OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路在牙槽骨代謝中研究進(jìn)展

趙嬌陽(yáng)， 時(shí) 靜， 李文晉，3

1.山西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，山西 太原 030000；2.天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔科，天津 300211；3.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔科，山西 太原 030000

近年來，許多細(xì)胞因子被發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)骨代謝方面起著重要作用。其中，以骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)、核因子-κb受體活化因子配體(receptor activator of NF-κb ligand，RANKL)、核因子-κb受體活化因子(receptor activator of NF-κb，RANK)3部分組成的OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路是眾多因子活化破骨細(xì)胞的最終環(huán)節(jié)，在牙槽骨代謝中發(fā)揮著重要作用。牙齒萌出、正畸牙齒移動(dòng)和牙周炎疾病發(fā)生發(fā)展引起的牙槽骨改建為典型的生理性及病理性骨代謝。因此，本文對(duì)OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路相關(guān)影響因子的生物學(xué)效應(yīng)及其在牙齒萌出、正畸牙齒移動(dòng)、牙周炎疾病進(jìn)程中牙槽骨代謝中的作用作一綜述，為臨床解決牙齒萌出異常、縮短正畸療程及牙周炎治療提供參考。

1 OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路

OPG又稱破骨細(xì)胞生成抑制因子，其由許多類型的細(xì)胞產(chǎn)生，如成骨細(xì)胞、心臟、肝和脾細(xì)胞。有研究報(bào)道，B淋巴細(xì)胞是小鼠骨髓中OPG的主要來源，占骨髓總OPG產(chǎn)量的64%[1]。在過表達(dá)OPG的轉(zhuǎn)基因小鼠中，由于缺乏破骨細(xì)胞，可觀察到骨硬化病，而OPG基因敲除小鼠破骨細(xì)胞數(shù)量增加，可出現(xiàn)明顯的骨質(zhì)疏松[2]。OPG作為一種誘餌受體，可與RANKL結(jié)合，阻斷RANK和RANKL的結(jié)合與激活，因此，破骨細(xì)胞分化和激活的主要信號(hào)通路被阻斷。成骨細(xì)胞中，OPG的表達(dá)受激素、細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)等的調(diào)節(jié)[3]。此外，Chamoux等[4]研究結(jié)果表明，OPG可通過抑制TNF相關(guān)凋亡因子抑制人的破骨細(xì)胞凋亡。

RANKL又稱破骨細(xì)胞分化因子、TNF相關(guān)的活化因子和OPG配體。多種細(xì)胞因子、激素和生長(zhǎng)因子可以調(diào)節(jié)RANKL的表達(dá)，包括甲狀旁腺激素、雌激素和炎癥細(xì)胞因子[5]。RANKL在成骨細(xì)胞、活化的T淋巴細(xì)胞、淋巴結(jié)中呈高表達(dá)，在骨髓中低表達(dá)。RANKL是二型同源三聚體跨膜蛋白，可以通過蛋白裂解或選擇性剪接而形成膜性結(jié)合在成骨細(xì)胞上[6]。RANKL可與破骨祖細(xì)胞上表達(dá)的RANK受體結(jié)合，激活與破骨細(xì)胞生長(zhǎng)、分化相關(guān)的下行信號(hào)通路。

RANK是TNF受體超家族的Ⅰ型跨膜蛋白，在破骨祖細(xì)胞、成熟破骨細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞膜上高表達(dá)[7]。RANK與其配體RANKL結(jié)合，然后激活TNF受體相關(guān)因子(TNF receptor associated factor，TRAF)家族，包括TRAF2、TRAF5和TRAF6。RANK/TRAF通過不同的信號(hào)通路調(diào)控破骨細(xì)胞的形成、激活及存活。有研究發(fā)現(xiàn)，破壞小鼠的RANK基因會(huì)出現(xiàn)破骨細(xì)胞的缺失，造成牙齒萌出障礙、骨硬化等癥狀；將RANK基因再次導(dǎo)入小鼠體內(nèi)后，會(huì)重新誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成[8]。而RANK過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量增多，造成大量的骨吸收，在臨床上可能表現(xiàn)為畸形性骨炎[9]。

