全 文 ：第25卷 第7期
2013年7月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 25, No. 7
Jul., 2013
文章编号：1004-0374(2013)07-0716-07
收稿日期：2013-01-03；修回日期：2013-05-05
基金项目：国家自然科学基金项目(81141119，U12-
04825)
*通信作者：E-mail: cjp605@163.com
釉原蛋白与牙釉质生物矿化
楚金普*，郭　靖，孙银珑
(郑州大学口腔医学院牙体牙髓科，郑州 450052)
摘　要： 细胞外基质蛋白控制着牙釉质晶体的发生、成长和机化。釉原蛋白 (amelogenin)就是其中重要的
牙釉质基质蛋白之一 ,大约占釉质基质的 90%。釉原蛋白通过自组装、蛋白酶解处理和晶体成核与成长的
调控过程，调控着牙釉质的生物矿化。主要就釉原蛋白的结构及其在牙釉质发育过程中的功能作一综述，
同时也对目前体外合成牙釉质类材料的方法作简单的描述。
关键词：釉原蛋白；牙釉质；生物矿化
中图分类号：Q593+.6；Q518　　文献标志码：A
Amelogenin and biomineralization of dental enamel
CHU Jin-Pu*, GUO Jing, SUN Yin-Long
(Department of Cariology and Endodontology, College of Stomatology, Zhengzhou University,
Zhengzhou 450052, China)
Abstract: Extracellular matrix proteins control the formation of the inorganic component of dental enamel tissues.
Amelogenin, the major structural protein of the enamel organic matrix, constitutes more than 90% of the enamel’s
protein content. The basic and critical events including amelogenin assembly, proteolytic processing and crystal
nucleation and growth during enamel development, regulate and control the biomineralization of enamel. The
purpose of this review is mainly to evaluate the present state of knowledge regarding the molecular structure and the
functional role of amelogenin in the regulation of crystal growth and the structural organization of the resulting
enamel tissue. This review also provides a brief description of novel and bio-inspired approaches that have been
used to synthesize enamel-like materials.
Key words: amelogenin; dental enamel; biomineralization
牙齿釉质的发育是生物矿化过程的典型范例之
一，牙釉质晶体的发生、成长和机化根据基因蓝图
编码的指令进行，这些指令由一些分泌到釉质基质
中的蛋白质来执行，这些蛋白质通过其构成的基质
