同源异型盒基因-1与非综合征型多数牙先天性缺失

作者：方静娴综述 宋光泰，叶晓茜审校    作者单位：武汉大学口腔医院儿童口腔科；口腔生物医学工程教育部重点实验室，武汉大学 湖北 武汉 430079     【摘要】  牙缺失是常见的颌面发育异常之一，在恒牙列中的发病率高达20%，而其表现程度也存在较大差异。在过去的数十年中，遗传连锁和分子生物学研究使得部分综合征和非综合征型牙缺失的基因突变得以定位。尽管作用机制尚未明了，但现已知其中所涉及的重要突变因子包括了编码转录因子的同源异型盒基因（msx）-1、双链复合蛋白基因（pax）-9和轴抑制基因（axin）-2。下面从近年来国内外有关先天性牙缺失的病例报告、致病基因分析以及分子生物学和生物化学等研究方面就msx-1基因与非综合征型牙缺失的关系进行综述。

    【关键词】  多数牙先天性缺失； 同源异型盒基因-1； 非综合征

    AMuscle segment homeobox gene-1 and non-syndromic hypodontia  FANG Jing-xian, SONG Guang-tai,YEXiao-qian. （Dept. of Pediatric Dentistry, College of Stomatology, Wuhan University, Wuhan 430079, China; Key Labo-ratory of Oral Biomedical Engineering of Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430079, China）

    [Abstract]  Tooth agenesis is the most common craniofacial malformation. Its prevalence in permanent dentition reaches 20% and its expressivity ranges from only one tooth, usually a third molar, to the whole dentition. Genetic linkage and molecular biology studies have allowed, in the last decade, the identification of mutations responsible for some patterns of syndromic and non-syndromic tooth agenesis. The molecular basis of the defect is not completely understood, despite identification of several mutations in muscle segment homeobox gene（msx）-1 and pax-9 genes that seem to be crucial for tooth agenesis, and mutations in the axin-2 gene that cause oligodontia together with a predisposition to colorectal cancer. The main purpose of this article was to summarize the clinical cases and laboratory tests of mutated msx-1 to find out its relationship with the non-syndromic congenital absent teeth, and to provide a reference for the future research of hypodontia.

    [Key words]  hypodontia； muscle segment homeobox gene-1； non-syndromic

    牙缺失是最常见的颌面发育异常表现之一，既可单独发生，也可作为综合征的口腔局部表现或作为综合征的伴发症状出现。单独发生的非综合征型牙发育不全呈散发性，可能通过孟德尔常染色体显、隐性遗传模式或性染色体连锁而传递，其外显率较高且不完整。目前的遗传连锁和分子生物学研究显示，非综合征型先天性牙缺失多与同源异型盒基因（muscle segment homeobox gene，msx）-1和双链复合蛋白基因pax-9突变相关。

    1  msx-1基因

    msx-1基因位于4号染色体短臂16.3～16.1，全长5 713 bp，属同源异型盒基因中的MSH家族成员之一。msx-1基因包含2个外显子，编码含297个氨基酸的蛋白质转录因子，涉及组织层间多条信号通路，在胚胎发育的多种组织中表达，在正常的颌面、四肢和外胚叶组织器官的形成中发挥重要的作用。

    msx-1基因包含一个高度保守的同源盒序列，该序列编码60个氨基酸长度的DNA结合域。Msx-1蛋白发挥基因转录抑制因子的作用，并与TATA结合蛋白（TATA binding protein，TBP）以及其他核心转录复合物、其他同源蛋白（包括DLX家族）相互作用。杂合小鼠msx-1基因缺失时表

    现为继发性腭裂、上下颌牙槽骨发育缺陷、切牙发育中止和蕾状期磨牙发育停止，同时在动物模型上还可出现鼻骨、面前部、顶骨和锤骨的发育异常。然而，这些表现在普通的杂合鼠体内却并未发现。

    2  msx-1基因突变与非综合征型先天性牙缺失

    2.1  msx-1基因突变所致先天性牙缺失的临床表现

    　　在msx-1基因突变的4个家系中均存在较为相似的牙发育不全模式，即缺失牙主要是前磨牙、第一磨牙和第三磨牙，口内存留的恒牙较相应牙位的正常恒牙近远中径小、牙根长度更短，且乳牙形态、大小和数目多不受累。统计学分析发现，相应牙位牙缺失发生率由高到低依次为下颌第二前磨牙、上颌第二前磨牙、上颌第一前磨牙和上颌侧切牙[1]。msx-1基因突变的另一显著特点是，患病个体牙缺失数目较多。这与pax-9基因突变所导致的牙缺失状况不同。

    2.2  非综合征型先天性牙缺失的msx-1基因突变

    1996年，Vastardis等[2]在研究一个严重多数牙先天性缺失的大家系后检测到msx-1基因的突变，并认为多数牙先天性缺失属于常染色体显性遗传。该无义突变（G587C）定位于同源盒序列，发生了Msx-1蛋白同源结构域31位精氨酸向脯氨酸的替换。而单倍体剂量不足效应在其中发挥作用的可能性很低，因为msx-1杂合小鼠并未发生颌面或是牙列的异常。

