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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 人類牙齒早期發(fā)育中WNT信號(hào)通路關(guān)鍵基因的表達(dá)檢測(cè)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 人類牙齒的再生是一項(xiàng)極具應(yīng)用前景、市場(chǎng)價(jià)值和社會(huì)效益的研究工作。牙齒再生技術(shù)的建立首先必需研究牙齒發(fā)育的機(jī)制問(wèn)題。本作品通過(guò)檢測(cè)Wnt信號(hào)通路關(guān)鍵基因WNT5a、LRP5、SOSTDC1、FZD4、LEF1在人類牙齒發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)情況，為Wnt信號(hào)通路積累相關(guān)的數(shù)據(jù)，為更好地了解潛藏在牙齒發(fā)育過(guò)程中的分子機(jī)理，在基因水平上掌握牙齒發(fā)育的過(guò)程,為將來(lái)實(shí)現(xiàn)人類牙齒再生提供了良好的參照。其研究結(jié)果對(duì)了解其他器官發(fā)育的分子機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 人牙齒早期發(fā)育的形態(tài)發(fā)生過(guò)程和小鼠的非常相似，也包括牙板期、蕾狀期、帽狀期和鐘狀期。在胚胎發(fā)育的5至6周，人乳牙牙胚即開(kāi)始發(fā)育，在牙齒發(fā)生的預(yù)定部位開(kāi)始出現(xiàn)上皮增厚，與小白鼠的E11.5出現(xiàn)的形態(tài)相似，此時(shí)為牙板期。7至8周時(shí)，增厚的牙上皮不斷分裂并向其下方的牙間充質(zhì)組織入侵內(nèi)陷，形成蕾狀的結(jié)構(gòu)，此時(shí)為蕾狀期。9至10周牙蕾分化形成帽狀, 此時(shí)為帽狀期，11至12周以后為鐘狀期。妊娠8周人乳牙牙蕾上皮向舌側(cè)或頰側(cè)突出一個(gè)上皮分支。這個(gè)上皮分支作為未來(lái)恒牙的牙蕾上皮，誘導(dǎo)其下的間充質(zhì)形成恒牙牙胚，恒牙牙胚會(huì)長(zhǎng)期停滯于鐘狀期，直到少兒時(shí)期的乳牙需要替換時(shí)才繼續(xù)發(fā)育（Zhang et al, 2005）。 哺乳動(dòng)物的牙齒源于上皮與間充質(zhì)之間的相互誘導(dǎo)作用，信號(hào) 因子在這個(gè)相互誘導(dǎo)中扮演了關(guān)鍵的角色。生長(zhǎng)因子是一種分泌性蛋白質(zhì)，由產(chǎn)生生長(zhǎng)因子的細(xì)胞分泌到胞外，通過(guò)與特異性受體的結(jié)合，作用于鄰近或自身的細(xì)胞，在細(xì)胞間傳遞著信息。與牙齒發(fā)育過(guò)程密切相關(guān)的生長(zhǎng)因子主要可以分為4類：骨形成發(fā)生蛋白（BMP），成纖維生長(zhǎng)因子（FGF），刺猬蛋白家族（Hhs）和WNT家族。 Wnt信號(hào)通路（signaling pathway）是公認(rèn)的在胚胎發(fā)育過(guò)程中對(duì)圖式形成和分化起指導(dǎo)作用的一種重要的信號(hào)系統(tǒng)。Wnt通路主要有2種信號(hào)傳導(dǎo)方式，一種方式是將信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞核內(nèi)部，激活特定目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄，稱之為經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路（canonical Wnt pathway）；另一種方式是將信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞質(zhì)中，激活細(xì)胞骨架系統(tǒng)的重組過(guò)程，使細(xì)胞極性化（如由立方細(xì)胞變成柱狀細(xì)胞），產(chǎn)生新的形態(tài)變化過(guò)程，稱之為平行極性的Wnt信號(hào)通路（planar polarity pathway）。目前認(rèn)為Wnt必須同時(shí)與LRP5/6和Frizzled結(jié)合，形成有功能的配基-受體復(fù)合物來(lái)激活經(jīng)典的Wnt-beta-catenin通路（Zorn，2001）。在模式動(dòng)物小鼠中的所有這些研究結(jié)果均表明Wnt信號(hào)通路在牙齒發(fā)育中的關(guān)鍵作用。 人類與小鼠的牙齒發(fā)育過(guò)程很可能不僅僅只是形態(tài)發(fā)生上相似，其內(nèi)在的分子誘導(dǎo)機(jī)制也可能存在著很高的相似性。本研究對(duì)Wnt信號(hào)通路中幾個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)分子在早期人磨牙牙胚中的表達(dá)模式進(jìn)行精確的定位和相對(duì)的定量分析，以期進(jìn)一步了解Wnt人類牙齒發(fā)育分化和形態(tài)建成中作用。對(duì)理解Wnt信號(hào)通路在人類其他器官中的作用也有普遍的意義。