介导牙齿矿化的形成 [1]。釉原蛋白 (amelogenin)就是
其中重要的牙釉质基质蛋白之一。
1　釉原蛋白结构及功能特征
牙齿釉质细胞外基质蛋白主要由釉原蛋白与其
裂解产物组成，釉原蛋白由内釉上皮的成釉细胞分
泌，大约占釉质基质的 90%[1-2]。人类 X、Y染色体
上都含有釉原蛋白基因位点，而且都含有 7个外显
子，对于男性，染色体 X与 Y来源的釉原蛋白基因
都被表达，分别为 AMELX (位于 Xp22.3– p22.1)
和 AMELY (位于 Yp11)，但来源于 X染色体的釉
原蛋白基因表达的蛋白质占优势 [3]；从功能上讲，
在 mRNA和蛋白质水平，AMELX和 AMELY之间
存在较少差异，但是在基因组的内含子区域存在较
多的不同 [4]。因此，在医学上常利用以上差异来辨
别胎儿或尸体的性别。
在所有物种分泌的釉原蛋白中，主导亚型的相
楚金普，等：釉原蛋白与牙釉质生物矿化第7期 717
对分子质量大约为 20 kDa，其中人类的由 175个氨
基酸组成，鼠的由 180个氨基酸组成。全长釉原蛋
白主要由疏水残基和相对较短的亲水C末端构成 [5]，
其氨基酸序列基于组成不同可分为 3个区：含 45
个氨基酸的 N末端，富含酪氨酸，因此又称 TRAP
(tyrosine-rich amelogenin peptide)；中心区，主要由
Xxx-Yyy-Pro重复序列组成，具有疏水性；具有 11
个氨基酸的 C末端，带电荷并具有亲水性。在所有
哺乳动物中，C末端和 N末端的氨基酸序列是一致
的，有力地证实了 N末端和 C末端具有高度的保
守性 [1,6-7]，高度保守的氨基酸序列具有重要的生理
学相关性，这表明这些片段在釉质发生中起着很重
要的作用。另外，釉原蛋白还有一个小的异形体——
LRAP (leucine-rich amelogenin peptide)，LRAP是釉
原蛋白 mRNA选择性剪切的结果。鼠 LRAP含有
59个氨基酸，由鼠釉原蛋白的 33个 N末端氨基酸
和 26个 C末端氨基酸构成。LRAP具有信号分子
的作用，能够改变靶细胞的基因表达谱，促进骨细
胞的分化 [8]和促进牙周组织的再生 [9]。
与其疏水性结构相对应，釉原蛋白在生理条件
下微溶于水 [10]。研究发现，在 pH=6.8、25 ℃、0.15
mol/L 离子强度条件下，重组鼠釉原蛋白 (rM179)
的溶解性最低，但是在较低或较高的 pH值条件下
其溶解性明显增强 [11]；天然的猪釉原蛋白在接近中
性条件下溶解性也是最低的。虽然天然的釉原蛋白
与重组的釉原蛋白 (缺少 N末端的甲硫氨酸和 S-16
的磷酸化 )不同，但随着离子强度的变化，其溶解
性也在变化，随离子强度升高而降低。目前，在生
理条件下釉质形成的分泌期，其基质的离子强度和
pH值已经被界定，pH值接近中性，离子强度相对
较高 (大约 165 mmol/L)[12]。釉原蛋白具有较低的
溶解性，这易导致其形成聚集物，因此，釉原蛋白
在生理状态下，很可能以固态或凝胶的形式存在，
未溶解的釉原蛋白与溶解的釉原蛋白平衡共存 [13]。
由此可见，未溶解的釉原蛋白与溶解的釉原蛋白在
早期釉质矿化过程中可能起到不同的作用。釉原
蛋白这种溶解与聚集的特性与其蛋白质结构明显
相关。
Renugopalakrishnan等 [14]和 Aoba等 [15]通过圆
二色谱法 (circular dichroism spectroscopy, CD)和傅
氏转换红外线光谱法 (fourier transform infrared spec-
troscopy, FTIR)研究溶液中牛釉原蛋白的结构变化，
结果发现其二级结构主要由 β-sheet、 β-turn和不规
则螺旋组成。Goto等 [16]于 1993年完成了猪全长釉
原蛋白、片段及重组猪釉原蛋白的 CD研究，结果
发现釉原蛋白 3种结构模式与其不同的氨基酸序列
相对应：N末端 (TRAP)为 β-sheet；中心区富含展
