1.初级纤毛

1.1初级纤毛概述

初级纤毛是突出于真核细胞表面的特殊细胞器，由一根轴丝及包绕在其周围特化的细胞膜和基质组成，可以感受多种细胞周围信号，与细胞的感受、生长和分化等功能相关。初级纤毛并非一直存在，当细胞进入有丝分裂期时，纤毛分解;当细胞分裂结束时，在两个子代细胞的中心体上会分别组装出初级纤毛。

初级纤毛的结构缺损会导致肾脏、肝脏、脑和四肢的异常，由于初级纤毛异常所导致的疾病被统称为纤毛病。纤毛内运输(intraflagellartransport,IFT)是指目的物质通过与微管马达和多蛋白复合体结合，沿纤毛轴丝向纤毛的顶端或基部运动，对于纤毛的形成和功能是不可或缺的。

1.2初级纤毛相关信号通路

与初级纤毛相关的信号通路有很多，且与细胞类型相关，包括Ca2+通道、受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases，RTKs)、Hedgehog(Hh)、Wingless(Wnt)、神经或嘌呤受体，也可以与细胞外基质相互作用。初级纤毛膜上同时存有多种信号的受体，既可对化学性信号产生应答，又可对机械性信号产生反应，例如激素、生长因子、机械力等。这种纤毛膜蛋白和纤毛内部效应分子的多样性和动态性对于不同组织的发育和功能十分重要。鉴于初级纤毛可出现于大多数哺乳动物细胞的表面，其中包括人胚胎干细胞和成体干细胞，并且具有传递细胞内外信号的功能，近年来有诸多报道关于初级纤毛对干细胞功能的影响。

2.初级纤毛与干细胞的生物学功能

2.1初级纤毛与胚胎干细胞

有研究表明，初级纤毛最早出现于小鼠胚胎6.0d的外胚层细胞，随后广泛存在于外胚层来源的组织中。胚外内胚层(extraembryonicendoderm，XEN)细胞包含纤毛附件和过渡区所有的组分，包括纤毛转运蛋白88(intraflagellartransport88，IFT88)和微管蛋白激酶2(tau-tubulinkinase-2，TTBK2)，但不能形成纤毛轴丝。XEN细胞不仅缺乏纤毛，而且也不表达Hh信号通路的必需成分，包括PTCH1、SMO和GLI转录因子，小鼠胚胎中纤毛的谱系特异性，暗示了来源于胚胎外的细胞不能对特定的发育信号作出应答。此外，该研究还发现随着胚胎发育，纤毛的出现率增加，说明初级纤毛的形成与胚胎发育的进程相关。

在人胚胎干细胞，一些已知的调控干细胞性质的多能性相关转录因子被发现沿初级纤毛分布，比如OCT3/4，SOX2和NANOG，这提示初级纤毛在维持人胚胎干细胞多能性，调节分化和自我更新等方面可能均具有重要作用。另一项研究显示，在人类胚胎发育的第2天，神经外胚层前体细胞中的纤毛形成增加并引发自噬，使核因子E2相关因子2(Nuclearfactor，erythroid2-like2，Nrf2)失活，并因此解除OCT4和NANOG的转录激活。

Nrf2直接结合于这些多能基因的上游区域，促进这些基因的表达并抑制神经外胚层分化，Nrf2的抑制可有效挽救神经分化障碍的诱导多能干细胞系，而在胚胎发育的第4天，神经前体标志物才表达，因此该研究得出结论，初级纤毛-自噬-Nrf2控制轴与细胞周期进程耦联，引导人胚胎干细胞向神经外胚层方向分化。此研究证实了初级纤毛在人胚胎干细胞谱系分化和命运决定中发挥了重要的作用。

