Runx2基因表達(dá)與正畸牙移動牙周改建

邵佳琪,張佳男,盧海平

骨特異性轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2, Runx2)又稱核心結(jié)合因子α1，是第一個被證實有成骨細(xì)胞特異性的轉(zhuǎn)錄因子，在成骨過程中起重要作用[1]。正畸牙移動(orthodontic tooth movement, OTM)過程中，正畸力通過托槽作用于牙齒上，引起牙周組織改建，牙周組織受壓側(cè)出現(xiàn)破骨細(xì)胞發(fā)生骨吸收，受牽張側(cè)出現(xiàn)成骨細(xì)胞產(chǎn)生新骨[2]。牙周組織中的成纖維細(xì)胞在正畸力作用下能向成骨樣細(xì)胞分化，這一過程中成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子起著關(guān)鍵調(diào)控的作用[3]。

1 Runx2的結(jié)構(gòu)及特性

1.1 Runxx家族

Runx2又稱核心結(jié)合因子α1(core-binding factoral，CBFA1)、急性骨髓性白血病因子3(acute myeloid leukemia3，AML3)，是Runxx家族之一[4]。目前發(fā)現(xiàn)的該家族主要有Runx1、Runx2、Runx3。Runx1對神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育、造血干細(xì)胞分化產(chǎn)生促進(jìn)作用，Runx3可促進(jìn)胃上皮細(xì)胞生長，減少胃癌發(fā)生率，Runx2則作用于成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，促進(jìn)它們的分化，促進(jìn)體內(nèi)骨形成、礦化和改建[5]。

1.2 Runx2特性

Runx2是一種成骨分化特異性轉(zhuǎn)錄因子，能夠調(diào)控眾多基因的轉(zhuǎn)錄，也是骨代謝過程中的控制因子。Runx2是骨形成過程中最早和最具特征性的標(biāo)志，Runx2表達(dá)說明成骨細(xì)胞開始分化[6]。Runx2若高表達(dá)，則骨代謝增強(qiáng)，新生的成骨細(xì)胞分化旺盛[4]。若Runx2缺失或表達(dá)率低將影響細(xì)胞水平上的骨分化發(fā)育[7]。同時作為成骨轉(zhuǎn)錄因子，Runx2能夠特異性調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)的定向分化，進(jìn)而干預(yù)骨形成。Runx2基因表達(dá)的蛋白參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，其表達(dá)受多種物質(zhì)與因素的影響，如：應(yīng)力刺激、微量元素、成纖維細(xì)胞生長因子、甲狀旁腺激素等。Runx2基因表達(dá)對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞均有效應(yīng)，在骨代謝過程中起著關(guān)鍵作用[4]。

2 正畸牙移動

正畸牙齒移動(OTM)是一個復(fù)雜的機(jī)械過程。正畸力誘導(dǎo)的應(yīng)力導(dǎo)致牙周膜和牙槽骨中細(xì)胞內(nèi)外基質(zhì)以及細(xì)胞骨架內(nèi)的動態(tài)變化，介導(dǎo)骨重塑，最終使正畸牙齒運(yùn)動[8]。

2.1 正畸牙移動中牙周膜反應(yīng)

正畸力作用于牙周組織之后，牙周膜細(xì)胞受多種信號通路和血液中產(chǎn)生的生物活性因子調(diào)節(jié)發(fā)生增殖分化[9]。壓力側(cè)牙周膜間隙變窄，發(fā)生循環(huán)障礙，形成缺氧環(huán)境，刺激產(chǎn)生破骨細(xì)胞[10]。研究表明周期性牽張應(yīng)力作用于牙周組織可刺激上調(diào)人牙周膜干細(xì)胞的成骨分化能力[11]。

2.2 正畸牙移動中牙槽骨反應(yīng)

在正畸力作用下牙周膜張力側(cè)和壓力側(cè)均可產(chǎn)生成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。但張力側(cè)成骨細(xì)胞作用大于破骨細(xì)胞作用牙槽骨骨形成占優(yōu)勢，在壓力側(cè)破骨細(xì)胞作用占主體，表現(xiàn)為骨吸收[12]。正畸牙移動速度和穩(wěn)定性取決于牙槽骨的重建。

3 Runx2與正畸牙移動中牙周膜反應(yīng)

正畸牙移動是一個改建的過程，包括骨組織改建和牙周組織改建，其發(fā)生依賴于牙槽骨受張力側(cè)骨形成和受壓力側(cè)骨吸收這一動態(tài)過程來完成，最終導(dǎo)致牙齒的移動[13]。研究表明正畸牙移動過程中，牙周組織中Runx2的表達(dá)會增加，表明Runx2在牙周組織改建過程中起到了一定的作用[14]。