开的聚脯氨酸 II 或 β-turn，如 β-螺旋；C末端由不
规则螺旋组成。关于其三级结构，Matsushima等 [17]
利用同步辐射小角 X射线散射 (SAxS)技术对酸性
溶液中 20 kDa的猪釉原蛋白 (缺乏 C末端 )进行结
构分析，证明在酸性溶液中单个釉原蛋白分子结构
呈不对称的狭长杆状或椭圆形。这种结构后来也被
Fukae[18]进一步证实。这些扩展型的结构将加强蛋
白质与蛋白质、蛋白质与矿物质的相互作用，这与
釉原蛋白的作用是一致的。
2　釉原蛋白的自组装
由于釉原蛋白 cDNA的克隆及其重组蛋白在
Escherichia coli中的成功表达、纯化，以及后来一
些新的提纯方法的出现，高纯度重组釉原蛋白的获
得为进一步研究蛋白质功能奠定了基础，推动了对
其生物化学研究的深入 [11,19-21]。在牙釉质形成的早
期阶段，釉原蛋白的自组装在调控釉质晶体生长和
排列过程中起着至关重要的作用。1994年，Moradian-
Oldak 等 [22] 应用动态光散射技术 (dynamic light
scattering, DLS)、色谱法、原子力显微镜和透视电
子显微镜研究发现，重组鼠釉原蛋白 (rM179)自组
装构成直径 15~20 nm大小的“纳米球”状结构，
与釉质晶体的侧面对齐，这些结构后来在鼠磨牙釉
质发育阶段早期的组织切片中被证实，因此认为釉
原蛋白“纳米球”为牙釉质晶体的发生和成长方向
提供了一个有机的微观结构 [1]。进一步研究证实，
这种自组装过程由其疏水性所驱动，而且对溶液的
pH值和温度敏感，变化溶液的理化条件，釉原蛋
白可形成直径 5~100 nm大小的“纳米球” [23-24]。
Wiedemann-Bidlack等 [25]的研究也发现，釉原蛋白
的自组装对 pH值非常敏感，似乎也受其疏水性和
亲水性相互作用的影响；更为重要的发现是，在生
理 pH、温度和离子强度条件下，全长猪釉原蛋白
(P173)的磷酸化基团对其自组装成高度有序的链状
结构有着潜在但却很重要的影响。2011年，Le Norcy
等 [26]进一步证明，釉原蛋白磷酸化基团对其自组
装有着很重要的影响。
Aichmayer 等 [27]研究发现，悬浮状态的重组
全长猪 rP172和鼠 rM179形成的“纳米球”呈椭圆
形而非以前研究描述的球型颗粒，而且在接近生理
条件下，能够进一步地集聚。这种椭圆形的“纳米球”
生命科学 第25卷718
是构成高度有序各向异性的长链状结构的关键，同
时证实这种长链状结构在纳米水平调控釉质晶体构
成中扮演着重要角色，最终生成高度有序的平行排
列的釉质羟基磷灰石 (hydroxyapatite, HA)晶体。
目前已证实釉原蛋白“纳米球”是发育中牙釉
质细胞外基质蛋白的基本结构单位，其大小取决于
凝胶状基质的组成和异质性。比如，从牙釉质发育
阶段细胞外基质中分离的具有异质性的釉原蛋白碎
片中，可探测到直径 20~200 nm大小的“纳米球”，
而在重组的全长釉原蛋白基质中，纳米球相对均匀
(低异质性 )，其直径仅在 15~10 nm之间 [28-29]。从
猪发育期釉质基质中提取的釉原蛋白包含 7%的全
长蛋白、11%的 23 kDa蛋白和 40%的 20 kDa蛋白，
还有少量多肽。在天然釉原蛋白基质凝胶中高异质
性 (宽范围尺寸“纳米球”状结构 )的存在主要是
由于釉原蛋白酶解产物进一步融合造成的，这种融
合是釉原蛋白之间相互作用的结果 [23]。在釉原蛋白
氨基酸序列 157 aa ~173 aa之间可能为相互作用的
区域，这个区域也被 Paine和 Snead[30]通过酵母双杂
交实验证实，并称作自组装“B-domain” 。Moradian-
Oldak等 [31]研究发现，釉原蛋白“B-domain”的改
变可导致其“纳米球” 直径大小分布从 21 nm变化
到 49 nm，同时也发现这种“纳米球” 直径大小分
布范围的增长是由“B-domain”区域改变造成
15~20 nm大小的“纳米球”融合而成。此外，这
