MicroRNA?21 調(diào)控破骨和成骨分化作用在正畸治療中的研究進(jìn)展

陳澤策， 龍茜， 管曉燕， 劉建國，2

1.遵義醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義（563099）； 2. 貴州省高等學(xué)?？谇患膊⊙芯刻厣攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遵義市口腔疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義（563006）

在正畸矯治的牙齒移動過程中，牙齒與頜骨以及其周圍組織受到機(jī)械力作用，由于張力側(cè)和壓力側(cè)受力不同，骨吸收和骨形成的活性空間分離，在骨表面舊骨吸收、新骨形成發(fā)生適應(yīng)性骨塑建（bone modeling）［1］。骨塑建是由成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能平衡介導(dǎo)的；破骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞分化的失調(diào)可導(dǎo)致骨平衡失調(diào)和骨質(zhì)疏松癥。在正畸治療中，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的平衡介導(dǎo)著有效的牙齒移動，骨平衡失調(diào)會減緩牙齒移動速度。現(xiàn)有研究證明microRNAs（miRNAs）具有調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化和生物學(xué)功能的作用；而且在正常和炎癥微環(huán)境中均可調(diào)節(jié)正畸牙移動（orthodontic tooth movement，OTM）和牙槽骨重塑［2］。本文就miRNA?21 調(diào)控成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞分化作用在正畸治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展作一綜述。

1 miRNAs 的結(jié)構(gòu)及特性

miRNAs 作為一種小的非編碼RNA，主要存在于細(xì)胞核中；由RNA 聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄為長鏈的初級轉(zhuǎn)錄本，隨后被Drosha 裂解，產(chǎn)生長度約為70 個核苷酸的莖環(huán)結(jié)構(gòu)前體分子（pre?miRNAs）。它最終被運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中，并被RNase Ⅲ酶Dicer 進(jìn)一步加工成成熟的miRNA。miRNAs 可以通過抑制信使RNA（messenger RNA，mRNA）的翻譯或通過結(jié)合其3′?未翻譯區(qū)（3’? untranslation region，3’UTR）來降解mRNA 分子，從而沉默同源靶基因；miR?NAs 之間靶向目標(biāo)可能會重疊。miRNAs 可以通過DNA 或組蛋白修飾對表觀遺傳產(chǎn)生影響，并在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)基因表達(dá)。研究表明，miRNAs 在破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和其他類型細(xì)胞的增殖和分化中發(fā)揮重要作用［3］；此外，miRNAs 可能具有機(jī)械敏感性，并在骨塑建過程中成為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子［4］。

2 miRNA?21 的生物學(xué)特性

miRNA?21 是定位于染色體17q23.2 上的miR?NA，其與人類和大鼠空泡膜蛋白的同源物——編碼 液 泡 膜 蛋 白1（vacuole membrane protein 1，VMP1）的基因重疊。miRNA?21 被鑒定為一種致癌miRNA；其在大多數(shù)人類惡性腫瘤中過表達(dá)并作為腫瘤抑制因子；在腫瘤細(xì)胞增殖、凋亡和侵襲中發(fā)揮重要作用［5］。miRNA?21 調(diào)節(jié)多種腫瘤相關(guān)靶基因的表達(dá)，如蛋白酪氨酸磷酸酶（phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN）［5］、原肌球蛋白1（tropomyosin 1，TPM1）［6］、程序性細(xì)胞死亡蛋白4（programmed cell death 4，PDCD4）［7］、叉 頭 框 蛋 白O1（forkhead box O1，F(xiàn)OXO1）［8］及Cdc25a［9］等。在免疫系統(tǒng)中，miRNA?21 能夠調(diào)節(jié)T 細(xì)胞免疫。研究發(fā)現(xiàn)，miRNA?21 在效應(yīng)T 細(xì)胞中的表達(dá)頻率最高；表明miRNA?21 在維持T 細(xì)胞效應(yīng)狀態(tài)中可能起著重要作用。同時，Chen 等［10］在斑馬魚胚胎的早期發(fā)育階段（12 h）可以檢測到miRNA?21 的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其在成纖維細(xì)胞中的表達(dá)約占40%。另外，有研究顯示miRNA?21在分支形態(tài)的發(fā)生過程中起著重要作用。Hayashi等［11］的研究發(fā)現(xiàn)，miRNA?21 的上調(diào)可以促進(jìn)分支形態(tài)的發(fā)生；抑制miRNA?21 的表達(dá)則可以引起上皮芽數(shù)量的減少，但miRNA?21 在生長發(fā)育中的作用還有待進(jìn)一步研究。

