DOI: https://doi.org/10.1038/s41368-025-00393-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491770
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Qiuyu Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطور الأسنان والعيوب
نظرة عامة
تتحكم مسارات الإشارات المعقدة وعوامل النسخ في تشكيل الأسنان، حيث تعتبر مسار Wnt/β-catenin حاسماً بشكل خاص. على الرغم من أهميته، فإن الآليات التنظيمية التي تحكم إشارات Wnt/β-catenin ليست مفهومة تمامًا. تسلط هذه الدراسة الضوء على دور Smad7، وهو مضاد مهم لعائلة TGF-β، في الحفاظ على توازن الأنسجة ووظيفة الخلايا. أظهرت الأبحاث السابقة أن حذف Smad7 في الفئران أدى إلى تقليل تكاثر خلايا برعم الأسنان وأسنانه الضروس الأصغر. تظهر النتائج الحالية تعبير SMAD7 في الحليمات السنية البشرية واللب، حيث يتواجد مع β-CATENIN وبروتينات مرتبطة بالتكاثر.
كشفت تسلسلات RNA عن انخفاض نشاط إشارات Wnt في برعم الأسنان للفئران التي تفتقر إلى Smad7. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت خلايا الحليمات السنية البشرية التي تم تقليل SMAD7 فيها معدل تكاثر منخفض بشكل ملحوظ وانخفاض في إشارات Wnt. أكدت الدراسات الحية الدور الأساسي لـ SMAD7 في تشكيل العاج. ميكانيكياً، أظهر β-CATENIN أنه يتفاعل مع SMAD2/3 الفسفوري وSMAD7، مما يؤثر على نشاط Wnt/β-catenin من خلال آليات تنظيمية مباشرة وغير مباشرة. تؤكد هذه النتائج على أهمية SMAD7 في تكاثر وتمايز خلايا السنية الجذعية البشرية، مما يشير إلى إمكانية تطبيقه في تجديد الأنسجة السنية والهندسة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية العملية المعقدة لتشكيل الأسنان، مع التركيز على أدوار مسارات الإشارات الرئيسية، وخاصة Wnt/β-catenin وTGF-β، في تنظيم سلوك الخلايا وتنظيم الأنسجة. تكون إشارات Wnt نشطة طوال تطوير الأسنان، حيث تبدأ الجينات الحرجة مثل Wnt3 وWnt5a وWnt7b وWnt10b في تشكيل اللويحة السنية في وقت مبكر من اليوم الحادي عشر من الحمل في الفئران. كما أن مسار TGF-β يؤثر بشكل كبير على تطوير الأسنان، حيث يظهر تأثيرات تعتمد على التركيز. على الرغم من المعرفة الحالية حول هذه المسارات، فإن التفاعل بين إشارات Wnt وTGF-β، خاصة في خلايا السنية الجذعية الميزانشيمية البشرية، لا يزال غير مفهوم جيدًا.
تسلط الورقة الضوء على دور Smad7، وهو مضاد لإشارات TGF-β، الذي يمنع تنشيط Smad2/3 ويعزز تحلل مستقبلات TGF-β. يتم التعبير عن Smad7 في الظهارة السنية والميزانشيم، حيث يعمل كمنظم إيجابي لتكاثر الخلايا من خلال تثبيط إشارات TGF-β. من الجدير بالذكر أن Smad7 قد يتفاعل أيضًا مع إشارات Wnt، كما يتضح من مشاركته في تعزيز أو تقييد نشاط β-catenin في أنسجة مختلفة. تهدف هذه الدراسة إلى توضيح دور SMAD7 في خلايا السنية الجذعية الميزانشيمية البشرية (hDPSCs)، كاشفة أن SMAD7 لا ينسق فقط التفاعل بين مسارات Wnt وTGF-β، بل يتفاعل أيضًا مباشرة مع β-catenin لتشكيل مركب نسخي. توفر هذه النتائج رؤى حول الآليات التنظيمية المزدوجة لـ SMAD7 في تكاثر وتمايز الخلايا الجذعية، مما يبرز إمكانيته كهدف لتجديد الأسنان وهندسة الأنسجة السنية.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية العمليات خطوة بخطوة المتبعة، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتقييم البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. تعتبر صرامة الطرق ضرورية لموثوقية النتائج، ويؤكد المؤلفون على الالتزام بالبروتوكولات المعتمدة لضمان نزاهة نتائج البحث.
نتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن SMAD7 ضروري لتجديد مركب اللب والعاج في خلايا السنية الجذعية البشرية (hDPSCs). كشفت التحليلات المناعية الفلورية عن توطين قوي لـ SMAD7 في لب الأسنان والحليمات لأسنان البشر النامية، مما يشير إلى دوره في نضوج الميزانشيم السني. أدت تجارب فقدان الوظيفة باستخدام تقليل SMAD7 بواسطة shRNA في hDPSCs إلى تقليل كبير في تشكيل العاج في نموذج هندسي للأنسجة، كما يتضح من التحليل النسيجي الذي يظهر انخفاضًا في محتوى الخلايا وانخفاض التعبير عن علامات محددة للعاج مثل DSPP وعلامات التكاثر مثل Ki-67. تشير هذه النتائج إلى أن SMAD7 ضروري لكل من تكاثر الخلايا وتمايز الأودونتوبلاست أثناء تجديد العاج.
كشفت التحقيقات الإضافية في الآليات الجزيئية أن حذف SMAD7 أدى إلى انخفاض نشاط إشارات Wnt/β-catenin، وهو أمر حاسم لتكاثر الخلايا. أشار تحليل RNA-seq الشامل للفئران التي تفتقر إلى Smad7 إلى انخفاض تنظيم الجينات المرتبطة بتقدم دورة الخلية وزيادة تنظيم مسارات إشارات TGF-β. أكدت صبغة المناعية الفلورية تداخل تعبير SMAD7 مع β-catenin النشط في الأنسجة السنية البشرية، وأدى تقليل SMAD7 في hDPSCs إلى انخفاض تعبير إشارات Wnt وعلامات التكاثر. من الجدير بالذكر أن العلاج مع منبه لمسار Wnt/β-catenin (SKL-2001) أعاد تكاثر الخلايا وتشكيل العاج في hDPSCs التي تفتقر إلى SMAD7، مما يبرز الدور المحوري لمحور إشارات SMAD7/Wnt/β-catenin في تنظيم سلوكيات الخلايا الأساسية لتجديد الأنسجة السنية.
مناقشة
تسلط الأبحاث الضوء على دور SMAD7 في تنظيم مسار إشارات Wnt/β-CATENIN من خلال تثبيطه لمسار إشارات TGF-β. تظهر الدراسة أن SMAD7 يعمل كمضاد لـ TGF-β، وهو أمر حاسم للحفاظ على تكاثر الخلايا في خلايا السنية الجذعية البشرية (hDPSCs). كشفت اختبارات التفاعل المناعي المشترك عن تفاعل كبير بين β-CATENIN وSMAD2/3 الفسفوري، مما يشير إلى علاقة تنظيمية متبادلة بين مسارات Wnt وTGF-β. أظهرت تجارب التقليل أن تثبيط TGF-βRII زاد من مستويات β-CATENIN النووية، بينما أدى تقليل CTNNB1 إلى زيادة P-SMAD2/3 السيتوبلازمي، مما يشير إلى أن β-CATENIN يمنع P-SMAD2/3 من الانتقال إلى النواة.
بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن SMAD7 يتفاعل مباشرة مع β-CATENIN، مما يعزز انتقاله النووي وتكامله مع عوامل النسخ TCF/LEF. هذا التفاعل حاسم لتكاثر وقدرات تجديد hDPSCs. تشير النتائج إلى أن SMAD7 لا يثبط إشارات TGF-β فحسب، بل يشكل أيضًا مركبًا نسخيًا مع β-CATENIN، مما يعزز نشاط إشارات Wnt. تؤكد الأبحاث على أهمية SMAD7 في تنسيق التفاعل بين مسارات Wnt وTGF-β، وهو أمر حيوي لتجديد الأنسجة السنية الفعال ويقدم طرقًا علاجية محتملة لتعزيز وظيفة الخلايا الجذعية في طب الأسنان التجديدي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41368-025-00393-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491770
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Qiuyu Chen et al.
Primary Topic: dental development and anomalies
Overview
Tooth morphogenesis is regulated by intricate signaling pathways and transcription factors, with the Wnt/β-catenin pathway being particularly crucial. Despite its importance, the regulatory mechanisms governing Wnt/β-catenin signaling are not fully understood. This study highlights the role of Smad7, a significant antagonist of the TGF-β superfamily, in maintaining tissue homeostasis and cellular function. Previous research indicated that Smad7 knockout in mice resulted in reduced proliferation of tooth germ cells and smaller molars. The current findings demonstrate SMAD7 expression in human dental papilla and pulp, where it colocalizes with β-CATENIN and proliferation-related proteins.