OPG、RANKL、RANK形成的信號(hào)通路是調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化成熟的最終因子，可影響正常的骨重建。RANKL通過與RANK結(jié)合刺激下游的關(guān)鍵接頭分子TRAF6，刺激7個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，激活NF-κb、c-jun氨基末端激酶/激活蛋白-1、c-Myc蛋白、鈣調(diào)磷酸酶/活化T細(xì)胞核因子、Src激酶、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)/p38的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated kinase，ERK)，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化、功能和凋亡[10]。而OPG則充當(dāng)誘餌受體，通過其N端富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域與RANKL結(jié)合，阻斷RANKL的作用，從而暫停破骨細(xì)胞的分化和激活[11]。同時(shí)，在成骨細(xì)胞中，OPG的表達(dá)會(huì)受Wnt/β-catenin系統(tǒng)調(diào)控[12]。

2 OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路與生理性牙槽骨代謝

2.1 OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路與牙齒萌出 牙齒萌出是指牙齒穿透口腔黏膜，從頜骨內(nèi)向口腔移動(dòng)，然后接觸對(duì)頜牙到達(dá)功能位置的復(fù)雜過程，其作用機(jī)制之一是牙槽骨的生理性改建。牙槽骨生理性改建需要破骨細(xì)胞分化及激活[13]，來自牙齒和牙周組織的信號(hào)因子會(huì)刺激牙槽骨改建。破骨細(xì)胞形成是一個(gè)特征明確的過程，有3個(gè)連續(xù)的步驟，包括前體細(xì)胞的募集，然后融合成多核破骨細(xì)胞，最后這些成熟的破骨細(xì)胞被激活[14]。這些分化步驟中主要涉及的信號(hào)因子包括巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、RANKL、RANK等。M-CSF是破骨前細(xì)胞表面RANK募集、表達(dá)所必需的因子。RANKL可使破骨前體細(xì)胞在多核細(xì)胞中融合，并在成熟破骨細(xì)胞中最終分化。Lézot等[15]建立小鼠模型，利用RANKL封閉抗體發(fā)現(xiàn)，在牙齒和牙周組織發(fā)生過程中骨吸收暫時(shí)被抑制，導(dǎo)致牙齒萌出時(shí)間較長(zhǎng)，表明牙齒和牙周組織中所表達(dá)的信號(hào)因子RANKL與誘導(dǎo)牙齒萌出延遲相關(guān)。Duheron等[16]對(duì)破骨細(xì)胞前體中過表達(dá)RANK的轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，RANK過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致牙齒萌出異常、牙根直徑減小及牙根伸長(zhǎng)。這種牙根伸長(zhǎng)可能與HERS細(xì)胞和鄰近的濾泡囊間充質(zhì)細(xì)胞增殖有關(guān)。這些研究建立的骨吸收水平和牙根直徑之間的反向關(guān)系可以解釋破骨細(xì)胞功能紊亂的疾病中出現(xiàn)的部分牙根缺損。此外，在畸形性骨炎中，功能突變的RANK基因增加，這些突變?cè)黾恿薘ANK信號(hào)肽的長(zhǎng)度，改變了其正常切割，這被認(rèn)為是導(dǎo)致NF-κb途徑過度激活的原因。這種RANK信號(hào)通路的過度激活導(dǎo)致了過度的破骨活性，從而增加了骨的轉(zhuǎn)換。因此，調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路中各個(gè)因子的表達(dá)來抑制或增強(qiáng)破骨細(xì)胞的形成及活性，有助于為預(yù)防和治療牙齒萌出異常提供理論依據(jù)。