2.2初级纤毛与成体干细胞

在成体间充质干细胞方面，有研究关注于人脂肪干细胞(humanadipose-derivedstemcells，hASC)初级纤毛的化学感知功能，并探究纤毛相关蛋白多囊蛋白1(polycytin-1，PC1)、多囊蛋白2(polycytin-2，PC2)和IFT88在hASC成骨分化中的作用。该研究主要采用体外实验证明，初级纤毛的结构和功能与hASC成骨分化过程密切相关，其中IFT88参与调解hASC的增殖和早期成骨分化过程，而PC1和PC2与晚期成骨分化过程相关。此外，纳米材料沟槽表面可促进间充质干细胞的纤毛形成，抑制经典Wnt信号通路，进而抑制增殖，提示纤毛的长度和出现率可能参与干细胞的增殖和分化状态的平衡。

同样地，在人间充质干细胞(humanmesenchymalstemcells，hMSCs)体外成脂诱导培养过程中，有报道称伴随着核内PPARγ水平升高，初级纤毛的长度增加，该过程与胰岛素样生长因子受体(insulin-likegrowthfactor-1receptorβ，IGF-1Rβ)被招募至纤毛的过程相关，在转染IFT-88siRNA后，初级纤毛的长度增加被抑制，同时细胞核内的PPARγ水平降低，此研究显示hMSCs的成脂分化需要初级纤毛的长度增加和IGF-1Rβ在纤毛的富集。

在造血干细胞方面，斑马鱼胚胎的造血干细胞和祖细胞(Hematopoieticstemandprogenitorcells，HSPCs)的发育，尤其是造血内皮分化方向的定向，需要初级纤毛特异性基因的参与，内皮细胞的初级纤毛向最早的造血内皮传导Notch信号，保证正常的HSPCs定向分化。在神经干细胞方面，有研究表明，在小鼠胚胎神经细胞有丝分裂过程中，纤毛膜在子代细胞中存在不对称继承的现象。

而继承亲代纤毛膜的子代细胞保持干细胞特性。在一些神经干细胞相关研究中，初级纤毛与干性和细胞命运决定的关系被更清晰地揭示。在不同的神经分化阶段条件性敲除驱动蛋白家族成员3A(kinesinfamilymember3A，Kif3a)和Ift88，脑室-室管膜下区(ventricular–subventricularzone，V-SVZ)的神经元形成大部分不受影响，仅在已知的受Hh信号调控的侧腹区有异常，此研究证实了，初级纤毛通过Hh信号参与调控出生后小鼠特定部位的神经元形成过程。

3.初级纤毛与牙发育

3.1初级纤毛在牙组织中的定位

除了上述参与胚胎发育和成体干细胞分化的过程，初级纤毛在牙发育过程中同样具有重要作用。在牙发育早期，大部分牙上皮组织和围绕牙胚的间充质细胞有较短的纤毛。在牙胚的基底上皮细胞层，初级纤毛分布于与基底膜相对的顶端表面，说明纤毛可能参与早期牙发育中的细胞极化过程，在钟状期晚期，初级纤毛可见于小鼠和人的成釉细胞和成牙本质细胞，并在这些细胞分化的过程中逐渐伸长。此外，成釉细胞和成牙本质细胞中纤毛均定向于硬组织形成区域的相反方向。

总的来说，初级纤毛广泛出现于发育中的牙胚上皮和间充质组分中，而且纤毛的长度在成牙过程中经历显著的变化，在信号中心(比如釉结)或是细胞快速分化和形成硬组织的区域，纤毛的长度更长。

3.2人类纤毛病的牙齿表型

纤毛病常伴有多种颌面部缺陷，通常表现为牙发育的紊乱。以Bardet-Biedl综合征(Bardet-Biedlsyndrome，BBS)为例，该病是一种罕见的常染色体隐性遗传疾病，一组BBS蛋白(BBS1，BBS2，BBS4，BBS5，BBS7，BBS8，BBS9)定位于纤毛基底部或沿纤毛轴丝分布，这些蛋白形成BBS体，参与蛋白向纤毛转运的过程，而另一组BBS蛋白(BBS6，BBS10，BBS12)作为分子伴侣，调节BBS体的组装，目前普遍认为Bardet-Biedl综合征属于纤毛病。