3.1 Runx2與牙周膜成纖維細(xì)胞

Runx2在牙周膜(periodontal ligament，PDL)成纖維細(xì)胞中表達(dá)，體外研究認(rèn)為牙周膜細(xì)胞中的Runx2是力學(xué)信號刺激的作用位點[15]，正畸力作用下骨細(xì)胞受刺激釋放生物活性因子將機(jī)械應(yīng)力信號轉(zhuǎn)化為骨形成或骨吸收的生化信號，調(diào)控成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞活動，產(chǎn)生骨形成與骨吸收，實現(xiàn)牙槽骨重塑及牙齒的移動[16]。研究表明周期性張應(yīng)力作用下，ERK1/2-Runx2通路被激活，ERK1/2進(jìn)入細(xì)胞核中與Runx2形成蛋白復(fù)合體，促進(jìn)牙周膜成纖維細(xì)胞中的Runx2蛋白的磷酸化，從而促進(jìn)Runx2下游成骨靶基因SP7、OCN、BSP等的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，促進(jìn)牙周膜成纖維細(xì)胞的成骨分化[17]。

3.2 Runx2與牙周膜干細(xì)胞

牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament stem cells，PDLSCs)是位于牙周組織中一群未分化的前體細(xì)胞具有多向分化特性。Runx2為特異性轉(zhuǎn)錄因子，在牙周膜干細(xì)胞中Runx2可通過調(diào)控核因子κB受體激活因子配體(receptor activator of NF-κBligand, RANKL)和OPG進(jìn)而影響牙周膜干細(xì)胞的成骨向分化，有研究表明牙周膜干細(xì)胞分化后而RUNX2的表達(dá)水平明顯升高[18]。

4 Runx2與正畸牙移動中牙槽骨改建

4.1 Runx2與成骨細(xì)胞

Runx2主要表達(dá)于牙周膜的成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞及成牙骨質(zhì)細(xì)胞中[1]。Runx2在成骨細(xì)胞母細(xì)胞中表達(dá)，在成骨細(xì)胞分化初期表達(dá)量最高，在成骨細(xì)胞成熟時表達(dá)量下降[19]。研究表明Runx2參與力學(xué)刺激促進(jìn)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞骨向分化的信號傳導(dǎo)[20]，Runx2在成骨細(xì)胞早期分化中觸發(fā)骨基質(zhì)蛋白的形成，促進(jìn)Ⅰ型膠原，骨調(diào)素及骨鈣素等成骨基因的表達(dá)[21]，促進(jìn)骨形成，在成骨細(xì)胞的成熟過程中起抑制作用[4,22]。Runx2是骨髓間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞成骨的必要條件[23]，實驗研究發(fā)現(xiàn)缺乏Runx2的小鼠不能完成骨的發(fā)育，而Runx2基因突變或轉(zhuǎn)基因的小鼠骨的發(fā)育也會出現(xiàn)停滯，成骨細(xì)胞成熟受到抑制，骨吸收增強(qiáng)[24]。

Runx2參與骨形成的信號通路。在成骨分化中，Runx2是提高成骨細(xì)胞分化并抑制成脂和成軟骨分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，Runx2的表達(dá)受到許多信號傳導(dǎo)途徑的調(diào)控，例如Wnt，BMP和Notch信號傳導(dǎo)途徑等[25]。

4.1.1 Runx2與Notch信號通路 Notch信號通路可介導(dǎo)促進(jìn)或抑制成骨分化[26]。在介導(dǎo)促進(jìn)成骨分化中，Notch信號通路中Notch配體與其受體相結(jié)合，Notch信號通路被激活，進(jìn)而促進(jìn)Runx2表達(dá)增高，促進(jìn)成骨分化。在介導(dǎo)抑制成骨分化時，Notch信號通路中的效應(yīng)分子如：HEY(hairy/enhancer--of-split related with YRPW motif family members)與HES(hairy/enhancer of split)，可結(jié)合到Runx2上，抑制Runx2轉(zhuǎn)錄，從而抑制成骨分化，這個過程是相互的[4]。

4.1.2 Runx2與Wnt/β-catenin信號通路 經(jīng)典的Wnt信號通路的激活會上調(diào)成骨調(diào)節(jié)基因Runx2[27]。Wnt/β-catenin信號通路激活后會抑制β-catenin的磷酸化。未磷酸化的β-catenin與細(xì)胞核內(nèi)TCF/LEF(T-cell factor/ lymphoid enhancer-binding factor)轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合，激活下游靶基因并轉(zhuǎn)錄表達(dá)Runx2，促進(jìn)成骨分化，抑制Wnt信號通路能抑制骨形成[28]。Runx2誘導(dǎo)Sp7表達(dá)，Runx2，Sp7和經(jīng)典Wnt信號誘導(dǎo)前成骨細(xì)胞分化為不成熟的成骨細(xì)胞。Runx2和Sp7也參與成骨細(xì)胞的成熟[23]。

