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编号:10274435
细胞程序性死亡及其相关基因Bcl-2、Bax在牙齿发育中的作用
http://www.100md.com 《实用口腔医学杂志》 1999年第1期
     作者:赵书芳 赵 皿 金 岩 杨连甲

    单位:西安第四军医大学口腔医学院 710032

    关键词:细胞程序性死亡;Bcl-2基因;Bax基因;牙齿;胚胎

    细胞程序性死亡及其相关基因 Bcl〔摘要〕 目的:为阐明牙齿发育的机制,探讨程序性细胞死亡(PCD)及其相关调控基因在牙齿发育中的作用。方法:利用原位末端标记法、原位杂交及免疫组化技术对SD大鼠牙齿发育不同时期PCD及Bcl-2、Bax基因的表达进行研究。结果:在牙胚发育早期的生长中心处PCD、Bcl-2、Bax mRNA及其蛋白的表达均很强,牙体组织形成后PCD及Bcl-2 mRNA蛋白的表达逐渐减弱,但Bax 蛋白的表达仍然明显。结论:Bcl-2、Bax基因及PCD可能是牙齿发育过程中的重要调控因素。

    The Role of Programmed cell death and its regulating genes Bcl-2 and Bax in tooth development
, 百拇医药
    Zhao Shufang, Zhao Min, Jin Yan,et al.

    Stomatological College, Fourth Military Medical University(Xian, 710032)

    〔Abstract〕 Objective: To investigate the role of programmed cell death (PCD) and its regulating genes in tooth development. Methods: PCD and the expression of both transcription and translation of Bcl-2 and Bax genes in different stages of tooth development of SD rat were observed by Tdt-mediated dUTP nick end labeling (TUNEL), mRNA in situ hybridization and immunohistochemical staining. Results: The number of PCD cells and the expression of Bcl-2 and Bax predominantly appeared at growth initiation center in the earlier stage of tooth germ, while the expression of PCD and Bcl-2 gradually decreased following dentin formation with strong expression of Bax. Conclusion: Bcl-2 and Bax genes and PCD are important regulating factors in tooth development.
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    Key words Programmed cell death (PCD); Gene Bcl-2; Gene bax; Tooth; Embryo

    研究表明,牙齿发育的早期,首先由上皮性信号诱导原口腔上皮增生形成牙板,继而增埴形成蕾状成釉器,同时,上皮性信号向间充质组织传递,间充质细胞增生形成细胞凝集区。这样,在上皮-间充质信号相互诱导下,上皮性成釉器及间充质牙乳头、牙囊细胞不断增埴、塑形完成发育过程,这一过程主要是受内在基因的调控[1]。那么,严密监控细胞生长状态、数量和质量的程序性细胞死亡(programmed cell death ,简称PCD)及相关基因Bcl-2、Bax的表达是否在牙齿发育中发挥重要作用,尚未见此方面的报道。为此,本研究通过观察SD大鼠牙齿发育中Bcl-2、Bax基因的表达与PCD的关系,探讨牙齿发育中Bcl-2、Bax基因及PCD的内在调控作用。

    1 材料和方法
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    1.1 动物模型及标本制备

    分别观察胚胎13、15、17、19 d及生后1、3、5、7 d SD胎鼠及幼鼠牙齿发育情况模型及标本制备方法见参考文献[3]。

    1.2 原位末端标记法(TUNEL法)标记PCD细胞

    TUNEL 方法见文献[2]。

    1.3 原位杂交检测Bcl-2基因的表达

    1.3.1 探针及标记:质粒pDOR-SB8.4(由第四军医大学生化教研室朱峰博士惠赠)含1.9kb的Bcl-2基因片段。取已鉴定的质粒DNA,经EcoRI酶切后,将目的基因用冻溶法回收。标记及检测见参考文献[3]。

    1.4 免疫组织化学检测Bcl-2及Bax的表达
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    染色方法见参考文献[3]。

    2 结 果

    2.1 原位末端标记法染色结果 PCD阳性细胞细胞核为紫蓝色。结果显示,蕾状早期PCD阳性细胞集中在上皮细胞形成的蕾状突起头部。随着细胞增殖中轴区星形细胞增多,PCD阳性细胞也在其中增多,周围间充质组织中散在(图1)。帽状期,细胞增生活跃,PCD阳性细胞主要集中在内釉上皮凹面中心区域(原发性釉结节)、内外釉上皮细胞增殖形成的颈环处及其周围的牙乳头、牙囊中,余者散在。钟状期;主要集中在成釉器的未来牙尖形成部位(继发性釉结节)、颈环处及其周围的牙乳头、牙囊中。牙体组织形成期,随着冠部牙本质、牙釉质基质的形成, PCD阳性细胞集中在成釉器的星网层及牙乳头间充质细胞中,已分化的成牙本质细胞、成釉细胞中散在。