2.2 OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路與正畸牙齒移動(dòng) 正畸牙齒移動(dòng)是在機(jī)械刺激作用下牙槽骨改建、牙周膜重塑的過程。骨改建是壓力部位的骨吸收及張力部位的骨形成過程。正畸牙齒移動(dòng)可以根據(jù)外力大小和牙周膜的生物反應(yīng)進(jìn)行控制。施加在牙齒上的力會(huì)由于血流改變而改變牙周膜周圍的微環(huán)境，導(dǎo)致不同炎癥介質(zhì)的分泌，如細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、神經(jīng)遞質(zhì)、集落刺激因子等[17]。牙齒移動(dòng)的早期階段涉及急性炎癥反應(yīng)，其特征是白細(xì)胞從毛細(xì)血管中遷移出來并產(chǎn)生細(xì)胞因子，刺激分泌前列腺素(phenyl glycidyl ether，PGE)和生長(zhǎng)因子[18]。急性期之后為慢性期，涉及成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的骨重建過程。有研究在貓的牙齒上建立正畸模型，施加80 g的力量逐漸向遠(yuǎn)中移動(dòng)，正畸治療引起的機(jī)械應(yīng)力增加了牙周膜中PGE和白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β的產(chǎn)生，張力側(cè)PGE、IL-1β水平最高[19]。Nakao等[20]對(duì)牙齒施加間歇性機(jī)械力發(fā)現(xiàn)，牙周膜細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生局部炎癥因子PGE2、IL-1β等；在牙周膜受牽引側(cè)，炎癥因子通過誘導(dǎo)OPG在牙周膜細(xì)胞中表達(dá)，成骨細(xì)胞大量增殖分化，沿牙槽骨產(chǎn)生并沉積新生骨組織；而在牙周膜受壓側(cè)，RANKL基因和蛋白表達(dá)明顯增加，破骨細(xì)胞數(shù)目上升，出現(xiàn)牙槽骨吸收；此外，隨著機(jī)械力刺激不斷增加，人牙周膜受牽引側(cè)的細(xì)胞中OPG表達(dá)不斷上調(diào)，而牙周膜受壓側(cè)細(xì)胞RANKL表達(dá)逐漸下降，并且呈現(xiàn)出一定的時(shí)間和強(qiáng)度依賴性。Wu等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，通過靜脈注射MicroRNA-21可調(diào)節(jié)牙周膜細(xì)胞RANKL/OPG的比值，進(jìn)而控制正畸牙齒移動(dòng)。在正畸牙齒移動(dòng)過程中，RANKL和牙根吸收之間也存在相關(guān)性，并且牙根吸收的患者在受壓部位產(chǎn)生了大量RANKL[22]。

在牙槽骨組織中，OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路的相關(guān)因子表達(dá)受多通路調(diào)節(jié)，其中Wnt/β-catenin經(jīng)典通路在其調(diào)節(jié)牙槽骨改建過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Wnt是一種分泌脂質(zhì)修飾信號(hào)的糖蛋白，當(dāng)存在刺激信號(hào)時(shí)，可與跨膜受體卷曲蛋白，低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6特異性結(jié)合，減弱β-catenin的磷酸化降解，使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)β-catenin含量增加。當(dāng)β-catenin蛋白積累到一定量時(shí)，可進(jìn)入細(xì)胞核與TCF/LEF轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，直接激活下游靶基因OPG發(fā)生轉(zhuǎn)錄，使其蛋白表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化[23]。

由此可見，正畸牙齒移動(dòng)是牙周膜反應(yīng)和牙槽骨適應(yīng)性改建的結(jié)果，與成骨和破骨細(xì)胞分化密切相關(guān)。OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路構(gòu)成調(diào)節(jié)成骨和破骨細(xì)胞分化和功能的平衡系統(tǒng)，在適當(dāng)?shù)恼ψ饔孟?，體內(nèi)各種骨代謝調(diào)節(jié)因子通過多通路調(diào)控RANKL和/或OPG的表達(dá)，影響成骨細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和破骨細(xì)胞等分化和成熟，對(duì)牙槽骨代謝產(chǎn)生影響，進(jìn)而促進(jìn)牙齒移動(dòng)并重新獲得穩(wěn)固。

