OPG/RANKL/RANK信號通路在牙槽骨代謝中研究進展

趙嬌陽， 時 靜， 李文晉，3

1.山西醫科大學口腔醫學院，山西 太原 030000；2.天津醫科大學第二醫院 口腔科，天津 300211；3.山西醫科大學第二醫院 口腔科，山西 太原 030000

近年來，許多細胞因子被發現在調節骨代謝方面起著重要作用。其中，以骨保護素(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信號通路是眾多因子活化破骨細胞的最終環節，在牙槽骨代謝中發揮著重要作用。牙齒萌出、正畸牙齒移動和牙周炎疾病發生發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OPG/RANKL/RANK信號通路相關影響因子的生物學效應及其在牙齒萌出、正畸牙齒移動、牙周炎疾病進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信號通路

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

RANKL又稱破骨細胞分化因子、TNF相關的活化因子和OPG配體。多種細胞因子、激素和生長因子可以調節RANKL的表達，包括甲狀旁腺激素、雌激素和炎癥細胞因子[5]。RANKL在成骨細胞、活化的T淋巴細胞、淋巴結中呈高表達，在骨髓中低表達。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合在成骨細胞上[6]。RANKL可與破骨祖細胞上表達的RANK受體結合，激活與破骨細胞生長、分化相關的下行信號通路。

RANK是TNF受體超家族的Ⅰ型跨膜蛋白，在破骨祖細胞、成熟破骨細胞、樹突狀細胞膜上高表達[7]。RANK與其配體RANKL結合，然后激活TNF受體相關因子(TNF receptor associated factor，TRAF)家族，包括TRAF2、TRAF5和TRAF6。RANK/TRAF通過不同的信號通路調控破骨細胞的形成、激活及存活。有研究發現，破壞小鼠的RANK基因會出現破骨細胞的缺失，造成牙齒萌出障礙、骨硬化等癥狀；將RANK基因再次導入小鼠體內后，會重新誘導破骨細胞形成[8]。而RANK過度表達會導致破骨細胞數量增多，造成大量的骨吸收，在臨床上可能表現為畸形性骨炎[9]。

OPG、RANKL、RANK形成的信號通路是調節破骨細胞分化成熟的最終因子，可影響正常的骨重建。RANKL通過與RANK結合刺激下游的關鍵接頭分子TRAF6，刺激7個信號級聯反應，激活NF-κb、c-jun氨基末端激酶/激活蛋白-1、c-Myc蛋白、鈣調磷酸酶/活化T細胞核因子、Src激酶、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)/p38的細胞內信號和細胞外信號調節激酶(extracellular regulated kinase，ERK)，調節破骨細胞的分化、功能和凋亡[10]。而OPG則充當誘餌受體，通過其N端富含半胱氨酸的結構域與RANKL結合，阻斷RANKL的作用，從而暫停破骨細胞的分化和激活[11]。同時，在成骨細胞中，OPG的表達會受Wnt/β-catenin系統調控[12]。

2 OPG/RANKL/RANK信號通路與生理性牙槽骨代謝

2.1 OPG/RANKL/RANK信號通路與牙齒萌出 牙齒萌出是指牙齒穿透口腔黏膜，從頜骨內向口腔移動，然后接觸對頜牙到達功能位置的復雜過程，其作用機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胞分化及激活[13]，來自牙齒和牙周組織的信號因子會刺激牙槽骨改建。破骨細胞形成是一個特征明確的過程，有3個連續的步驟，包括前體細胞的募集，然后融合成多核破骨細胞，最后這些成熟的破骨細胞被激活[14]。這些分化步驟中主要涉及的信號因子包括巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、RANKL、RANK等。M-CSF是破骨前細胞表面RANK募集、表達所必需的因子。RANKL可使破骨前體細胞在多核細胞中融合，并在成熟破骨細胞中最終分化。Lézot等[15]建立小鼠模型，利用RANKL封閉抗體發現，在牙齒和牙周組織發生過程中骨吸收暫時被抑制，導致牙齒萌出時間較長，表明牙齒和牙周組織中所表達的信號因子RANKL與誘導牙齒萌出延遲相關。Duheron等[16]對破骨細胞前體中過表達RANK的轉基因小鼠進行研究發現，RANK過度表達會導致牙齒萌出異常、牙根直徑減小及牙根伸長。這種牙根伸長可能與HERS細胞和鄰近的濾泡囊間充質細胞增殖有關。這些研究建立的骨吸收水平和牙根直徑之間的反向關系可以解釋破骨細胞功能紊亂的疾病中出現的部分牙根缺損。此外，在畸形性骨炎中，功能突變的RANK基因增加，這些突變增加了RANK信號肽的長度，改變了其正常切割，這被認為是導致NF-κb途徑過度激活的原因。這種RANK信號通路的過度激活導致了過度的破骨活性，從而增加了骨的轉換。因此，調節OPG/RANKL/RANK信號通路中各個因子的表達來抑制或增強破骨細胞的形成及活性，有助于為預防和治療牙齒萌出異常提供理論依據。