    2.2 Bcl-2原位杂交结果 Bcl-2 mRNA阳性反应可出现于细胞浆和细胞核呈紫蓝色。牙齿发育的蕾状期各期蕾状突起头部及周围的间充质细胞均有明显阳性表达,其余细胞也表达阳性。帽状期、钟状期,细胞增殖中心部位:内釉上皮凹面中心区域、未来牙尖形成部位、颈环处及周围的牙乳头、牙囊中表达明显(图2),其余部位表达稍弱。牙体组织形成期,成牙本质细胞、成釉细胞、星网层、牙乳头、牙囊等表达逐渐减弱消失。
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    2.3 Bcl-2及Bax的免疫组织化学染色结果 Bcl-2及Bax 阳性细胞核膜及细胞浆着棕黄色。在牙齿发育过程中 Bcl-2蛋白的表达基本与Bcl-2mRNA表达一致(图3)。Bax在各期上皮及间充质细胞中表达基本与Bcl-2蛋白的表达相同;但在细胞生长中心处及牙体组织形成后的表达比Bcl-2明显(图4)。21t1.gif (3856 bytes)

    图1 PCD阳性细胞集中在蕾状突起头部(40×6.7)21t2.gif (4765 bytes)

    图2 钟状期成釉器的星网层中Bcl-2 mRNA阳性表达细胞(40×15)21t3.gif (5391 bytes)
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    图3 钟状期继发性釉结节内 Bcl-2蛋白阳性表达细胞(40×15)21t4.gif (5024 bytes)

    图4 蕾状期上皮细胞及间充质细胞中Bax蛋白阳性表达(40×15)