miRNA?21 除了在腫瘤、免疫和發(fā)育中發(fā)揮作用外，在促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和成骨分化中也起著不可或缺的作用。miRNA?21 可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞生成以防止骨吸收［12］。Sun 等［13］發(fā)現(xiàn)上調(diào)miRNA?21 可顯著增加了成骨相關(guān)基因標(biāo)志物骨橋蛋白（osteopontin，OPN）、骨鈣素（osteocalcin，OCN）和堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的表達(dá)水平；表明miRNA?21 促進(jìn)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs）在體外的成骨分化；micro?CT 顯示，miRNA?21 過表達(dá)可以增加新骨的形成和礦化，促進(jìn)大鼠體內(nèi)骨折愈合。miRNA?21 對機(jī)械刺激產(chǎn)生反應(yīng)而調(diào)節(jié)成骨分化，在牙齒移動過程中可以調(diào)節(jié)OTM 和牙槽骨重塑［2］。相反，Wei 等［14］驗(yàn)證了Smad5 是miRNA?21 的一個潛在下游靶點(diǎn)，抑制miRNA?21 可以通過靶向Smad5 減少人牙周膜干細(xì)胞（human periodon?tal ligament stem cells，hPDLSCs）的成骨分化。miR?NA?21 在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞中具有雙重作用，其既可以促進(jìn)成骨分化，也可以抑制成骨分化；但是miRNA?21 在骨形成和骨吸收中的具體作用機(jī)制尚未闡明。

3 miRNA?21 調(diào)控破骨分化對正畸治療的影響

在正畸牙移動過程中，壓力和缺氧均可能啟動破骨細(xì)胞生成；miRNA 在正畸牙移動中過程中對外界機(jī)械應(yīng)力高度敏感，是維持骨骼內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子［15］。miRNA?21 被認(rèn)為是破骨細(xì)胞生成的調(diào)節(jié)劑和破骨細(xì)胞分化的啟動子。體外研究發(fā)現(xiàn)miRNA?21 通過調(diào)節(jié)PDCD4 或通過靶向Fas 配體（Fas ligand，F(xiàn)asL）促進(jìn)破骨作用［16］。另外，miRNA?21 可以調(diào)節(jié)核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor?κB li?gand，RANKL）和骨骼保護(hù)因子（osteoprotegerin，OPG），它們在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化和骨吸收功能中起著關(guān)鍵作用［17］。有研究者將敲除OPG 小鼠與敲除RANKL 小鼠作對比，兩組小鼠均發(fā)生嚴(yán)重骨質(zhì)疏松和骨壞死，證明了平衡的RANKL/OPG 比例是維持局部骨形成和骨吸收平衡的關(guān)鍵，對骨塑建至關(guān)重要［18］。RANKL 的產(chǎn)生與miRNA?21、白細(xì)胞介素?6（interleukin?6，IL?6）和靶向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducer and activator of tran?scription 3，STAT3）通路的調(diào)節(jié)反饋回路相關(guān)，而miRNA?21 的表達(dá)是由IL?6 誘導(dǎo)的，需要STAT3 通路的激活［19］。相反，miRNA?21 通過抑制PIAS3（protein inhibitor of activated STAT3）來增強(qiáng)STAT3依賴信號通路，而OPG 屬于腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）受體配體超家族，是正常骨代謝中TNF 受體的關(guān)鍵成員，OPG 能拮抗RANKL 與核因子κB 受體活化因子（receptor activator of nucle?ar factor?κB，RANK）的結(jié)合，從而保持骨量的完整性。