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作品專業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 本研究利用基因芯片方法，分析了人牙齒分化的關(guān)鍵時(shí)期帽狀期牙胚的基因表達(dá)譜，并將其中的Wnt信號(hào)系統(tǒng)的組成分子的表達(dá)情況與小鼠中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者在表達(dá)模式是既有相似之處，也有明顯的差異。在此基礎(chǔ)上，利用原位雜交技術(shù)，對(duì)Wnt信號(hào)通路中幾個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)分子在早期人磨牙牙胚中的表達(dá)模式進(jìn)行精確的定位和相對(duì)的定量分析，以期進(jìn)一步了解Wnt信號(hào)通路在人類牙齒發(fā)育分化和形態(tài)建成中作用。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 牙齒發(fā)育是研究器官發(fā)育常用的研究模型之一。目前，對(duì)模式動(dòng)物小鼠牙齒器官發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制已經(jīng)相當(dāng)深入的了解，建立了調(diào)控牙齒發(fā)育的遺傳信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。但是，對(duì)人類自身牙齒發(fā)育調(diào)控機(jī)制所知甚少。本研究分析檢測(cè)了人牙胚帽狀期Wnt信號(hào)通路的表達(dá)譜并與小鼠的數(shù)據(jù)比較，為理解人牙齒早期發(fā)育的分子機(jī)理提供重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為人牙齒再生的研究提供理論依據(jù)，對(duì)理解人類其他器官的發(fā)育機(jī)制也有普遍的意義。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 在組織工程研究中，牙齒再生的研究已經(jīng)成為引人矚目的發(fā)展方向。理解人牙齒發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制，對(duì)發(fā)展該領(lǐng)域的研究至關(guān)重要。本研究對(duì)人類牙胚組織WNT信號(hào)通路的表達(dá)譜進(jìn)行分析和關(guān)鍵基因的原位雜交表達(dá)檢測(cè)，為更好地了解潛藏在牙齒發(fā)育過(guò)程中的分子機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)了解器官發(fā)育的分子機(jī)制具有普遍的意義，同時(shí)為人類牙齒再生以及其它器官再生提供了重要的基礎(chǔ)知識(shí)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 到目前為止，對(duì)模式動(dòng)物小鼠牙齒器官發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制已經(jīng)相當(dāng)深入的了解，初步建立了調(diào)控早期牙齒發(fā)育的遺傳信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。但是，對(duì)人類自身牙齒器官的發(fā)育調(diào)控機(jī)制所知甚少。本研究利用基因芯片分析人牙胚帽狀期的基因Wnt信號(hào)通路的表達(dá)譜并與小鼠的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)兩者之間既有相似之處，也存在明顯的差異。進(jìn)一步利用反義RNA原位雜交技術(shù)，取不同時(shí)期流產(chǎn)人胚，對(duì)Wnt信號(hào)通路中的關(guān)鍵分子WNT5a、LRP5、SOSTDC1、LEF1、FZD4基因等在牙齒早期發(fā)育過(guò)程的表達(dá)情況進(jìn)行檢測(cè)，為理解人牙齒早期發(fā)育的Wnt信號(hào)分子作用機(jī)理奠定基礎(chǔ)，為人牙齒再生的研究提供重要的理論依據(jù)。結(jié)果表明WNT5a、LRP5、SOSTDC1、LEF1、FZD4在人胚胎牙齒的蕾狀期、帽狀期、鐘狀期表達(dá)與模式動(dòng)物小鼠胚胎牙齒的表達(dá)具有相似性又存在一定的差異，Wnt信號(hào)在人類牙齒的早期發(fā)育中起重要的調(diào)控作用。
