FAM20B催化的蛋白聚糖调控牙发育的机制研究

Hyperdontia is a disorder of odontogenesis characterized by the formation of supernumerary teeth, which usually results in malocclusion and pathologic complications. Its pathogenetic mechanisms have not been identified. Recent studies demonstrate that gain-of-function in WNT signaling is a major cause for supernumerary tooth formation. Proteoglycans are present on the cell surface and in the extracellular matrix, providing docking sites for signaling molecules, including WNT, via the glycosaminoglycan (GAG) chains. The exact role of these heavily glycosylated proteins in tooth development remains poorly understood. Our preliminary data show that inactivation of dental epithelial FAM20B, a newly identified xylose kinase essential for GAG assembly, leads to supernumerary teeth associated with the up-regulated WNT signaling. Further, we will utilize the Fam20B conditional knockout mice and perform experiments both in vitro and in vivo to investigate the molecular mechanisms underlying the phenotype. We will test a novel hypothesis that GAGs on certain FAM20B-catalyzed proteoglycans control tooth number via negative regulation on WNT signaling, and the responsible proteoglycans will be identified. Completion of this study will advance our understanding of the molecular mechanisms underlying supernumerary tooth formation and help in laying the groundwork for tooth regeneration and intervention in the tooth number.

多生牙是牙齿数目增多的发育异常，可导致牙颌畸形、组织损伤等危害，其病因机制尚未明确。研究表明多生牙的发生与WNT信号过度激活密切相关。蛋白聚糖位于细胞表面及胞外基质，可通过糖胺聚糖（GAG）侧链与WNT等信号分子结合调节信号转导，目前关于其在牙发育中的重要作用及机制尚不清楚。我们发现，失活小鼠牙胚上皮中对于GAG合成具有关键作用的激酶FAM20B，导致多生牙出现，并伴有WNT信号上调。因此，本项目以FAM20B为切入点，拟利用上皮组织特异性Fam20B基因敲除小鼠，研究其多生牙的发生机制，结合体内、体外实验，从多个层次角度验证科学假说——FAM20B所催化的蛋白聚糖通过GAG侧链负性调节WNT信号进而参与控制牙齿生长数目，并探究该调控过程中的蛋白聚糖类别，以进一步阐明牙发生发育机理，深化对多生牙形成分子机制的认识，为实现牙齿再生以及探索干预牙齿数目的方法提供新的理论基础。

阐明牙齿发生发育分子机制是实现牙再生及揭示牙发育异常发生机制的关键科学基础。以往关于牙发育机制的研究，主要集中于各信号通路对牙齿发育的调控作用，对于细胞外成分如何调节分泌性信号分子进而影响牙发育的研究甚少。蛋白聚糖位于细胞表面及胞外基质，可与信号分子及其受体相互作用，其在牙发育过程中的重要作用机制尚不清楚。FAM20B是对于蛋白聚糖的糖胺聚糖（GAG）链的合成具有关键作用的磷酸化酶。本课题以FAM20B为切入点，结合前期研究基础，利用上皮特异性Fam20B基因敲除（Fam20B-cKO）小鼠，通过体内外实验研究其多生牙的发生机制，以期揭示FAM20B及蛋白聚糖对于调控牙齿生长数目的作用及机制。本项目研究发现：小鼠牙胚上皮表达多种与细胞-细胞、细胞-基质间信号转导相关的蛋白聚糖；小鼠牙胚上皮组织Fam20B基因的失活导致FAM20B所催化的蛋白聚糖GAG侧链合成减少；Fam20B-cKO小鼠多生牙发生区域出现WNT通路转录因子LEF1表达上调以及WNT信号的异位活化，WNT抑制剂Wise的表达显著降低，且WNT通路抑制剂（Wnt-C59及DKK1）的干预可逆转Fam20B-cKO小鼠的多生牙表型。体外实验筛选验证蛋白聚糖Glypican3的GAG侧链可负调控WNT信号，提示FAM20B所催化的蛋白聚糖（如Glypican3）可能通过GAG侧链调节WNT信号进而影响牙齿数目。本课题的深入研究将有助于丰富对牙发生分子机制的认识，为实现牙齿再生以及探索干预牙齿数目的方法提供新的理论基础。