    3 讨 论

    细胞程序性死亡亦称细胞凋亡(apoptosis),是在基因控制下的一种细胞自我消亡形式。它在胚胎发育、器官形成、变态反应、肿瘤发生及保持机体的稳态中发挥着至关重要的作用。据Michael 等[2]的报告,在组织、器官发育形成过程中出现的PCD,具有组织塑型,消除不必要结构,控制细胞数量,消除异常的细胞及控制造血细胞分化等功能。牙齿发育是一个复杂的过程,其间伴随着PCD及其调控基因的表达,其中PCD及其调控基因的紊乱可能是牙齿发育畸形的原因之一[1,2]。 本实验的结果表明:PCD是牙齿胚胎发育过程中上皮-间充质相互作用所发生的一系列细胞反应事件中的重要调控机制。首先当上皮信号分子一出现,上皮细胞增殖、内陷形成蕾状上皮性突起,这时PCD活跃在上皮性生长中心蕾状突起的头部,说明PCD调控着细胞增殖,控制着上皮性成釉器的雏形。当信号向间充质传导,诱导间充质细胞增殖,形成细胞凝集区,牙乳头、牙囊开始形成,此时,PCD又出现在帽状、钟状成釉器中以内釉上皮凹面中心为主的生长中心(原发性釉结节)、未来牙尖形成部位(继发性釉结节)及颈环处,提示PCD在调控着细胞的增殖数量和分化方向,调控着牙尖、牙颈、牙根部的形成,使牙胚不断发育扩大的同时得以塑形。随着上皮-间充质相互诱导,成釉细胞、成牙本质细胞的分化成熟,牙本质、牙釉质基质的分泌形成,牙体组织形成期,PCD主要清除已经结束生命周期的、衰老的、多余的上皮及间充质细胞,控制着细胞数量,消除釉结节及星网层等暂时性结构。可见,在牙齿发育过程中,PCD参与上皮-间充质相互作用,及时调控着细胞的增殖数量,清除异常、衰老的细胞及暂时性结构。在牙齿形态形成过程中,发挥重要的塑形作用[5]。 但是,PCD是在许多基因严格调控下进行的生理性程序。研究表明 Bcl-2基因家族是重要的细胞凋亡调节基因。Bcl-2是1984年由Tsujimoto 等[6]从14号与18 号染色体易位的滤泡性淋巴瘤中分离出的一种原癌基因。已知Bcl-2可控制核内外物质的运输、抑制Ca2+的释放或阻断细胞内过氧化物的堆积而抑制细胞的凋亡。而Bax基因 是第一个分离到的Bcl-2同源基因,Bax蛋白分子量为21KD,它与Bcl-2的同源区集中在BH1及BH2区。可与Bcl-2形成异源二聚体(Bcl-2/ Bax),可拮抗Bcl-2抑制细胞凋亡的作用。据Yin等[4]的研究Bcl-2的BH1及BH2区对Bax的结合是非常重要的。当Bax的结合被阻断,Bcl-2的保护细胞死亡功能也被解除,表明Bcl-2必须结合Bax才能产生它的效应。如果BH1及BH2区被Ala替换,完全阻断Bax的结合,从而减弱了Bcl-2的凋亡抑制效应。同时,认为Bax还自身形成同源二聚体(Bax /Bax),促进细胞凋亡。当Bcl-2在细胞内过量表达,Bcl-2/ Bax比例大于Bax /Bax,细胞凋亡被抑制。当Bax在细胞内过量表达,Bax /Bax比例大于Bcl-2/Bax,促进细胞凋亡。所以细胞中Bcl-2、 Bax的表达量,决定了Bcl-2/ Bax和Bax /Bax比例,这一比例决定了细胞对凋亡和存活信号的易感性,是决定细胞存亡的关键。本实验中的Bcl-2mRNA及蛋白在牙齿发育的蕾状期、蕾状突起头部及周围的间充质细胞均有明显表达,帽状期、钟状期,细胞增殖中心部位:内釉上皮凹面中心区域、未来牙尖形成部位、颈环处及周围的牙乳头、牙囊中表达较强。说明牙齿发育早期,尤其是生长旺盛部位,Bcl-2表达增强促进细胞生长。而进入牙体组织形成期,成牙本质细胞、成釉细胞、星网层、牙乳头、牙囊等表达逐渐减弱、消失。说明此时Bcl-2表达下调促进细胞死亡。这一结果与已证明的Bcl-2基因在胚胎组织有广泛的表达,在成熟的细胞或将被清除的细胞中表达下调的结论一致。但与Slootweg报告的不同,他的实验结果得出:在牙齿发育中,Bcl-2蛋白的表达只局限于牙胚的上皮性成分,而且成釉细胞表达阴性[7]。而我们的结果表明,成牙本质细胞、成釉细胞、牙乳头、牙囊均有阳性表达,说明Bcl-2不仅在上皮性组织表达,在间充质组织也有表达。而且在转录和翻译水平都有表达。Bax 蛋白在各期上皮及间充质细胞中的表达基本与Bcl-2蛋白的表达相同;但在细胞生长中心处及牙体组织形成后的表达比Bcl-2明显,这可以解释为什么PCD阳性细胞在细胞生长中心部位比较集中。而进入牙体组织形成期,Bcl-2在成熟的、衰老的细胞中表达逐渐减弱、消失,而Bax的表达明显,这可能是通过PCD清除已经衰老的、多余的、异常的细胞及消除缩余釉上皮、星网层等暂时性结构所必须的机制。因此我们可以得出以下结论。
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    4 小 结

    实验结果显示出生前及出生后一周内牙胚的各部均有Bcl-2、Bax、mRNA 蛋白PCD的表达,表明PCD参与了牙齿发育、形态形成过程,而且PCD是受内在Bcl-2及Bax基因控制的主动过程,PCD发生的时间、部位及数量取决于Bcl-2及Bax表达量的变化。Bcl-2、Bax可通过调控PCD达到调节细胞的增殖、分化、成熟过程,参与控制牙齿的发育,是牙齿发育的重要塑形机制。

    参考文献

    1 Jernvall J, Aberg T, Kettunen P. The life history of an signaling center:BMP-4 induces p21 and is associated with apoptosis in the mouse tooth enamel knot . Development, 1998,125(2):161
, 百拇医药
    2 金 岩,李 鑫,董绍忠,等. 细胞程序性死亡在颌面部细胞凝聚区形成中的作用. 实用口腔医学杂志,1999,15(1):42

    3 李 松,金 岩,王惠芸,等. Cyclin D1 及P21 cip1/waf1基因在下颌骨髁状突软骨中的表达及意义. 实用口腔医学杂志,1999,15(1):51

    4 Weil JM, Raff MC. Programmed Cell death in Animal Development.Cell,1997,88:347

    5 Tsujimoto Y, Finger LR, Yunis J, et al. Cloning of the chromosome breakpoinr of neoplastic B cells with the t(14;18) chromosome translocation. Science, 1984, 226:1097

    6 Slootweng PJ, Deweger RA. Immunohistochemical demonstration of bcl-2 protein in human tooth germs. Arch Oral Biol, 1994,39(7):545

    (收稿:1998-10-19), 百拇医药