Desmocollin-3（Dsc3）调控中间层细胞分化和成釉细胞谱系定型的功能与机制研究

本研究针对牙齿发育过程中中间层（SI）细胞特异性标记及功能机制不清的问题，通过单细胞RNA测序技术鉴定出Desmocollin-3（Dsc3）作为SI细胞的关键标志物，并利用基因敲降模型揭示Dsc3通过调控紧密连接蛋白Tjp1（ZO-1）表达和Notch信号通路维持SI结构完整性及成釉细胞分化，为阐明牙釉质发育异常疾病机制提供新视角。

　　

牙齿发育是一个高度协调的生物学过程，涉及上皮与间充质之间复杂的相互作用。在这一过程中，成釉细胞（ameloblast）负责釉质基质的分泌与矿化，而其功能高度依赖于相邻的支持细胞层——中间层（stratum intermedium, SI）。SI细胞不仅表达高水平的碱性磷酸酶（ALP），在釉质矿化中起关键作用，还通过细胞连接与成釉细胞形成紧密的功能单元。然而，相较于成釉细胞，SI细胞的分子特征与功能机制研究仍较为薄弱，特别是维持其结构完整性和信号支持功能的关键分子尚未明确。

以往研究表明，桥粒（desmosome）作为重要的细胞连接结构，在维持上皮组织完整性中发挥重要作用。在牙齿发育中，nectin-1缺失会导致桥粒数量减少、SI与成釉细胞层分离，进而引起釉质矿化不全。但桥粒家族成员在SI细胞中的表达模式及其功能仍不清楚。为解决这一问题，研究团队利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术对出生后12天（P12）的小鼠磨牙进行分析，旨在鉴定SI细胞的特异性标志物，并探究关键分子在SI细胞分化和成釉细胞支持中的作用。

该研究主要采用了以下关键技术方法：1）利用KRT14-RFP转基因小鼠模型获取P12磨牙组织进行scRNA-seq分析，通过Seurat软件进行细胞聚类和差异表达基因鉴定；2）通过OMIM数据库分析桥粒基因与遗传性牙病的关联；3）使用大鼠牙上皮细胞系SF2进行体外功能实验，通过siRNA敲降Dsc3表达，采用CCK-8法检测细胞增殖，qRT-PCR和免疫荧光分析基因表达和蛋白定位；4）利用TGF-β1诱导SF2细胞分化模型模拟成釉细胞分化过程。

研究结果主要包括以下方面：

3.1. scRNA-seq revealed expression profile in Ameloblast and Non-Ameloblast clusters

通过scRNA-seq分析P12小鼠磨牙，成功鉴定出9个细胞簇，包括成熟成釉细胞（Mat-Am）、分泌型成釉细胞（Sec-Am）、中间层/星网状层（SI/SR）等上皮细胞簇，以及牙囊（DF）、牙周韧带（PDL）等间充质细胞簇。特征基因表达显示，Klk4、Enam、Notch1等分别作为各细胞簇的标志物。

3.2. Distribution of desmosome family marked dental epithelial cell types

进一步分析发现，桥粒家族基因在SI簇中高表达，其中Dsc3是SI簇中差异表达最显著的基因。其他桥粒成员如Dsp、Pkp1和Perp也在上皮细胞中广泛表达，而Dsc3特异性富集于SI簇。基因本体（GO）分析显示SI簇差异表达基因显著富集于“桥粒组织”等条目。

3.3. Desmosomal genes play role in some dental anomalies related to inherited disease

OMIM数据库分析显示，Dsc3、Dsp和Perp等桥粒基因与遗传性皮肤和牙病相关。其中Dsc3突变导致 Hypotrichosis and Recurrent Skin Vesicles（MIM# 613102），伴有牙釉质异常。组织表达分析发现Dsc3在牙齿、皮肤、胃等组织中高表达，免疫荧光显示其在P10-P14磨牙的成釉细胞和SI细胞中强阳性。

3.4. Depletion of Dsc3 disrupts cell integrity and tight junction formation in dental epithelial cell line SF2

在SF2细胞中敲降Dsc3后，细胞大小显著减小，但增殖未受影响。Dsc3敲降导致SI标志基因（Notch1、Notch2）和紧密连接蛋白Tjp1（ZO-1）表达下调，并破坏ZO-1的细胞定位。在TGF-β1诱导分化模型中，Dsc3敲降显著抑制了SI和成釉细胞标志基因的表达。

研究表明，Dsc3作为SI细胞的特异性标志物，通过调控细胞连接结构和Notch信号通路，在维持SI细胞完整性及支持成釉细胞分化中起关键作用。其功能缺失可能导致细胞连接破坏、信号传导异常，进而影响釉质形成。该研究不仅为理解牙齿发育的细胞分子机制提供了新视角，也为相关遗传性牙病的诊断和治疗提供了潜在靶点。论文发表于《Archives of Oral Biology》，对发育生物学和口腔医学领域具有重要理论意义和临床价值。