    2000年，van den Boogaard等[3]在1例面裂伴第三磨牙和第二前磨牙缺失的家系中发现msx-1基因出现颠换，同源结构域完全缺失，104位丝氨酸后蛋白表达终止。即msx-1作为候选基因之一，其突变可导致先天性牙缺失以及非综合征型唇、腭裂。2001年，Jumlongras等[4]发现Witkop综合征，即牙-指甲综合征患者的msx-1基因发生了C605A颠换，同源结构域的密码子202产生了中止密码子，导致其牙、指甲发育障碍。该基因突变后的蛋白产物缺乏同源结构域的部分结构，C端发生了折叠错误，使其不能结合至DNA。他们认为，msx-1基因很有可能是牙-甲综合征的致病基因之一。

    2002年，Lidral等[1]在82例先天性牙缺失家系患者体内发现msx-1基因发生T182A颠换，导致其基因产物的61位发生了甲硫氨酸向赖氨酸的突变。该突变所定位的高度保守区域可与其他转录因子相互作用，并负责目标基因的转录抑制。该家系临床表现为第二前磨牙和第三磨牙缺失，支持了msx-1基因参与特殊牙发育模式的理论，也证实了Sharpe[5]所提出的牙发育同源盒编码的假设。Frazier-Bowers等[6]也通过对1例有特定牙位的后牙先天性缺失的家系研究，发现了msx-1基因的复杂重排，即核苷酸250插入一个GAG片段而缺失了一个C。

    msx-1基因相关的选择性牙缺失基因突变为杂合子，即突变的表型可能是由单倍体剂量不足所致，而非遗传特性的显性负向类型所致。目前，通过SCI可检索到msx-1基因7种改变所导致的后牙先天性缺失突变（表1），且这些突变多发生于msx-1基因的同源结构域。其中，非综合征型先天性牙缺失的6个家系为常染色体显性遗传，仅1例为常染色体隐性遗传[7]。猜测导致这一表现型的原因可能系单倍体剂量不足、显性负向活动，或是突变蛋白的新活性。

    2.3  msx-1基因与pax-9基因在先天性牙缺失中的关联性及其作用

    2.3.1  人与鼠牙缺失模型的比较  鼠突变体的部分配对基因的表型与人的显型具有交叉重叠之处，即人和鼠的牙发育不仅享有相似的形态过程，还可能通过相似的分子机制发挥作用，其间部分细微差别见表2。

    2.3.2  msx-1基因与pax-9基因的关联性  小鼠模型研究显示，msx-1基因的同源结构域蛋白和pax-9基因的等位结构域转录因子与先天性牙缺失存在着强关联性，即msx-1和pax-9基因在牙间充质中联合表达，当其中之一出现杂合缺失时，牙发育即在早期停止。因此，msx-1和pax-9基因在牙的早期发育中发挥了较为关键的调控作用。

    Kapadia等[11]发现，msx-1和pax-9基因在间充质中的表达具有重要的协作关系，即在牙间充质中，Msx-1和Pax-9蛋白相互作用。有数据显示，pax-9基因可单独激活msx-1和骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，bmp）-4基因的启动子，而MSX-1和PAX-9在蛋白水平上的相互作用又可调控这一转活过程；因此，Pax-9蛋白在间充质中同Msx-1蛋白在反馈回路中协同作用，从而调控Bmp-4蛋白的表达。这一过程对于牙蕾状期后的进一步发育相当重要，因为Bmp-4蛋白参与了下游的信号调节，且这是釉结形成所必需的。釉结作为上皮的暂时信号中心指导了牙胚发育从蕾状期向帽状期的过渡。假设Msx-1和Pax-9蛋白的关键作用是维持和调控间充质中Bmp-4蛋白的表达，那么这一调控过程不仅包含了pax-9基因的DNA结合和转录因子的活性，还涉及PAX-9与MSX-1在蛋白水平上的相互作用，以及其他表达于牙间充质中的同源结构域蛋白。Ogawa等[12]研究发现，Pax-9蛋白通过与msx-1基因启动子区域的直接结合而与Msx-1蛋白之间存在着遗传上位性。

    研究显示，由于Msx-1和Pax-9突变蛋白结构的改变，因此其蛋白质的热稳定性和（或）三维折叠方式也发生了改变，正常蛋白的功能活动也就受到了干扰；而且，同其他转录因子间的DNA结合能力以及相互作用的能力也发生了改变，甚至有时蛋白质完全丧失功能[13]。由于这些基因中一个拷贝的缺失即可导致最为严重的表型，所以大多数先天性牙缺失基因突变的表型很可能是由蛋白功能缺失所致的[14]。

