Runx2基因表达与正畸牙移动牙周改建

邵佳琪,张佳男,卢海平

骨特异性转录因子2(runt-related transcription factor 2, Runx2)又称核心结合因子α1，是第一个被证实有成骨细胞特异性的转录因子，在成骨过程中起重要作用[1]。正畸牙移动(orthodontic tooth movement, OTM)过程中，正畸力通过托槽作用于牙齿上，引起牙周组织改建，牙周组织受压侧出现破骨细胞发生骨吸收，受牵张侧出现成骨细胞产生新骨[2]。牙周组织中的成纤维细胞在正畸力作用下能向成骨样细胞分化，这一过程中成骨细胞特异性转录因子起着关键调控的作用[3]。

1 Runx2的结构及特性

1.1 Runxx家族

Runx2又称核心结合因子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]。目前发现的该家族主要有Runx1、Runx2、Runx3。Runx1对神经细胞发育、造血干细胞分化产生促进作用，Runx3可促进胃上皮细胞生长，减少胃癌发生率，Runx2则作用于成骨细胞和软骨细胞，促进它们的分化，促进体内骨形成、矿化和改建[5]。

1.2 Runx2特性

Runx2是一种成骨分化特异性转录因子，能够调控众多基因的转录，也是骨代谢过程中的控制因子。Runx2是骨形成过程中最早和最具特征性的标志，Runx2表达说明成骨细胞开始分化[6]。Runx2若高表达，则骨代谢增强，新生的成骨细胞分化旺盛[4]。若Runx2缺失或表达率低将影响细胞水平上的骨分化发育[7]。同时作为成骨转录因子，Runx2能够特异性调控间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)的定向分化，进而干预骨形成。Runx2基因表达的蛋白参与多种信号转导通路，其表达受多种物质与因素的影响，如：应力刺激、微量元素、成纤维细胞生长因子、甲状旁腺激素等。Runx2基因表达对成骨细胞和破骨细胞均有效应，在骨代谢过程中起着关键作用[4]。

2 正畸牙移动

正畸牙齿移动(OTM)是一个复杂的机械过程。正畸力诱导的应力导致牙周膜和牙槽骨中细胞内外基质以及细胞骨架内的动态变化，介导骨重塑，最终使正畸牙齿运动[8]。

2.1 正畸牙移动中牙周膜反应

正畸力作用于牙周组织之后，牙周膜细胞受多种信号通路和血液中产生的生物活性因子调节发生增殖分化[9]。压力侧牙周膜间隙变窄，发生循环障碍，形成缺氧环境，刺激产生破骨细胞[10]。研究表明周期性牵张应力作用于牙周组织可刺激上调人牙周膜干细胞的成骨分化能力[11]。

2.2 正畸牙移动中牙槽骨反应

在正畸力作用下牙周膜张力侧和压力侧均可产生成骨细胞和破骨细胞。但张力侧成骨细胞作用大于破骨细胞作用牙槽骨骨形成占优势，在压力侧破骨细胞作用占主体，表现为骨吸收[12]。正畸牙移动速度和稳定性取决于牙槽骨的重建。

3 Runx2与正畸牙移动中牙周膜反应

正畸牙移动是一个改建的过程，包括骨组织改建和牙周组织改建，其发生依赖于牙槽骨受张力侧骨形成和受压力侧骨吸收这一动态过程来完成，最终导致牙齿的移动[13]。研究表明正畸牙移动过程中，牙周组织中Runx2的表达会增加，表明Runx2在牙周组织改建过程中起到了一定的作用[14]。

3.1 Runx2与牙周膜成纤维细胞

Runx2在牙周膜(periodontal ligament，PDL)成纤维细胞中表达，体外研究认为牙周膜细胞中的Runx2是力学信号刺激的作用位点[15]，正畸力作用下骨细胞受刺激释放生物活性因子将机械应力信号转化为骨形成或骨吸收的生化信号，调控成骨细胞、破骨细胞活动，产生骨形成与骨吸收，实现牙槽骨重塑及牙齿的移动[16]。研究表明周期性张应力作用下，ERK1/2-Runx2通路被激活，ERK1/2进入细胞核中与Runx2形成蛋白复合体，促进牙周膜成纤维细胞中的Runx2蛋白的磷酸化，从而促进Runx2下游成骨靶基因SP7、OCN、BSP等的转录表达，促进牙周膜成纤维细胞的成骨分化[17]。

3.2 Runx2与牙周膜干细胞

牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells，PDLSCs)是位于牙周组织中一群未分化的前体细胞具有多向分化特性。Runx2为特异性转录因子，在牙周膜干细胞中Runx2可通过调控核因子κB受体激活因子配体(receptor activator of NF-κBligand, RANKL)和OPG进而影响牙周膜干细胞的成骨向分化，有研究表明牙周膜干细胞分化后而RUNX2的表达水平明显升高[18]。

4 Runx2与正畸牙移动中牙槽骨改建

4.1 Runx2与成骨细胞

Runx2主要表达于牙周膜的成骨细胞、成纤维细胞及成牙骨质细胞中[1]。Runx2在成骨细胞母细胞中表达，在成骨细胞分化初期表达量最高，在成骨细胞成熟时表达量下降[19]。研究表明Runx2参与力学刺激促进骨髓基质干细胞骨向分化的信号传导[20]，Runx2在成骨细胞早期分化中触发骨基质蛋白的形成，促进Ⅰ型胶原，骨调素及骨钙素等成骨基因的表达[21]，促进骨形成，在成骨细胞的成熟过程中起抑制作用[4,22]。Runx2是骨髓间充质细胞向成骨细胞成骨的必要条件[23]，实验研究发现缺乏Runx2的小鼠不能完成骨的发育，而Runx2基因突变或转基因的小鼠骨的发育也会出现停滞，成骨细胞成熟受到抑制，骨吸收增强[24]。