獲獎(jiǎng)情況
- 無(wú)
鑒定結(jié)果
參考文獻(xiàn)
- [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
同類課題研究水平概述
- 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)各種各樣的牙齒發(fā)育信號(hào)通路的研究一般都是以模式動(dòng)物小鼠為研究對(duì)象。已有的研究結(jié)果表明，Wnt信號(hào)通路是公認(rèn)的在胚胎發(fā)育過(guò)程中一種重要的信號(hào)系統(tǒng)。它與多種類型的組織和細(xì)胞的模式形成，增殖和分化是密切相關(guān)的。 Wnt通路主要有兩種信號(hào)傳導(dǎo)方式，一種方式是將信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞核內(nèi)部，激活特定目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄，稱之為經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路；另一種方式是將信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞質(zhì)中，激活細(xì)胞骨架系統(tǒng)的重組過(guò)程，使細(xì)胞極性化（如由立方細(xì)胞變成柱狀細(xì)胞），產(chǎn)生新的形態(tài)變化過(guò)程，稱之為平行極性的Wnt信號(hào)通路。在經(jīng)典的Wnt通路中，Wnt蛋白結(jié)合到Frizzled上，然后與輔助受體LRP5/6形成Wnt-Frizzled-LRP5/6復(fù)合體，將信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)從而激活Disheveled。細(xì)胞質(zhì)中的Disheveled一旦被激活就立即抑制了GSK-3的活性。GSK-3的活性被阻斷后，β-catenin將從APC蛋白上分離出來(lái)并進(jìn)入到細(xì)胞核中與TCF/LEF復(fù)合物形成異型二聚體（heterodimer）。該異型二聚體將結(jié)合到DNA上并激活目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。在平行極性的Wnt通路中，F(xiàn)rizzled將激活JNK（jun N-terminal kinase）并指導(dǎo)細(xì)胞骨架系統(tǒng)進(jìn)行非對(duì)稱的重新組合過(guò)程，協(xié)調(diào)上皮組織層中的細(xì)胞極性化過(guò)程，而導(dǎo)致新的形態(tài)發(fā)生。 在發(fā)育中的口腔和牙胚組織中已經(jīng)檢測(cè)到數(shù)種Wnt基因的表達(dá)。在E10.5當(dāng)牙齒發(fā)生部位和模式形成被決定時(shí)，Wnt7b在口腔中預(yù)定牙上皮以外的區(qū)域表達(dá)。從E11.5起Wnt10a和Wnt10b就開(kāi)始在磨牙和門(mén)牙的增厚的牙上皮中表達(dá)，這些表達(dá)將一直持續(xù)到蕾狀期。到了E14.5的帽狀期，這2個(gè)基因僅局限在釉節(jié)結(jié)（enamel knot）中表達(dá)。此外，Wnt-4，Wnt-6和另一種Wnt受體Fz-6都在牙上皮中表達(dá)。Wnt-5a，sFrp2和sFrp3的表達(dá)僅局限牙的間充質(zhì)中。已知Lef1是Wnt信號(hào)通路的關(guān)鍵組成成分，Lef1基因剔除小鼠的牙齒發(fā)育停滯在蕾狀期。這也進(jìn)一步說(shuō)明Wnt信號(hào)在正常牙齒發(fā)育中不可缺少的。如此眾多的Wnt配基及其受體和調(diào)控因子都在牙胚組織中表達(dá)，這表明Wnt信號(hào)在牙齒發(fā)育中的重要性。 WNT信號(hào)通路在模式動(dòng)物小鼠的牙齒發(fā)育過(guò)程起到很重要的作用。然而，對(duì)人類牙齒發(fā)育過(guò)程中所存在的信號(hào)通路研究極少。