种融合现象也反映了天然牙釉质基质中含有丰富的
釉原蛋白酶解产物和它们重新联合构成的异型体。
Fang 等 [32]通过低温电子显微镜研究发现，釉
原蛋白是逐步分层进行自组装，同时也发现其亲水
C末端多肽之间的相互作用是低聚物构成和后续的
分层自组装所必需的，这种自组装能稳定矿物质成
核前的集聚，指导它们排列成线性长链再组成平行
阵列，未成核的矿物质长链再融合构成针状的矿物
质颗粒，最终形成成束的晶体。
牙釉质基质中丰富的釉原蛋白酶解产物与釉质
基质中的蛋白水解酶有关，这些蛋白水解酶不同于
骨、软骨、牙本质和牙骨质形成中的蛋白酶，因为
这些蛋白酶不参与组织的重建，而是在釉质完成矿
化之前逐渐地处理和最终消化釉基质蛋白 (主要是
釉原蛋白 )。目前发现的釉基质蛋白水解酶主要有
2种：金属基质蛋白酶溶牙釉质素 ( matrix metallo-
proteinase, MMP)和丝氨酸蛋白酶 (enamel matrix
serine proteinase 1, EMSP1) [33-34]。溶牙釉质素对釉
原蛋白酶解位点已被确认，位于 F/S、P/L、 P/A、 A/L、
P/M、S/Q 和 W/L[35-36]。研究发现，MMP-20可以把
全长人釉原蛋白 (H175)酶解为 TRAP、23 kDa肽段
H164和 H147，以及不同的 C末端片段 [37-38]。EMSP1
主要在釉质成熟早期负责完全消化釉原蛋白。
3　釉原蛋白与矿物质的相互作用
目前，有两种策略来研究釉原蛋白与 HA矿物
质的相互作用，即测定吸附参数和晶体生长的动力
学 [39-41]。酶解后缺少亲水 C末端的釉原蛋白对 HA
的亲和力下降，从而降低了它对 HA的抑制作用，
这种抑制作用的降低很清晰地表明，釉原蛋白与
HA晶体之间存在着相互作用，酶解作用能够改变
其相互作用 [39-40]。目前有关釉原蛋白调控晶体生长
过程的分子机制假说包括：阻止晶体成熟前融合 [42]、
调控晶体形态和接下来晶体的伸长 [43]。对不同釉原
蛋白片段溶液中成长的 HA晶体聚集物颗粒大小分
布研究发现，全长釉原蛋白与缺少 C末端的釉原蛋
白相比，能更有效促进 HA晶体的聚集，主要是两
个参数——蛋白质对 HA的亲和力和釉原蛋白自组
装的倾向力的改变造成的，即紧紧相连的釉原蛋白
“纳米球”同 HA晶体相互作用吸附到 HA晶体上，
把 HA晶体连接起来并充满晶体之间的间隙，保护
并阻止它们在成熟之前融合。就釉质基质分泌的早
期阶段只有很薄的晶体构成来看，似乎这种保护作
用是必需的，但是值得注意的是，釉原蛋白这种抑
制作用要比其他的一些酸性大分子物质 (如 Phosvitin)
要小，表明在釉质晶体形成的早期阶段，釉原蛋白
的作用并不仅仅是抑制晶体的成长，还提供了保护
性外膜的作用。其他研究结果也发现，最初形成的
高度有序的晶体之间的距离大约为 20 nm，这与全
长釉原蛋白“纳米球”的直径匹配，故也支持了这
一观点 [44]。
磷酸八钙 (octacalcium phosphate, OCP)的晶体
单位包含有像 HA一样的结构和水层结构 [45]。条带
样的釉质晶体形成初期是以 OCP形式存在的，然
后由 OCP转变成 HA[46]。因此，为了验证前面提到
的假说——釉原蛋白调控晶体形态，有学者首先就
釉原蛋白与 OCP晶体的相互作用进行了研究。为了
证明釉原蛋白对OCP晶体生长的影响，使用了两个
不同的实验模型，第一个是双向扩散法 [47]，晶体的
形成是在双向扩散盒中进行，将不同浓度 (0%~2%)
的釉原蛋白溶在 10%明胶凝胶中。结果发现，含
有釉原蛋白的明胶实验组其 OCP晶体明显变长，
而且釉原蛋白对 OCP晶体形态的影响具有剂量依
楚金普，等：釉原蛋白与牙釉质生物矿化第7期 719
赖性，釉原蛋白浓度越高，OCP晶体变长越明显。
因此，作者分析釉原蛋白“纳米球”可能是同 OCP
晶体的 010面相互作用致使晶体平行于其 c轴快速