2.2 OPG/RANKL/RANK信號通路與正畸牙齒移動 正畸牙齒移動是在機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。正畸牙齒移動可以根據外力大小和牙周膜的生物反應進行控制。施加在牙齒上的力會由于血流改變而改變牙周膜周圍的微環境，導致不同炎癥介質的分泌，如細胞因子、生長因子、神經遞質、集落刺激因子等[17]。牙齒移動的早期階段涉及急性炎癥反應，其特征是白細胞從毛細血管中遷移出來并產生細胞因子，刺激分泌前列腺素(phenyl glycidyl ether，PGE)和生長因子[18]。急性期之后為慢性期，涉及成纖維細胞、成骨細胞和破骨細胞的骨重建過程。有研究在貓的牙齒上建立正畸模型，施加80 g的力量逐漸向遠中移動，正畸治療引起的機械應力增加了牙周膜中PGE和白細胞介素(interleukin，IL)-1β的產生，張力側PGE、IL-1β水平最高[19]。Nakao等[20]對牙齒施加間歇性機械力發現，牙周膜細胞會產生局部炎癥因子PGE2、IL-1β等；在牙周膜受牽引側，炎癥因子通過誘導OPG在牙周膜細胞中表達，成骨細胞大量增殖分化，沿牙槽骨產生并沉積新生骨組織；而在牙周膜受壓側，RANKL基因和蛋白表達明顯增加，破骨細胞數目上升，出現牙槽骨吸收；此外，隨著機械力刺激不斷增加，人牙周膜受牽引側的細胞中OPG表達不斷上調，而牙周膜受壓側細胞RANKL表達逐漸下降，并且呈現出一定的時間和強度依賴性。Wu等[21]研究也發現，通過靜脈注射MicroRNA-21可調節牙周膜細胞RANKL/OPG的比值，進而控制正畸牙齒移動。在正畸牙齒移動過程中，RANKL和牙根吸收之間也存在相關性，并且牙根吸收的患者在受壓部位產生了大量RANKL[22]。

在牙槽骨組織中，OPG/RANKL/RANK信號通路的相關因子表達受多通路調節，其中Wnt/β-catenin經典通路在其調節牙槽骨改建過程中發揮著至關重要的作用。Wnt是一種分泌脂質修飾信號的糖蛋白，當存在刺激信號時，可與跨膜受體卷曲蛋白，低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6特異性結合，減弱β-catenin的磷酸化降解，使細胞質內β-catenin含量增加。當β-catenin蛋白積累到一定量時，可進入細胞核與TCF/LEF轉錄因子結合，直接激活下游靶基因OPG發生轉錄，使其蛋白表達上調，促進成骨細胞增殖、分化[23]。

由此可見，正畸牙齒移動是牙周膜反應和牙槽骨適應性改建的結果，與成骨和破骨細胞分化密切相關。OPG/RANKL/RANK信號通路構成調節成骨和破骨細胞分化和功能的平衡系統，在適當的正畸力作用下，體內各種骨代謝調節因子通過多通路調控RANKL和/或OPG的表達，影響成骨細胞、基質細胞和破骨細胞等分化和成熟，對牙槽骨代謝產生影響，進而促進牙齒移動并重新獲得穩固。