RNA sequencing revealed decreased Wnt signaling activity in Smad7-deficient mouse tooth germs. Additionally, SMAD7-knockdown human dental papilla stem cells exhibited a markedly reduced proliferation rate and diminished Wnt signaling. In vivo studies confirmed the essential role of SMAD7 in dentin formation. Mechanistically, β-CATENIN was shown to interact with phosphorylated SMAD2/3 and SMAD7, affecting Wnt/β-catenin activity through both direct and indirect regulatory mechanisms. These results underscore the importance of SMAD7 in the proliferation and differentiation of human dental stem cells, suggesting its potential application in dental tissue regeneration and engineering.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the intricate process of tooth morphogenesis, emphasizing the roles of key signaling pathways, particularly Wnt/β-catenin and TGF-β, in regulating cell behavior and tissue organization. Wnt signaling is active throughout tooth development, with critical genes such as Wnt3, Wnt5a, Wnt7b, and Wnt10b initiating dental placode formation as early as embryonic day 11 in mice. The TGF-β pathway also significantly influences tooth development, exhibiting concentration-dependent effects. Despite existing knowledge about these pathways, the interaction between Wnt and TGF-β signaling, especially in human dental mesenchymal stem cells, remains poorly understood.
The paper highlights the role of Smad7, an antagonist of TGF-β signaling, which inhibits Smad2/3 activation and promotes TGF-β receptor degradation. Smad7 is expressed in dental epithelium and mesenchyme, acting as a positive regulator of cell proliferation by inhibiting TGF-β signaling. Notably, Smad7 may also interact with Wnt signaling, as evidenced by its involvement in promoting or restricting β-catenin activity in various tissues. This study aims to elucidate the role of SMAD7 in human dental mesenchymal stem cells (hDPSCs), revealing that SMAD7 not only coordinates the crosstalk between Wnt and TGF-β pathways but also directly interacts with β-catenin to form a transcriptional complex. These findings provide insights into the dual regulatory mechanisms of SMAD7 in stem cell proliferation and differentiation, highlighting its potential as a target for tooth regeneration and dental tissue engineering.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the step-by-step processes followed, including any statistical analyses performed to evaluate the data.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the results. The rigor of the methods is crucial for the reliability of the findings, and the authors emphasize adherence to established protocols to ensure the integrity of the research outcomes.
Results
The results of this study demonstrate that SMAD7 is essential for the regeneration of the pulp-dentin complex in human dental pulp stem cells (hDPSCs). Immunofluorescent analysis revealed strong localization of SMAD7 in the dental pulp and papilla of developing human teeth, indicating its role in the maturation of dental mesenchyme. Loss-of-function experiments using shRNA-mediated knockdown of SMAD7 in hDPSCs resulted in significantly reduced dentin formation in a tissue-engineered model, as evidenced by histological analysis showing decreased cell content and diminished expression of dentin-specific markers such as DSPP and proliferation markers like Ki-67. These findings suggest that SMAD7 is crucial for both cell proliferation and odontoblast differentiation during dentin regeneration.
Further investigations into the molecular mechanisms revealed that SMAD7 deletion led to reduced Wnt/β-catenin signaling activity, which is critical for cell proliferation. Bulk RNA-seq analysis of Smad7 null mice indicated downregulation of genes associated with cell cycle progression and upregulation of TGF-β signaling pathways. Immunofluorescent staining confirmed the overlap of SMAD7 expression with active β-catenin in human dental tissues, and knockdown of SMAD7 in hDPSCs resulted in decreased expression of Wnt signaling and proliferation-related markers. Notably, treatment with a Wnt/β-catenin pathway agonist (SKL-2001) restored cell proliferation and dentin formation in SMAD7-deficient hDPSCs, highlighting the pivotal role of the SMAD7/Wnt/β-catenin signaling axis in regulating cellular behaviors essential for dental tissue regeneration.
Discussion
The research highlights the role of SMAD7 in regulating the Wnt/β-CATENIN signaling pathway through its inhibition of the TGF-β signaling pathway. The study demonstrates that SMAD7 acts as an antagonist to TGF-β, which is crucial for maintaining cell proliferation in human dental pulp stem cells (hDPSCs). Co-immunoprecipitation assays revealed a significant interaction between β-CATENIN and phosphorylated SMAD2/3, indicating a mutual regulatory relationship between the Wnt and TGF-β pathways. Knockdown experiments showed that inhibiting TGF-βRII enhanced nuclear β-CATENIN levels, while CTNNB1 knockdown increased cytoplasmic P-SMAD2/3, suggesting that β-CATENIN prevents P-SMAD2/3 from translocating to the nucleus.
Additionally, the study found that SMAD7 directly interacts with β-CATENIN, promoting its nuclear translocation and integration with TCF/LEF transcription factors. This interaction is critical for the proliferation and regenerative capabilities of hDPSCs. The findings indicate that SMAD7 not only inhibits TGF-β signaling but also forms a transcriptional complex with β-CATENIN, thereby enhancing Wnt signaling activity. The research underscores the importance of SMAD7 in coordinating the interplay between Wnt and TGF-β pathways, which is vital for effective dental tissue regeneration and offers potential therapeutic avenues for enhancing stem cell function in regenerative dentistry.