生长，进而导致其明显变长。更有趣的是，在这个
实验中，使用的釉原蛋白是猪发育期釉质基质的提
取物，主要是由釉原蛋白的蛋白水解物组成，只有
大约 7%是全长釉原蛋白，因此表明釉原蛋白的 C
末端对晶体的形态没有特殊的影响，而是其他一些
机制，如釉原蛋白疏水性和自组装特性被涉及。另
一个实验模型是阳离子选择性透析法 [48]，晶体的形
成是在阳离子选择膜和透析膜之间进行，用的是纯
的 10%的釉原蛋白凝胶。结果发现，当 Ca2+通过
膜扩散到晶体形成空间后，有非常显著的长的 OCP
晶体形成，长宽比率约为 66。通过系统地测量晶体
的厚度 (a轴 )、宽度 (b轴 )和长度 (c轴 )，表明相
对于白蛋白和明胶，釉原蛋白对 OCP晶体形态具
有明显和特殊的影响。长度与宽度的比率、厚度与
宽度的比率的增长表明，釉原蛋白与晶体 010面较
强的相互作用抑制了晶体 b轴的生长 (宽度 )，生
长抑制大小为 b轴 >c轴 >a轴。釉原蛋白“纳米球”
与 OCP晶体各个面相互作用的程度取决于 OCP晶
体各个面 (100面、010面和 001面 )所带电荷的量
和暴露的水层的量，如 100面含有一层水分子，这
就不利于疏水性釉原蛋白的黏附 [45]。因此，釉原蛋
白的疏水性和亲水性、OCP晶体各个面所带电荷量
都可能影响釉原蛋白“纳米球”与 OCP晶体的相
互作用。重组全长鼠釉原蛋白 (rM179)的效果明显
不同于重组的缺乏亲水 C末端的鼠 rM166 釉原蛋
白，提示釉原蛋白对 OCP晶体形态的影响取决于
釉原蛋白有无亲水的 C末端肽 [49]。
Kwak 等 [50]利用天然的 20 kDa猪釉原蛋白的
蛋白水解产物 P148(在第 16位丝氨酸处有一个磷
酸基团 )研究对钙磷的影响，结果发现当缺乏 P148
的情况下，无定型磷酸钙 (amorphous calcium phosphate,
ACP)相对较快地转化为碟状的 HA晶体；与此形
成鲜明对比，在存在 P148的情况下，ACP相对较
慢地转化为碟状 HA晶体，并且发现可抑制磷酸钙
沉淀和稳定 ACP这种结构形式超过 1 d。额外使
用去磷酸化的 P147和部分去磷酸化的 P148的实验
结果都证明，P148对矿物质的形成具有较强的影响。
在后来的一些研究中也进一步证明了釉原蛋白中磷
酸基团的作用，天然的磷酸化的猪釉原蛋白 (P172)
同样能稳定 ACP保持相对较长的一段时间，与去
磷酸化的 rP172 形成鲜明的对比 [25,51]。
在对 HA晶体形态的影响方面，很早就有学者
通过体外实验尝试评估釉原蛋白对HA晶体的作用。
1986年，Weiner[52]研究提出，在生物矿化系统中，
疏水性分子 (如釉原蛋白 )提供一个骨架或者叫可
填充的空间结构，而酸性的亲水性分子 ( 如
Enamelin和 Ameloblastin)主要参与调控晶体的成核
和生长。但是后来有学者研究发现 [12,53]， 25 kDa猪
釉原蛋白能够吸附到 HA表面，而且当增加到对
HA过饱和的溶液中后，能部分地抑制其种子晶体
的生长。更为重要的是，23 kDa 猪釉原蛋白的蛋白
水解产物 20 kDa 、13 kDa 釉原蛋白大大降低了其
对HA的黏附能力和抑制晶体生长的能力。Wen 等 [54]
选择生物活性玻璃作为底物来研究釉原蛋白对 HA
晶体的影响，结果发现釉原蛋白能够影响置于过饱
和钙溶液中的生物活性玻璃上形成的 HA晶体的生
长习性；重组全长釉原蛋白能够促进成束的长的
HA晶体的形成，其方向都平行于它们的 c轴，这
些成束的晶体中的单个晶体都呈狭长的弯曲的形
态，而添加白蛋白则导致整个晶体尺寸的减少，表
明其对晶体成长具有抑制作用。同时，该系统造成
成束的碟状 59 nm厚、300~600 nm宽的 HA晶体定
向成长，表明釉原蛋白是通过抑制 HA晶体侧面生
长和促使 c轴方向优先生长来影响 HA晶体的形态。
Wallwork等 [55]通过原子力显微镜可直接观察到沿
着釉质晶体侧面附着的鼠釉原蛋白 (rM179)“纳米