在多發(fā)性骨髓瘤來源的BMMSCs 中，miRNA?21 通過靶向STAT3 通路激活因子直接靶向抑制OPG，間接促進(jìn)RANKL 表達(dá)，提示miRNA?21 能促進(jìn)破骨細(xì)胞發(fā)生［20］。敲除小鼠miRNA?21 基因后可觀察到破骨細(xì)胞的增殖受到抑制，干擾miRNA?21 后在促進(jìn)骨形成的同時抑制了BMMSCs 的集落形成和增殖［21］。有學(xué)者認(rèn)為，PDCD4 是miRNA?21支持破骨細(xì)胞功能的功能靶點(diǎn)，可通過靶向PDCD4 抑制破骨細(xì)胞功能來阻斷雌激素減少后誘導(dǎo)的骨質(zhì)減少，證明miRNA?21 通過靶向PDCD4 直接控制破骨細(xì)胞功能，促進(jìn)體內(nèi)骨吸收［12］。Wang等［22］發(fā) 現(xiàn)miRNA?21 可 在 翻 譯 水 平 上 負(fù) 調(diào) 控PTEN，miRNA?21 在破骨細(xì)胞形成過程中表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和骨吸收；另外，miRNA?21還可能通過靶向PTEN 激活PI3K/AKT 信號通路促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和骨吸收。C?Fos 上調(diào)了miRNA?21 的表達(dá)，而miRNA?21 通過下調(diào)PDCD4 蛋白的表達(dá)，減少了C?Fos 在RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成過程中的抑制作用。還有研究發(fā)現(xiàn)抑制miRNA?21的表達(dá)可能與腫瘤壞死因子?α（tumor necrosis fac?tor?α，TNF?α）抑制雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松癥的骨形成有關(guān)。許諾等［23］通過細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)證明miRNA?21 可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的增殖，骨破壞標(biāo)志因子端粒酶調(diào)節(jié)蛋白（target of RNAⅢactivating protein，TRAP）與組織蛋白酶K（cathepsin K，CTSK）的表達(dá)在慢性牙周炎組織中明顯增高，并且miRNA?21 的表達(dá)與骨破壞標(biāo)志因子間有明顯相關(guān)性，提出miRNA?21 可以作為治療牙周炎骨破壞的靶點(diǎn)。

研究表明OTM 也受免疫系統(tǒng)的控制，T 細(xì)胞通過Th1 相 關(guān) 細(xì) 胞 因 子 促 進(jìn)OTM。Wu 等［24］發(fā) 現(xiàn)miRNA?21 結(jié)構(gòu)缺失會減緩牙齒移動速度、抑制破骨細(xì)胞生成數(shù)量；通過向小鼠體內(nèi)注入活化的T 細(xì)胞，觀察到小鼠的破骨細(xì)胞數(shù)量明顯升高，牙齒移動距離增加，意味著破骨細(xì)胞通過T 細(xì)胞增加了RANKL/OPG 的表達(dá)，從而促進(jìn)了OTM。李夢瑩等［25］報道在無機(jī)械力刺激的情況下，miRNA?21?/?小鼠上頜腭中縫組織的破骨細(xì)胞生成和骨吸收受到抑制。Zhang 等［26］首次探討miRNA?21 在牙周加速成骨正畸（periodontal accelerate osteogenesis or?thodontics，PAOO）中成骨和破骨分化中的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)miRNA?21 過表達(dá)后負(fù)調(diào)控靶基因PDCD4的表達(dá)，導(dǎo)致破骨細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子C?Fos 的表達(dá)水平升高，破骨細(xì)胞增加，牙槽骨發(fā)生塑建，正畸牙齒移動量增加。綜上，miRNA?21 可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化，影響骨組織的塑建，在施加正畸力后，miRNA?21 可促進(jìn)破骨細(xì)胞生成從而加快正畸移動速度，但其具體的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4 miRNA?21 調(diào)控成骨分化對正畸治療的影響

研究發(fā)現(xiàn)，miRNA?21 不僅影響骨吸收，還影響骨形成和骨分化；并且miRNA?21 的缺乏會影響骨重塑的發(fā)生，這與促進(jìn)破骨細(xì)胞生成的研究結(jié)果相反［27］。miRNA?21 在成骨細(xì)胞?破骨細(xì)胞偶聯(lián)過程中的雙重作用，可能是與其靶點(diǎn)在成骨過程中的動態(tài)調(diào)節(jié)有關(guān)。Smieszek 等［28］建立了穩(wěn)定的小鼠成骨前細(xì)胞（MC3T3）與破骨細(xì)胞前體細(xì)胞系（4B12）的間接共培養(yǎng)體系，探討抑制miRNA?21 對成骨和破骨相互作用的影響；發(fā)現(xiàn)在體外成骨的第7 天和第15 天，MC3T3 細(xì)胞中miRNA?21 表達(dá)上調(diào)，而OPN 水平下降；然而MC3T3 與4B12 細(xì)胞共培養(yǎng)時，OPN 水平升高，在MC3T3inh21/4B12 共培養(yǎng)中其表達(dá)水平顯著降低；表明成骨細(xì)胞產(chǎn)生的OPN 可以激活破骨細(xì)胞的骨吸收，在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞?成骨細(xì)胞偶聯(lián)中起著關(guān)鍵作用。Zhang 等［29］建立大鼠正畸牙移動模型，在缺氧環(huán)境中，缺氧誘導(dǎo)因子?1α（Hypoxia?inducible factor?1α，HIF?1α）和miRNA?21 的表達(dá)顯著上調(diào)，miRNA?21 模擬物增加了HIF?1α 的表達(dá)，促進(jìn)成骨分化，成骨標(biāo)志物OPN、Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（runt?related transcrip?tion factor 2，Runx2）、ALP 的表達(dá)均上調(diào)；表明miR?NA?21 對低氧下牙周膜干細(xì)胞（periodontal ligament stem cells，PDLCs）中HIF?1 的表達(dá)有促進(jìn)作用，并且在正畸牙移動過程中促進(jìn)成骨分化。