3 OPG/RANKL/RANK信號通路與病理性牙槽骨代謝

牙周炎是一種常見的骨質破壞性疾病，在我國成年人中的患病率>50%[24]，最終可導致破骨細胞增加及牙槽骨吸收。有研究發現，感染牙周炎的小鼠出現進行性骨吸收，首先是中性粒細胞浸潤，然后是Th1和Th2細胞浸潤，以及Th17細胞和調節性T細胞結束[25]。牙齦炎被認為是無骨質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胞和漿細胞[26]。典型的牙周炎是浸潤的結締組織面積增加，這個區域含有更多分泌IL-17的Th17細胞。IL-17是一種典型的晚期牙周炎細胞因子，在激活破骨細胞方面起重要作用。RANKL被認為是破骨細胞分化的關鍵分化因子[27]。浸潤的T細胞和B細胞表達RANKL。RANKL胞外的受體結合結構域與破骨前體細胞膜上的RANK結合后，NF-κB抑制物激酶被激活，使NF-κB特異性抑制因子IκB發生絲氨酸磷酸化降解，NF-κB、p50和p65隨之活化轉運至細胞核內，引起下游c-Fos表達的增加，c-Fos進一步與活化的T細胞核因子結合并相互作用，啟動破骨細胞基因轉錄，最終誘導成熟的破骨細胞形成，導致牙槽骨吸收。此外，RANK和RANKL結合也可激活TRAF6，通過活化ASK1激酶使ERK、JNK和p38發生磷酸化，激活MAPKs信號通路，從而調節激活蛋白-1的表達，最后促進破骨細胞的生成[28]。有研究檢測RANKL在實驗性牙周炎牙槽骨骨細胞中的蛋白表達水平，結果顯示，表達RANKL的骨細胞在早期(1～3 d)比例增加，與破骨細胞的誘導相似；在培養后期，表達RANKL的骨細胞比例隨著破骨細胞數量的減少而減少[29]。體內RANKL的這種上調可能受到細菌產物(如脂多糖)的直接影響，這些細菌產物可能穿透牙周組織，深至含有骨細胞的牙槽骨。另有研究表明，脂多糖上調了骨樣細胞系MLO-Y4中RANKL的表達[30]。由于DMP-1啟動子對骨細胞具有相對特異性，利用Cre重組酶有條件地刪除RANKL，可以在骨細胞中特異性地刪除RANKL。值得注意的是，這個缺乏RANKL的模型會顯示出生長遲緩和骨化，表明骨細胞誘導的RANKL在骨重建中的特定作用[31]。此外，有研究發現，JNK抑制劑(JNK-IN-IX)也可通過RANKL/OPG通路來抑制破骨細胞的作用，對大鼠牙周炎引起的牙槽骨吸收有治療作用，有關其對臨床牙周炎患者的有效性需進一步研究證實[32]。因此，局部靶向控制骨細胞RANKL的表達可能是干擾牙周炎進展的一種方法。

OPG是RANKL的誘餌受體，在骨穩態中起著重要的骨保護作用。在體外，口腔細菌和破骨細胞衍生的蛋白酶被證明能夠裂解OPG并促進破骨細胞的形成。OPG基因缺陷小鼠自發發生嚴重的牙槽骨丟失，表明牙槽骨丟失不僅與RANKL的上調有關，而且與OPG的下調和/或降解有關[33]。免疫細胞來源的炎癥細胞因子，如IL-17、TNF、IL-1β以及細菌成分(如脂多糖)可上調成骨細胞的RANKL/OPG比值。因此，這些因素可能通過在牙周炎過程中誘導牙槽骨中破骨細胞形成而導致骨損傷。因此，降低RANKL的高表達或調節RANKL/OPG的比值，同時進行適當的感染控制，可能是預防牙周炎骨損傷的一種有效策略。

4 小結

OPG/RANKL/RANK信號通路是骨質破壞的最終通路，RANKL與RANK結合后可刺激下游的多個信號級聯反應和關鍵因子促進破骨細胞的形成、分化和功能，而OPG可通過阻斷RANK和RANKL的結合從而抑制破骨細胞的分化和激活，在牙槽骨代謝中起著重要作用。對OPG/RANKL/RANK信號通路的生物學效應及其在生理性牙槽骨代謝，如牙齒萌出、正畸牙齒移動和病理性牙槽骨代謝如牙周炎疾病中的作用進行研究，可為預防和治療牙齒萌出異常、促進正畸牙齒移動和重新獲得穩固及預防牙周炎骨損傷提供理論依據，同時也有助于更好地理解牙槽骨生理性和病理性改建的機制。