Runx2基因表達與正畸牙移動牙周改建

邵佳琪,張佳男,盧海平

骨特異性轉錄因子2(runt-related transcription factor 2, Runx2)又稱核心結合因子α1，是第一個被證實有成骨細胞特異性的轉錄因子，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，牙周組織受壓側出現破骨細胞發生骨吸收，受牽張側出現成骨細胞產生新骨[2]。牙周組織中的成纖維細胞在正畸力作用下能向成骨樣細胞分化，這一過程中成骨細胞特異性轉錄因子起著關鍵調控的作用[3]。

1 Runx2的結構及特性

1.1 Runxx家族

Runx2又稱核心結合因子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]。目前發現的該家族主要有Runx1、Runx2、Runx3。Runx1對神經細胞發育、造血干細胞分化產生促進作用，Runx3可促進胃上皮細胞生長，減少胃癌發生率，Runx2則作用于成骨細胞和軟骨細胞，促進它們的分化，促進體內骨形成、礦化和改建[5]。

1.2 Runx2特性

Runx2是一種成骨分化特異性轉錄因子，能夠調控眾多基因的轉錄，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志，Runx2表達說明成骨細胞開始分化[6]。Runx2若高表達，則骨代謝增強，新生的成骨細胞分化旺盛[4]。若Runx2缺失或表達率低將影響細胞水平上的骨分化發育[7]。同時作為成骨轉錄因子，Runx2能夠特異性調控間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)的定向分化，進而干預骨形成。Runx2基因表達的蛋白參與多種信號轉導通路，其表達受多種物質與因素的影響，如：應力刺激、微量元素、成纖維細胞生長因子、甲狀旁腺激素等。Runx2基因表達對成骨細胞和破骨細胞均有效應，在骨代謝過程中起著關鍵作用[4]。

2 正畸牙移動

正畸牙齒移動(OTM)是一個復雜的機械過程。正畸力誘導的應力導致牙周膜和牙槽骨中細胞內外基質以及細胞骨架內的動態變化，介導骨重塑，最終使正畸牙齒運動[8]。

2.1 正畸牙移動中牙周膜反應

正畸力作用于牙周組織之后，牙周膜細胞受多種信號通路和血液中產生的生物活性因子調節發生增殖分化[9]。壓力側牙周膜間隙變窄，發生循環障礙，形成缺氧環境，刺激產生破骨細胞[10]。研究表明周期性牽張應力作用于牙周組織可刺激上調人牙周膜干細胞的成骨分化能力[11]。

2.2 正畸牙移動中牙槽骨反應

在正畸力作用下牙周膜張力側和壓力側均可產生成骨細胞和破骨細胞。但張力側成骨細胞作用大于破骨細胞作用牙槽骨骨形成占優勢，在壓力側破骨細胞作用占主體，表現為骨吸收[12]。正畸牙移動速度和穩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

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，其發生依賴于牙槽骨受張力側骨形成和受壓力側骨吸收這一動態過程來完成，最終導致牙齒的移動[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與牙周膜成纖維細胞

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

3.2 Runx2與牙周膜干細胞

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

4 Runx2與正畸牙移動中牙槽骨改建

4.1 Runx2與成骨細胞

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

Runx2參與骨形成的信號通路。在成骨分化中，Runx2是提高成骨細胞分化并抑制成脂和成軟骨分化的關鍵轉錄因子，Runx2的表達受到許多信號傳導途徑的調控，例如Wnt，BMP和Notch信號傳導途徑等[25]。

4.1.1 Runx2與Notch信號通路 Notch信號通路可介導促進或抑制成骨分化[26]。在介導促進成骨分化中，Notch信號通路中Notch配體與其受體相結合，Notch信號通路被激活，進而促進Runx2表達增高，促進成骨分化。在介導抑制成骨分化時，Notch信號通路中的效應分子如：HEY(hairy/enhancer--of-split related with YRPW motif family members)與HES(hairy/enhancer of split)，可結合到Runx2上，抑制Runx2轉錄，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 經典的Wnt信號通路的激活會上調成骨調節基因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與細胞核內TCF/LEF(T-cell factor/ lymphoid enhancer-binding factor)轉錄因子相結合，激活下游靶基因并轉錄表達Runx2，促進成骨分化，抑制Wnt信號通路能抑制骨形成[28]。Runx2誘導Sp7表達，Runx2，Sp7和經典Wnt信號誘導前成骨細胞分化為不成熟的成骨細胞。Runx2和Sp7也參與成骨細胞的成熟[23]。

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

4.2 Runx2與間充質干細胞

間充質干細胞(marrow mesenchymal stem cells,MSCs)具有多向分化能力/增殖能力強等優點。Runx2是MSCs骨形成和成骨分化的重要調節劑[27]。研究發現周期性張應力激活TGF-β/BMP信號通路，骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是轉化生長因子-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干細胞下游的細胞因子如：Smad1/5/8，來激活信號通路[30]。Runx2C端有Smad結合區域，Smads復合物可以特異性識別并結合在該區域，同時Smads復合物還能特異性識別并結合Runx2C端的核基質轉導信號結合位點上，調控Runx2的轉錄特異性，顯著增加Runx2的轉錄表達[31]。Smad復合物也能激活JunB(Runx2的上游因子)，間接調控Runx2的表達[32]。研究表明通過上調Runx2可增強MSCs分化成骨的能力[25]。

4.3 Runx2與骨吸收

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

5 結 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胞因子相互作用來影響成骨細胞和破骨細胞從而影響骨代謝，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Runx2的表達，正畸牙移動的速度和穩定性有望增加。有學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Runx2基因的表達，加速成骨分化，促使新生成骨細胞的成熟，穩定牙槽骨及牙周膜改建。但Runx2調控骨形成和骨吸收的機制研究尚未完全清晰，還需更深入的研究。