與靜態(tài)PDLSCs 相比，拉伸PDLSCs 過程中，miRNA?21 的表達(dá)水平明顯升高，證實(shí)了miRNA?21與機(jī)械力誘導(dǎo)的PDLSCs 成骨分化有關(guān)［30］。激活素受體2B（activin receptor type ⅡB，ACVR2B）是成骨分化的關(guān)鍵調(diào)控因子；ACVR2B 功能的獲得或者缺失均會對PDLSCs 成骨分化產(chǎn)生影響；miRNA?21通過靶向ACVR2B 調(diào)控PDLSCs 的牽張成骨分化。王紅等［31］通過敲除miRNA?21 基因的小鼠成功建立了上頜骨缺損模型，發(fā)現(xiàn)敲除miRNA?21 基因的小鼠的ALP 和OCN 的表達(dá)明顯減少，成骨能力減弱，表明miRNA?21 具有促進(jìn)骨重塑的作用，并且敲除miRNA?21 基因抑制了骨缺損的愈合；注射miRNA?21 的過表達(dá)試劑可以提高敲除miRNA?21基因小鼠的骨愈合能力，加速新骨生成及礦化。Hong 等［32］研究發(fā)現(xiàn)miRNA?21 參與了正畸牙齒移動，是牙周膜組織重塑的重要調(diào)節(jié)因子。當(dāng)施加牽引力時，上調(diào)的miRNA?21 促進(jìn)了PDLSCs 的成骨分化，miRNA?21 在壓力側(cè)和張力側(cè)均過表達(dá)；miR?NA?21 在礦化早期高表達(dá)，在成骨晚期表達(dá)降低；提示miRNA?21 可能通過靶向調(diào)節(jié)牙周膜相關(guān)蛋白1（periodontal ligament associated protein?1，PLAP?1）在牙齒移動后期調(diào)控牙周膜重塑，改善牙齒移動的潛能。

正畸牙移動的早期階段，是一種炎癥階段，壓力和缺氧通過誘導(dǎo)無菌性炎癥反應(yīng)，協(xié)同促進(jìn)骨組織和牙周組織的重塑。TNF?α 是一種由巨噬細(xì)胞釋放的炎性細(xì)胞因子，可誘導(dǎo)骨吸收，被認(rèn)為是參與牙周病發(fā)病的主要細(xì)胞因子，TNF?α 可以抑制PDLSCs 的成脂和成骨分化。在炎癥微環(huán)境中，TNF?α 抑制了miRNA?21 的表達(dá)。上調(diào)miRNA?21可通過抑制靶基因Spry1 部分減少TNF?α 損傷的成脂和成骨作用，提示miRNA?21/Spry1 功能軸在炎癥微環(huán)境下對PDLSC 分化中起關(guān)鍵作用，有修復(fù)牙周炎損傷的牙周組織的潛力［33］。Chen 等［2］報道，通過注射脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)小鼠牙周炎癥，miRNA?21 在炎癥中上調(diào)，牙齒移動速度與miRNA?21 低表達(dá)小鼠相比顯著增加；同時下調(diào)miRNA?21 也導(dǎo)致上頜骨骨量的減少，因此認(rèn)為miRNA?21 在牙周炎癥微環(huán)境下同時介導(dǎo)OTM和牙槽骨重塑。miRNA?21 的缺乏導(dǎo)致壓力側(cè)與張力側(cè)牙槽骨破骨細(xì)胞生成被抑制；牙齒移動的模型中可以觀察到，miRNA?21 基因敲除后小鼠牙齒移動距離顯著小于野生型小鼠。

5 小 結(jié)

miRNA?21 可以在正畸治療中調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞生成以防止骨吸收，并且在破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞中的雙重作用，使骨重塑過程加快，但其具體作用機(jī)制尚未完全闡明，有待進(jìn)一步的研究探討，以期成為正畸矯治中促進(jìn)和控制正畸牙移動速度的新靶點(diǎn)。

【Author contributions】Chen ZC wrote the article. Long Q collected the references. Guan XY and Liu JG reviewed the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.