OPG/RANKL/RANK信号通路在牙槽骨代谢中研究进展

赵娇阳， 时 静， 李文晋，3

1.山西医科大学口腔医学院，山西 太原 030000；2.天津医科大学第二医院 口腔科，天津 300211；3.山西医科大学第二医院 口腔科，山西 太原 030000

近年来，许多细胞因子被发现在调节骨代谢方面起着重要作用。其中，以骨保护素(osteoprotegerin，OPG)、核因子-κb受体活化因子配体(receptor activator of NF-κb ligand，RANKL)、核因子-κb受体活化因子(receptor activator of NF-κb，RANK)3部分组成的OPG/RANKL/RANK信号通路是众多因子活化破骨细胞的最终环节，在牙槽骨代谢中发挥着重要作用。牙齿萌出、正畸牙齿移动和牙周炎疾病发生发展引起的牙槽骨改建为典型的生理性及病理性骨代谢。因此，本文对OPG/RANKL/RANK信号通路相关影响因子的生物学效应及其在牙齿萌出、正畸牙齿移动、牙周炎疾病进程中牙槽骨代谢中的作用作一综述，为临床解决牙齿萌出异常、缩短正畸疗程及牙周炎治疗提供参考。

1 OPG/RANKL/RANK信号通路

OPG又称破骨细胞生成抑制因子，其由许多类型的细胞产生，如成骨细胞、心脏、肝和脾细胞。有研究报道，B淋巴细胞是小鼠骨髓中OPG的主要来源，占骨髓总OPG产量的64%[1]。在过表达OPG的转基因小鼠中，由于缺乏破骨细胞，可观察到骨硬化病，而OPG基因敲除小鼠破骨细胞数量增加，可出现明显的骨质疏松[2]。OPG作为一种诱饵受体，可与RANKL结合，阻断RANK和RANKL的结合与激活，因此，破骨细胞分化和激活的主要信号通路被阻断。成骨细胞中，OPG的表达受激素、细胞因子、生长因子和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)等的调节[3]。此外，Chamoux等[4]研究结果表明，OPG可通过抑制TNF相关凋亡因子抑制人的破骨细胞凋亡。

RANKL又称破骨细胞分化因子、TNF相关的活化因子和OPG配体。多种细胞因子、激素和生长因子可以调节RANKL的表达，包括甲状旁腺激素、雌激素和炎症细胞因子[5]。RANKL在成骨细胞、活化的T淋巴细胞、淋巴结中呈高表达，在骨髓中低表达。RANKL是二型同源三聚体跨膜蛋白，可以通过蛋白裂解或选择性剪接而形成膜性结合在成骨细胞上[6]。RANKL可与破骨祖细胞上表达的RANK受体结合，激活与破骨细胞生长、分化相关的下行信号通路。

RANK是TNF受体超家族的Ⅰ型跨膜蛋白，在破骨祖细胞、成熟破骨细胞、树突状细胞膜上高表达[7]。RANK与其配体RANKL结合，然后激活TNF受体相关因子(TNF receptor associated factor，TRAF)家族，包括TRAF2、TRAF5和TRAF6。RANK/TRAF通过不同的信号通路调控破骨细胞的形成、激活及存活。有研究发现，破坏小鼠的RANK基因会出现破骨细胞的缺失，造成牙齿萌出障碍、骨硬化等症状；将RANK基因再次导入小鼠体内后，会重新诱导破骨细胞形成[8]。而RANK过度表达会导致破骨细胞数量增多，造成大量的骨吸收，在临床上可能表现为畸形性骨炎[9]。

OPG、RANKL、RANK形成的信号通路是调节破骨细胞分化成熟的最终因子，可影响正常的骨重建。RANKL通过与RANK结合刺激下游的关键接头分子TRAF6，刺激7个信号级联反应，激活NF-κb、c-jun氨基末端激酶/激活蛋白-1、c-Myc蛋白、钙调磷酸酶/活化T细胞核因子、Src激酶、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)/p38的细胞内信号和细胞外信号调节激酶(extracellular regulated kinase，ERK)，调节破骨细胞的分化、功能和凋亡[10]。而OPG则充当诱饵受体，通过其N端富含半胱氨酸的结构域与RANKL结合，阻断RANKL的作用，从而暂停破骨细胞的分化和激活[11]。同时，在成骨细胞中，OPG的表达会受Wnt/β-catenin系统调控[12]。