Bbs基因的突变可导致纤毛蛋白的错误定位，并干扰Hh信号转导。该疾病患者中较为普遍的牙发育异常表现包括，牙列拥挤，牙釉质发育不全，小颌畸形，过小牙，短根和牛牙症等。除该疾病外，Ellis-vanCreveld(EvC)综合征，颅骨外胚层发育不全，口-面-指综合征等纤毛病均伴有牙发育异常表现，包括多生牙，牙缺失，锥形牙，牙移位，出生牙，釉质发育不全等多种病变类型。

由此可见初级纤毛作为一种重要的信号传递细胞器，其结构与功能的破坏或缺失可导致牙齿数目，大小，形态，位置和成牙本质/成釉分化的改变。但为何相同的突变会引起多种不同的牙齿表型，以及某种特定基因的调节或者某种特定信号通路的上调或下调对应何种牙发育异常，仍有待进一步研究。

3.3初级纤毛与牙间充质干细胞

哺乳动物的牙及牙周组织中含有间充质干细胞，能够促进牙齿生长与修复，牙间充质干细胞来源于神经嵴的外胚间充质细胞，定位于乳牙及恒牙的牙髓及牙周膜。越来越多的体内研究结果显示，初级纤毛在牙间充质干细胞中有重要作用。例如，Zhang等在牙间充质中条件性敲除EVC2(Ellis-VanCreveld2)，发现可导致牙釉质异常的继发性表型。由于EVC和EVC2定位于纤毛内，EvC综合征被归类于一种纤毛病。

体外机制研究显示，在初级纤毛的基底部，这2种蛋白形成一种蛋白复合体，而Hh信号的传导需要该复合体。该研究利用小鼠切牙作为研究EvC患者牙釉质异常的病理生理机制模型。与对照组相比，EVC2突变导致牙间充质干细胞数目减少，并出现延迟的成牙本质分化，随后导致牙本质沉积减少，可能导致了延迟的成釉分化，并体现出釉质形成减少的表型。

此外，在另一项近期研究中，Yuan等构建纤毛转运蛋白80(intraflagellartransport80，IFT80)条件性敲除小鼠模型，首次发现IFT80通过调节Hh和FGF/AKT信号通路，影响牙髓干细胞(dentalpulpstemcells，DPSCs)增殖、分化和成牙本质细胞极化，从而干预牙发育，这说明IFT蛋白是牙和其他组织再生中的一种新的治疗靶点。

与上述体内研究结果相似，初级纤毛在牙间充质干细胞体外增殖和分化中的重要作用同样得到了证实。在一项早期研究中，人牙周膜干细胞(humanperiodontalligamentstemcells，HPLSC)由抗STRO-1抗体分离获得，体外实验证实Shh提高了GLI1和PTC-1的表达，并能够选择性地刺激HPLSC的增殖，由于初级纤毛在Hh信号激活中的主导作用，该研究证实此过程需要初级纤毛的参与。

初级纤毛正向运输马达蛋白，Kif3a，参与调节纤毛的完整性，Sharpe等提取原代人牙囊细胞(humandentalfolliclecells，hDFCs)和人牙髓细胞(humandentalpulpcells，hDPCs)进行体外培养，并使用shRNA敲减Kif3a，该体外研究显示，在hDFCs和hDPCs中抑制Kif3a的表达，可阻碍纤毛的形成并影响其功能，进而下调Wnt信号通路，干扰hDFCs和hDPCs的成骨分化过程。

综上所述，初级纤毛与多种成体干细胞的成骨、成脂分化过程密切相关，并广泛出现于发育中的牙胚上皮和间充质组分中，纤毛的长度随着成牙过程的进展呈现显著变化。越来越多的研究证明，初级纤毛在牙间充质干细胞成熟、分化以及成牙本质细胞极化等方面均具有重要作用。因此，进一步探索初级纤毛如何通过调节牙源性干细胞分化，进而影响牙发育与再生，将有望为组织工程学技术提供新的靶点和理论支持。

来源：周爽,周婷婷,孙瑶.初级纤毛与干细胞分化及牙发育相关研究进展[J]. 颌面外科杂志,2019,29(04):230-234.