3 OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路與病理性牙槽骨代謝

牙周炎是一種常見的骨質(zhì)破壞性疾病，在我國(guó)成年人中的患病率>50%[24]，最終可導(dǎo)致破骨細(xì)胞增加及牙槽骨吸收。有研究發(fā)現(xiàn)，感染牙周炎的小鼠出現(xiàn)進(jìn)行性骨吸收，首先是中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，然后是Th1和Th2細(xì)胞浸潤(rùn)，以及Th17細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞結(jié)束[25]。牙齦炎被認(rèn)為是無骨質(zhì)流失的牙周炎的前期階段。與牙齦炎相比，牙周炎病變中有更多的巨噬細(xì)胞和漿細(xì)胞[26]。典型的牙周炎是浸潤(rùn)的結(jié)締組織面積增加，這個(gè)區(qū)域含有更多分泌IL-17的Th17細(xì)胞。IL-17是一種典型的晚期牙周炎細(xì)胞因子，在激活破骨細(xì)胞方面起重要作用。RANKL被認(rèn)為是破骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵分化因子[27]。浸潤(rùn)的T細(xì)胞和B細(xì)胞表達(dá)RANKL。RANKL胞外的受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域與破骨前體細(xì)胞膜上的RANK結(jié)合后，NF-κB抑制物激酶被激活，使NF-κB特異性抑制因子IκB發(fā)生絲氨酸磷酸化降解，NF-κB、p50和p65隨之活化轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)，引起下游c-Fos表達(dá)的增加，c-Fos進(jìn)一步與活化的T細(xì)胞核因子結(jié)合并相互作用，啟動(dòng)破骨細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄，最終誘導(dǎo)成熟的破骨細(xì)胞形成，導(dǎo)致牙槽骨吸收。此外，RANK和RANKL結(jié)合也可激活TRAF6，通過活化ASK1激酶使ERK、JNK和p38發(fā)生磷酸化，激活MAPKs信號(hào)通路，從而調(diào)節(jié)激活蛋白-1的表達(dá)，最后促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成[28]。有研究檢測(cè)RANKL在實(shí)驗(yàn)性牙周炎牙槽骨骨細(xì)胞中的蛋白表達(dá)水平，結(jié)果顯示，表達(dá)RANKL的骨細(xì)胞在早期(1～3 d)比例增加，與破骨細(xì)胞的誘導(dǎo)相似；在培養(yǎng)后期，表達(dá)RANKL的骨細(xì)胞比例隨著破骨細(xì)胞數(shù)量的減少而減少[29]。體內(nèi)RANKL的這種上調(diào)可能受到細(xì)菌產(chǎn)物(如脂多糖)的直接影響，這些細(xì)菌產(chǎn)物可能穿透牙周組織，深至含有骨細(xì)胞的牙槽骨。另有研究表明，脂多糖上調(diào)了骨樣細(xì)胞系MLO-Y4中RANKL的表達(dá)[30]。由于DMP-1啟動(dòng)子對(duì)骨細(xì)胞具有相對(duì)特異性，利用Cre重組酶有條件地刪除RANKL，可以在骨細(xì)胞中特異性地刪除RANKL。值得注意的是，這個(gè)缺乏RANKL的模型會(huì)顯示出生長(zhǎng)遲緩和骨化，表明骨細(xì)胞誘導(dǎo)的RANKL在骨重建中的特定作用[31]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，JNK抑制劑(JNK-IN-IX)也可通過RANKL/OPG通路來抑制破骨細(xì)胞的作用，對(duì)大鼠牙周炎引起的牙槽骨吸收有治療作用，有關(guān)其對(duì)臨床牙周炎患者的有效性需進(jìn)一步研究證實(shí)[32]。因此，局部靶向控制骨細(xì)胞RANKL的表達(dá)可能是干擾牙周炎進(jìn)展的一種方法。

OPG是RANKL的誘餌受體，在骨穩(wěn)態(tài)中起著重要的骨保護(hù)作用。在體外，口腔細(xì)菌和破骨細(xì)胞衍生的蛋白酶被證明能夠裂解OPG并促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成。OPG基因缺陷小鼠自發(fā)發(fā)生嚴(yán)重的牙槽骨丟失，表明牙槽骨丟失不僅與RANKL的上調(diào)有關(guān)，而且與OPG的下調(diào)和/或降解有關(guān)[33]。免疫細(xì)胞來源的炎癥細(xì)胞因子，如IL-17、TNF、IL-1β以及細(xì)菌成分(如脂多糖)可上調(diào)成骨細(xì)胞的RANKL/OPG比值。因此，這些因素可能通過在牙周炎過程中誘導(dǎo)牙槽骨中破骨細(xì)胞形成而導(dǎo)致骨損傷。因此，降低RANKL的高表達(dá)或調(diào)節(jié)RANKL/OPG的比值，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母腥究刂?，可能是預(yù)防牙周炎骨損傷的一種有效策略。

4 小結(jié)

OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路是骨質(zhì)破壞的最終通路，RANKL與RANK結(jié)合后可刺激下游的多個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)和關(guān)鍵因子促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成、分化和功能，而OPG可通過阻斷RANK和RANKL的結(jié)合從而抑制破骨細(xì)胞的分化和激活，在牙槽骨代謝中起著重要作用。對(duì)OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路的生物學(xué)效應(yīng)及其在生理性牙槽骨代謝，如牙齒萌出、正畸牙齒移動(dòng)和病理性牙槽骨代謝如牙周炎疾病中的作用進(jìn)行研究，可為預(yù)防和治療牙齒萌出異常、促進(jìn)正畸牙齒移動(dòng)和重新獲得穩(wěn)固及預(yù)防牙周炎骨損傷提供理論依據(jù)，同時(shí)也有助于更好地理解牙槽骨生理性和病理性改建的機(jī)制。