    3  结束语

    目前大多数学者认为，pax-9是引起多数牙先天性缺失的主要致病基因，而且msx-1和pax-9基因通过维持间充质中bmp-4基因的表达来建立牙源性间充质的功能是相当重要的；然而，这3个基因在分子水平上的关系却是未知的。因此，PAX-9与MSX-1和BMP-4间的关系尚待进一步研究，以期了解其在牙发育过程中的生物效应。此外部分研究还提示，今后关于msx-1和pax-9基因突变的研究应该对两者间的联合作用与唇、腭裂伴发先天性牙缺失间是否存在关联性的假设进行检测。

    Kapadia等[11]认为，许多看似与MSX-1和PAX-9相关的后牙发育异常，实质上其msx-1和pax-9基因并未发生突变。因此，寻找新的致病基因并通过其遗传图谱去发现那些导致后牙缺失的突变位点，从而更深入地了解先天性牙缺失机制是今后研究的另一新的目标。

    Lammi等[15]发现大肠癌伴发先天性牙缺失的患者，其Wnt信号通路的调控因子轴抑制基因（axis inhibitor，axin）-2发生了无义突变。该研究对先天性牙缺失患者突变候选基因的确定发挥了重要作用[14，16]，同时也提示先天性牙缺失有可能成为某些肿瘤易患性的临床指征。

    等位异质性（相同基因不同的突变）和基因座不均一性（不同基因的突变）很有可能是导致表型差异较大的原因；但是，即使是在同一家系、相同的基因、相同位点的突变，却仍有可能有突变蛋白剂量敏感机制所致的不同的牙异常表现型；即使在先天性牙缺失患者中，其表型也存在着较大的差异。然而，临床和影像学上牙数目的缺失仍是目前非综合征型牙缺失诊断的主要标准[9，13，15-23]。因此，为了全面了解其不同的遗传机制，尚需进一步地研究其突变蛋白的体外功能。

    人类基因组研究已进入蛋白质组学时代，扩大msx-1、pax-9和axin-2基因以外的缺牙基因突变谱，明确其基因型和表型之间的关系，研究其突变蛋白质的功能，深入对成牙信号传递的认识将有助于明确其发病机制，并为最终能够实现先天性牙缺失的分子学诊断和基因治疗奠定理论基础。

【参考文献】[1] Lidral AC, Reising BC. J Dent Res, 2002, 81（4）：274-278.

[2] Vastardis H, Karimbux N, Guthua SW, et al. Nat Genet, 1996, 13（4）：417-421.

[3] van den Boogaard MJ, Dorland M, Beemer FA, et al. Nat Genet, 2000, 24（4）：342-343.

[4] Jumlongras D, Bei M, Stimson JM, et al. Am J Hum Genet, 2001, 69（1）：67-74.

[5] Sharpe PT. Connect Tissue Res, 1995, 32（1/4）：17-25.

[6] Frazier-Bowers SA, Scott MR, Cavender A, et al. Con-nect Tissue Res, 2002, 43（2/3）：296-300.

[7] Nieminen P, Kotilainen J, Aalto Y, et al. J Dent Res,2003, 82（12）：1013-1017.

[8] De Muynck S, Schollen E, Matthijs G, et al. Am J Med Genet A, 2004, 128（4）：401-403.

[9] Kim JW, Simmer JP, Lin BP, et al. J Dent Res, 2006, 85（3）：267-271.

[10] Chishti MS, Muhammad D, Haider M, et al. J Hum Genet, 2006, 51（10）：872-878.

[11] Kapadia H, Mues G, D′Souza R. Orthod Craniofac Res, 2007, 10（4）：237-244.

[12] Ogawa T, Kapadia H, Feng JQ, et al. J Biol Chem, 2006, 281（27）：18363-18369.

[13] Mostowska A, Kobielak A, Trzeciak WH. Eur J Oral Sci, 2003, 111（5）：365-370.

[14] Gerits A, Nieminen P, De Muynck S, et al. Orthod Cran-iofac Res, 2006, 9（3）：129-136.

[15] Lammi L, Arte S, Somer M, et al. Am J Hum Genet,2004, 74（5）：1043-1050.

[16] Mostowska A, Biedziak B, Jagodzinski PP. J Hum Genet, 2006, 51（3）：262-266.

[17] Vieira AR, Meira R, Modesto A, et al. J Dent Res, 2004, 83（9）：723-727.

[18] Ogawa T, Kapadia H, Wang B, et al. Arch Oral Biol, 2005, 50（2）：141-145.

[19] Seidman JG, Seidman C. J Clin Invest, 2002, 109（4）：451-455.

[20] Mensah JK, Ogawa T, Kapadia H, et al. J Biol Chem, 2004, 279（7）：5924-5933.

[21] 赵计林, 陈扬熙, 鲍 朗, 等. 中华口腔医学杂志, 2005, 22（4）：419-422.

[22] 张颖新. 华西口腔医学杂志, 1993, 11（1）：54-55.

[23] 杨文静. 华西口腔医学杂志, 2003, 21（6）：481.