4.1.3 Runx2與Fgf信號通路 成纖維細(xì)胞生長因子(Fibroblast growth factor,Fgf)信號在成骨細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖中起主要作用，而Runx2通過誘導(dǎo)Fgfr2和Fgfr3來調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖。Fgfr2和Fgfr3在成骨細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖中起作用，并且它們通過有絲分裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號傳導(dǎo)途徑誘導(dǎo)增殖。Runx2增加了野生型成骨祖細(xì)胞的增殖，并增強(qiáng)了Fgf2誘導(dǎo)的增殖。在Runx2轉(zhuǎn)基因小鼠中，過表達(dá)或基因敲除實驗以及報告和芯片檢測表明Runx2直接調(diào)控FGFR1、FGFR2和FGFR3[29]。

4.2 Runx2與間充質(zhì)干細(xì)胞

間充質(zhì)干細(xì)胞(marrow mesenchymal stem cells,MSCs)具有多向分化能力/增殖能力強(qiáng)等優(yōu)點。Runx2是MSCs骨形成和成骨分化的重要調(diào)節(jié)劑[27]。研究發(fā)現(xiàn)周期性張應(yīng)力激活TGF-β/BMP信號通路，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)家族一員，可通過磷酸化受體激活骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞下游的細(xì)胞因子如：Smad1/5/8，來激活信號通路[30]。Runx2C端有Smad結(jié)合區(qū)域，Smads復(fù)合物可以特異性識別并結(jié)合在該區(qū)域，同時Smads復(fù)合物還能特異性識別并結(jié)合Runx2C端的核基質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號結(jié)合位點上，調(diào)控Runx2的轉(zhuǎn)錄特異性，顯著增加Runx2的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[31]。Smad復(fù)合物也能激活JunB(Runx2的上游因子)，間接調(diào)控Runx2的表達(dá)[32]。研究表明通過上調(diào)Runx2可增強(qiáng)MSCs分化成骨的能力[25]。

4.3 Runx2與骨吸收

正畸牙移動過程中，壓力側(cè)牙周膜受壓迫，破骨細(xì)胞產(chǎn)生，牙槽骨吸收，牙齒向壓力側(cè)移動。研究表明成骨細(xì)胞產(chǎn)生的骨保護(hù)蛋白(osteprotegerin, OPG)和破骨細(xì)胞分化因子(osteoclast differentiation factor, ODF)對破骨細(xì)胞的形成和分化具有重要影響。OPG能抑制破骨細(xì)胞樣細(xì)胞形成，抑制骨吸收。ODF能結(jié)合OPG，結(jié)合OPG之后的ODF與巨噬細(xì)胞集落刺激因子一起能誘導(dǎo)破骨細(xì)胞樣細(xì)胞的產(chǎn)生。有研究報道ODF缺失的小鼠因為失去誘導(dǎo)破骨細(xì)胞樣細(xì)胞形成的能力表現(xiàn)為缺乏破骨細(xì)胞和骨硬化[4]。研究發(fā)現(xiàn)Runx2可以通過誘導(dǎo)核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)配體受體活化子配基的表達(dá)和抑制OPG的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化[33]。Runx2缺失的小鼠其體內(nèi)破骨細(xì)胞形成減慢，提示Runx2缺失引起的成骨細(xì)胞成熟停止可能與破骨細(xì)胞形成不足相關(guān)聯(lián)[34]。也有研究認(rèn)為Runx2可能通過調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化因子影響破骨細(xì)胞和骨吸收[35]。

5 結(jié) 論

Runx2能通過參與TGF-β/BMP信號通路、Notch信號通路及Wnt信號通路等多種信號通路以及與多種細(xì)胞因子相互作用來影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞從而影響骨代謝，對牙槽骨的骨形成及骨吸收都具有十分重要的意義。而正畸牙移動的過程受移動牙周圍的牙槽骨改建的影響。通過促進(jìn)Runx2的表達(dá)，正畸牙移動的速度和穩(wěn)定性有望增加。有學(xué)者研究表明淫羊藿苷[6]、黃芩苷[36]、葛根素[37]、弱激光[38]等可以上調(diào)Runx2基因的表達(dá)，加速成骨分化，促使新生成骨細(xì)胞的成熟，穩(wěn)定牙槽骨及牙周膜改建。但Runx2調(diào)控骨形成和骨吸收的機(jī)制研究尚未完全清晰，還需更深入的研究。