Science子刊：揭示抗Usag-1疗法通过增强BMP信号实现牙齿再生

2021年4月7日讯/生物谷BIOON/---像喙、指甲、角和一些外分泌腺一样，牙齿是外胚层器官。牙齿的形态发生是由一个信号转导网络调节的，该网络涉及上皮和间质之间的相互作用。涉及骨形态发生蛋白（BMP）、成纤维细胞生长因子（FGF）、音猬因子（Shh）和Wnt通路之间的正、负环路相互作用调节着牙齿的形态发生。虽然牙齿的数量通常在一些物种中受到严格控制，但是它的数量在大约1％的个体中可以先天性地增加或减少。牙齿正常数量的减少和增加的情形分别称为牙缺失（tooth agenesis）和多生牙（supernumerary teeth）。对小鼠模型的分析已开始阐明牙缺失和多生牙的遗传因素、分子机制及病理机制。

之前对单基因敲除（KO）小鼠的多项研究已表明，Usag-1（也称为SOSTDC1）、ectodin或WISE、CEBPB、SPRY2、SPRY3或EPFN的功能丧失导致多生牙的产生。这些研究的结果表明，新生牙齿的形成可能是由单个候选基因调节。多生牙可能源于静止性牙胚（arrested teeth germ）的拯救；之前已报道过在USAG-1缺陷的小鼠中，残余的乳切牙转化为多生牙。USAG-1是一种双功能蛋白，可以拮抗BMP和Wnt，这两种信号分子对牙齿发育至关重要。通过在USAG-1+/-小鼠中移植添加BMP7的切牙外植体，诱导了多生牙的发育，这就证明了BMP在多生牙形成中的重要性。因此，在合适的条件下，给送候选分子可导致全牙形成。此外，已经有人提出，BMP信号对于额外牙（extra teeth）的形态发生至关重要，而Wnt信号对于多生牙的形成很重要。然而，目前还不知道BMP或Wnt信号是否是确定牙齿数量所必需的。

牙缺失是牙齿发育受阻的结果。几个负责先天性牙缺失的基因，如Msx1、Runx2、Ectodysplasin A（EDA）或Pax9，已主要通过基因敲除小鼠模型鉴定出来。之前已报道过， 在Runx2-/-小鼠（先天性牙缺失小鼠模型）中，牙齿发育受阻，但在Runx2-/-/USAG-1/-小鼠（多生牙小鼠模型）中，这种发育受阻得到拯救。虽然USAG-1与拯救先天性牙缺失之间的明确联系已经建立，但局部抑制USAG-1功能是否足以拯救牙齿发育仍是未知数。基于抗体制剂的靶向分子药物在各种疾病（如类风湿关节炎和癌症）的临床应用越来越普遍。多生牙形成的遗传机制表明，用于牙齿再生的靶向分子疗法可以是一种可行的治疗方法。

在一项新的研究中，日本研究人员想要制造和使用单克隆抗USAG-1抗体，而不是USAG-1基因抑制，实现牙齿发育局部停止和恢复。为此，他们还进行了实验，以确定BMP或Wnt信号在牙齿发育过程中是否占主导地位。相关研究结果近期发表在Science Advances期刊上，论文标题为“Anti–USAG-1 therapy for tooth regeneration through enhanced BMP signaling”。

主要干扰BMP信号的USAG-1中和性单克隆抗体(#37和#57)的单次全身给送可挽救EDA1缺失小鼠的牙缺失，并以剂量依赖性方式使野生型小鼠的全牙有效形成。据这些作者所知，能够促进牙齿再生的靶向抗体的鉴定在早期还没有报道过。这项研究中产生的单克隆抗体可以中和USAG-1对BMP信号的拮抗作用，减少LRP5/6的剂量可以挽救USAG-1缺失表型，包括多生牙的形成。然而，基于这些发现不能排除Wnt信号参与其中，这是因为有几只老鼠没有出生或没有存活下来。因此，有必要进行进一步的实验，比如利用更多的USAG-1中和抗体进行表位鉴定（epitope binning），对重组USAG-1蛋白表位进行详细分析。

具有先天性牙缺失和多生牙的小鼠经双基因敲除后可恢复牙齿形成。图片来自Science Advances, 2021, doi:10.1126/sciadv.abf1798。

这些作者观察到几个致病基因（包括Msx1和USAG-1）与Msx1缺陷小鼠先天性牙缺失但不是腭裂的恢复之间存在关联。单次全身给送仅靶向BMP信号通路的USAG-1中和抗体可拯救EDA1缺失小鼠的牙缺失，但不影响与这种小鼠品系相关的其他表型。相反，USAG-1剔除仅能拯救Pax9缺失小鼠的腭裂发育，这能调节Wnt信号而不能调节BMP信号。小分子Wnt激动剂也能校正Pax9缺失小鼠的腭裂。这表明USAG-1中和抗体并不能治愈所有的牙缺失病例，但是导致先天性牙缺失的致病基因突变可能构成患者选择的生物标志物。尽管如此，未来的临床应用仍需进行广泛的研究。EDA控制BMP活性，而EDAR作用于Wnt靶基因。先天性牙缺失可能通过给送靶向BMP信号而不是靶向Wnt信号的USAG-1中和抗体来挽救。此外，在EDA缺失的狗出生后，单次全身给送EDA激动抗体就可以拯救先天性牙缺失。应用USAG-1靶向中和抗体进行牙齿再生，必须集中在特定致病基因突变导致的先天性牙缺失上。

使用USAG-1中和抗体后，EDA1突变小鼠牙齿缺损的恢复和全牙再生。图片来自Science Advances, 2021, doi:10.1126/sciadv.abf1798。

此外，这些作者成功地获得了USAG-1中和抗体，即使在野生型小鼠中，这些中和抗体也有潜力让它们产生全新的牙齿。这些小鼠的表型变化与USAG-1基因敲除小鼠的表型变化相似，这说明这些中和抗体可能会拯救USAG-1缺失小鼠的牙原基（rudimental tooth primordia）。人类的牙齿，除了恒磨牙（permanent molars）外，都是两次换牙的。第一代（乳牙）和第二代（恒牙）的牙齿有时会伴随着第三次换牙。根据对78例多生牙患者的分析，有人曾经报道过第三次换牙是人类多生牙的原因之一。通过靶向分子治疗刺激第三次换牙，可能是一种可行的全牙再生方法。这项新的研究表明，全身给送USAG-1中和抗体可以使雪貂全牙再生，就像第三次换牙一样。雪貂是两次换牙的动物，它的牙齿形态与人类相似。但是，这种方法的临床应用除了雪貂外，还需要在狗或猪等非啮齿动物模型上开展进一步研究。

利用细胞组织工程开发治疗方法是主流再生医学中常见的。虽然利用组织工程技术在牙齿再生领域进行了广泛的研究，但是由于成本和安全问题，现有的治疗方法都无法在临床上应用。虽然人们认为有必要产生新的原始牙胚，但是在这项新的研究中，这些作者观察到了牙原基的存在。因此，即使在野生型动物中，也没有必要产生新的牙胚。牙原基的生长受到USAG-1的抑制。此外，与各种基因异常相关的先天性牙缺失是由牙齿发育受阻引起的。基于此，传统的组织工程方法不适合牙齿再生。这些研究结果表明，靶向USAG-1的无细胞分子疗法在治疗各种先天性牙缺失和诱导第三次换牙方面是有效的。（生物谷 Bioon.com）