球”。2012年 , Beniash等 [56]通过体外实验进一步
发现，重组的全长鼠釉原蛋白和不含 C末端的釉原
蛋白都能抑制 HA晶体生长 (垂直于 c轴的方向 )；
同时，微晶构成的平行阵列仅在全长釉原蛋白存在
下形成。这些结果表明，牙釉质蛋白的疏水部分在
抑制晶体生长中起重要作用，而 C末端结构域在晶
体排列的取向中必不可少。从以上这些结果可推测，
釉原蛋白参与了釉质发育过程中晶体生长的整个过
程，但是，釉原蛋白与 HA晶体相互作用的机制许
多方面仍不清楚，尚值得进一步研究。Le Norcy等 [57]
最近也利用缺乏 C末端的磷酸化和去磷酸化的富含
亮氨酸的釉原蛋白多肽 LRAP，研究了疏水的 N末
端在ACP形成过程中的作用，结果发现在对照组中，
ACP初步形成后，转化为随机取向的 HA的板状晶
体。相反，LRAP(+ P)-CT能稳定形成的 ACP的时
间为 1 d，而 LRAP(-P)-CT加快转变为 HA，但对
晶体的形状或方向几乎没有影响，研究结果也进一
步显示，釉原蛋白的 N端结构域在釉质形成的早期
阶段发挥直接作用。
生命科学 第25卷720
4　釉原蛋白在釉质仿生矿化中的应用
对生物分子介导的矿化过程的解读有利于设计
和合成具有分层组织结构的无机材料。因此，由此
获得启发合成复杂仿生材料的方法引起了材料学、
工程学和牙科学等多个学科学者的广泛兴趣。通过
这些方法不但能够提高对生物矿化过程的认识，而
且为合成具有理想理化特性的功能性无机复合材料
提供了一种路径。生物材料，如牙釉质，具有复杂
的结构和突出的物理性能，通过传统的材料合成方
法 (大多是在高温或低 pH条件下 )很难获得，开
发一种不需要极端理化条件 (如 pH和温度过高或
过低 )的仿生合成方法变得越来越重要 [58]，如自组
装有机超结构作为模板引导和调控无机材料 (如磷
酸钙 )的生长 [59]；通过与高分子骨架 (大多是蛋白质 )
相互作用来合成构建生物硬组织 [60-61] ；利用晶体生
长水热法合成类牙釉质样结构等 [62-63]。近几年来，
对釉原蛋白的结构、功能、基因表达模式、釉质形
成过程中矿化期本质的认识以及釉质有机基质之间
的相互作用认识的发展，使得人们能够在实验室中
利用一些技术在无细胞条件下合成像釉质样的材
料，而对蛋白质自组装和同时发生的钙磷结晶调控
的认识是设计和开发釉质类材料的基础 [64]。最近几
年在该领域也取得了一些有意义的进展，比如前面
提到的重组全长釉原蛋白在过饱和钙溶液能够促进
成束的纵长的 HA晶体的形成，其方向都平行于它
们的 c轴等 [48]，但目前仍不能完全复制釉质的详细
结构和功能特性。
5　总结与展望
釉原蛋白是釉质形成中重要的釉基质蛋白，其
化学结构、自组装和与矿物质的作用关系在调控釉
质矿化过程中起着作用。在哺乳动物中，高度保守
的氨基酸序列表明，这些片段在釉质发生中起着很
重要的作用，其疏水性结构导致釉原蛋白在生理条
件下具有较低溶解性；全长釉原蛋白的自组装结
构——“纳米球”在调控晶体形状与构成中起着独
特的作用，但受其釉原蛋白二、三级结构的影响；
与 OCP、ACP、HA的相互作用调控着晶体的成核
与生长。基于目前已经确定的这些研究成果推测，
全长的釉原蛋白自组装、与矿物质的相互作用以及
与其他釉基质蛋白协同调控釉质晶体的形成、成长
和排列等事件最终形成了几乎完全没有基质蛋白存
在痕迹的、高度矿化的、高度有序的、具有特殊结
构的成熟釉质。很显然，需要更多的研究来阐明和
证实这一过程，如证明全长釉原蛋白在矿物质形成
期是否能够构成定向的高度有序的结构；为什么蛋
白水解过程是必需的；钙离子在釉质基质自组装中
的角色；对矿化驱动力的调控；其他釉基质蛋白的
潜在角色等等。阐明和证实这一过程，对于牙釉质
的再生和研制新型的牙科修复材料具有重要的价值
和意义。
[参　考　文　献]
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