拟通过影像学、组织学、原位杂交和实时定量PCR等方法，检测Acvr1基因敲除小鼠牙形态、组织结构、成牙本质细胞分化等表型改变；采用细胞生物学和分子生物学等技术，观察BMP信号和WNT信号分子表达的改变，重点研究BMP和WNT信号通路交互对话同成牙本质细胞分化和功能关系，阐述ACVR1介导的BMP信号通路调控牙本质形成机理，为牙本质形成相关性疾病提供病因线索，为相疾病治疗和再生研究提供理论依据。

龋病、磨耗、外伤等各种原因导致的牙体硬组织破坏或缺失影响正常的咀嚼和发音等功能。牙本质作为牙体的主体部分，主要支持釉质和保护牙髓。因此，研究牙本质形成机理可为牙齿相关疾病防治、活髓保存和生物牙根的构建提供理论指导。BMP信号通路在成牙本质细胞（Odontoblasts，OD）分化中具有重要正向调控作用，而目前对于I型BMP受体ACVR1在OD分化中的作用少有研究。本项目通过构建Acvr1条件性基因敲除小鼠模型，研究ACVR1在小鼠OD分化和牙本质形成中的作用和机制。结果显示小鼠出生后（post-natal，PN）21天时，Acvr1缺失导致下颌短小且矿化度降低，牙本质形成不连续；与对照组相比，Acvr1敲除小鼠磨牙牙根短，髓腔增大，冠处牙本质厚度变薄，而前期牙本质增厚。在PN5和PN21时，Acvr1缺失致小鼠切牙中形成骨样牙本质。在磨牙中，Acvr1缺失致成骨相关基因骨涎蛋白(Bone Sialoprotein，Bsp)明显上调；免疫组化结果显示BSP蛋白在Acvr1缺失小鼠前期牙本质中呈显著阳性表达。切牙中，Acvr1缺失致成牙相关基因Dsp表达下调，成骨相关基因Bsp表达上调。通过研究成牙-成骨转化信号WNT通路，显示Acvr1敲除组切牙中WNT抑制剂Dkk1和Sost表达较对照组切牙下调，而敲除组磨牙Dkk1和Sost表达与对照组磨牙无差异。因此，ACVR1在小鼠切牙和磨牙牙本质形成中具有不同作用，具体表现为ACVR1促进小鼠磨牙牙本质形成而在小鼠切牙中抑制骨样牙本质形成。这提示WNT是ACVR1在切牙中调控间充质细胞抑制成骨向分化重要信号通路。此外，研究发现Acvr1缺失可导致OD丧失其定向分泌功能、无法形成规则的胶原纤维。通过对高尔基体染色发现OD极性发生变化，说明Acvr1在OD极性形成中具有重要作用。另外，在牙根发育早期，Acvr1缺失小鼠赫特威尔氏上皮根鞘（HERS）滞留，进而影响牙根发育，说明Acvr1在牙根发育中的也具有重要作用。综上，此研究表明Acvr1介导的BMP信号通路与WNT信号之间的交互对话影响了OD分化和极性形成，调控牙本质的形成，并通过影响HERS的清除调控牙根发育。