Runx2参与骨形成的信号通路。在成骨分化中，Runx2是提高成骨细胞分化并抑制成脂和成软骨分化的关键转录因子，Runx2的表达受到许多信号传导途径的调控，例如Wnt，BMP和Notch信号传导途径等[25]。

4.1.1 Runx2与Notch信号通路 Notch信号通路可介导促进或抑制成骨分化[26]。在介导促进成骨分化中，Notch信号通路中Notch配体与其受体相结合，Notch信号通路被激活，进而促进Runx2表达增高，促进成骨分化。在介导抑制成骨分化时，Notch信号通路中的效应分子如：HEY(hairy/enhancer--of-split related with YRPW motif family members)与HES(hairy/enhancer of split)，可结合到Runx2上，抑制Runx2转录，从而抑制成骨分化，这个过程是相互的[4]。

4.1.2 Runx2与Wnt/β-catenin信号通路 经典的Wnt信号通路的激活会上调成骨调节基因Runx2[27]。Wnt/β-catenin信号通路激活后会抑制β-catenin的磷酸化。未磷酸化的β-catenin与细胞核内TCF/LEF(T-cell factor/ lymphoid enhancer-binding factor)转录因子相结合，激活下游靶基因并转录表达Runx2，促进成骨分化，抑制Wnt信号通路能抑制骨形成[28]。Runx2诱导Sp7表达，Runx2，Sp7和经典Wnt信号诱导前成骨细胞分化为不成熟的成骨细胞。Runx2和Sp7也参与成骨细胞的成熟[23]。

4.1.3 Runx2与Fgf信号通路 成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factor,Fgf)信号在成骨细胞祖细胞的增殖中起主要作用，而Runx2通过诱导Fgfr2和Fgfr3来调节成骨细胞祖细胞的增殖。Fgfr2和Fgfr3在成骨细胞祖细胞的增殖中起作用，并且它们通过有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号传导途径诱导增殖。Runx2增加了野生型成骨祖细胞的增殖，并增强了Fgf2诱导的增殖。在Runx2转基因小鼠中，过表达或基因敲除实验以及报告和芯片检测表明Runx2直接调控FGFR1、FGFR2和FGFR3[29]。

4.2 Runx2与间充质干细胞

间充质干细胞(marrow mesenchymal stem cells,MSCs)具有多向分化能力/增殖能力强等优点。Runx2是MSCs骨形成和成骨分化的重要调节剂[27]。研究发现周期性张应力激活TGF-β/BMP信号通路，骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)家族一员，可通过磷酸化受体激活骨髓间充质干细胞下游的细胞因子如：Smad1/5/8，来激活信号通路[30]。Runx2C端有Smad结合区域，Smads复合物可以特异性识别并结合在该区域，同时Smads复合物还能特异性识别并结合Runx2C端的核基质转导信号结合位点上，调控Runx2的转录特异性，显著增加Runx2的转录表达[31]。Smad复合物也能激活JunB(Runx2的上游因子)，间接调控Runx2的表达[32]。研究表明通过上调Runx2可增强MSCs分化成骨的能力[25]。

4.3 Runx2与骨吸收

正畸牙移动过程中，压力侧牙周膜受压迫，破骨细胞产生，牙槽骨吸收，牙齿向压力侧移动。研究表明成骨细胞产生的骨保护蛋白(osteprotegerin, OPG)和破骨细胞分化因子(osteoclast differentiation factor, ODF)对破骨细胞的形成和分化具有重要影响。OPG能抑制破骨细胞样细胞形成，抑制骨吸收。ODF能结合OPG，结合OPG之后的ODF与巨噬细胞集落刺激因子一起能诱导破骨细胞样细胞的产生。有研究报道ODF缺失的小鼠因为失去诱导破骨细胞样细胞形成的能力表现为缺乏破骨细胞和骨硬化[4]。研究发现Runx2可以通过诱导核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)配体受体活化子配基的表达和抑制OPG的表达，促进破骨细胞的分化[33]。Runx2缺失的小鼠其体内破骨细胞形成减慢，提示Runx2缺失引起的成骨细胞成熟停止可能与破骨细胞形成不足相关联[34]。也有研究认为Runx2可能通过调节破骨细胞分化因子影响破骨细胞和骨吸收[35]。

5 结 论

Runx2能通过参与TGF-β/BMP信号通路、Notch信号通路及Wnt信号通路等多种信号通路以及与多种细胞因子相互作用来影响成骨细胞和破骨细胞从而影响骨代谢，对牙槽骨的骨形成及骨吸收都具有十分重要的意义。而正畸牙移动的过程受移动牙周围的牙槽骨改建的影响。通过促进Runx2的表达，正畸牙移动的速度和稳定性有望增加。有学者研究表明淫羊藿苷[6]、黄芩苷[36]、葛根素[37]、弱激光[38]等可以上调Runx2基因的表达，加速成骨分化，促使新生成骨细胞的成熟，稳定牙槽骨及牙周膜改建。但Runx2调控骨形成和骨吸收的机制研究尚未完全清晰，还需更深入的研究。