2 OPG/RANKL/RANK信号通路与生理性牙槽骨代谢

2.1 OPG/RANKL/RANK信号通路与牙齿萌出 牙齿萌出是指牙齿穿透口腔黏膜，从颌骨内向口腔移动，然后接触对颌牙到达功能位置的复杂过程，其作用机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细胞分化及激活[13]，来自牙齿和牙周组织的信号因子会刺激牙槽骨改建。破骨细胞形成是一个特征明确的过程，有3个连续的步骤，包括前体细胞的募集，然后融合成多核破骨细胞，最后这些成熟的破骨细胞被激活[14]。这些分化步骤中主要涉及的信号因子包括巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、RANKL、RANK等。M-CSF是破骨前细胞表面RANK募集、表达所必需的因子。RANKL可使破骨前体细胞在多核细胞中融合，并在成熟破骨细胞中最终分化。Lézot等[15]建立小鼠模型，利用RANKL封闭抗体发现，在牙齿和牙周组织发生过程中骨吸收暂时被抑制，导致牙齿萌出时间较长，表明牙齿和牙周组织中所表达的信号因子RANKL与诱导牙齿萌出延迟相关。Duheron等[16]对破骨细胞前体中过表达RANK的转基因小鼠进行研究发现，RANK过度表达会导致牙齿萌出异常、牙根直径减小及牙根伸长。这种牙根伸长可能与HERS细胞和邻近的滤泡囊间充质细胞增殖有关。这些研究建立的骨吸收水平和牙根直径之间的反向关系可以解释破骨细胞功能紊乱的疾病中出现的部分牙根缺损。此外，在畸形性骨炎中，功能突变的RANK基因增加，这些突变增加了RANK信号肽的长度，改变了其正常切割，这被认为是导致NF-κb途径过度激活的原因。这种RANK信号通路的过度激活导致了过度的破骨活性，从而增加了骨的转换。因此，调节OPG/RANKL/RANK信号通路中各个因子的表达来抑制或增强破骨细胞的形成及活性，有助于为预防和治疗牙齿萌出异常提供理论依据。

2.2 OPG/RANKL/RANK信号通路与正畸牙齿移动 正畸牙齿移动是在机械刺激作用下牙槽骨改建、牙周膜重塑的过程。骨改建是压力部位的骨吸收及张力部位的骨形成过程。正畸牙齿移动可以根据外力大小和牙周膜的生物反应进行控制。施加在牙齿上的力会由于血流改变而改变牙周膜周围的微环境，导致不同炎症介质的分泌，如细胞因子、生长因子、神经递质、集落刺激因子等[17]。牙齿移动的早期阶段涉及急性炎症反应，其特征是白细胞从毛细血管中迁移出来并产生细胞因子，刺激分泌前列腺素(phenyl glycidyl ether，PGE)和生长因子[18]。急性期之后为慢性期，涉及成纤维细胞、成骨细胞和破骨细胞的骨重建过程。有研究在猫的牙齿上建立正畸模型，施加80 g的力量逐渐向远中移动，正畸治疗引起的机械应力增加了牙周膜中PGE和白细胞介素(interleukin，IL)-1β的产生，张力侧PGE、IL-1β水平最高[19]。Nakao等[20]对牙齿施加间歇性机械力发现，牙周膜细胞会产生局部炎症因子PGE2、IL-1β等；在牙周膜受牵引侧，炎症因子通过诱导OPG在牙周膜细胞中表达，成骨细胞大量增殖分化，沿牙槽骨产生并沉积新生骨组织；而在牙周膜受压侧，RANKL基因和蛋白表达明显增加，破骨细胞数目上升，出现牙槽骨吸收；此外，随着机械力刺激不断增加，人牙周膜受牵引侧的细胞中OPG表达不断上调，而牙周膜受压侧细胞RANKL表达逐渐下降，并且呈现出一定的时间和强度依赖性。Wu等[21]研究也发现，通过静脉注射MicroRNA-21可调节牙周膜细胞RANKL/OPG的比值，进而控制正畸牙齿移动。在正畸牙齿移动过程中，RANKL和牙根吸收之间也存在相关性，并且牙根吸收的患者在受压部位产生了大量RANKL[22]。

在牙槽骨组织中，OPG/RANKL/RANK信号通路的相关因子表达受多通路调节，其中Wnt/β-catenin经典通路在其调节牙槽骨改建过程中发挥着至关重要的作用。Wnt是一种分泌脂质修饰信号的糖蛋白，当存在刺激信号时，可与跨膜受体卷曲蛋白，低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6特异性结合，减弱β-catenin的磷酸化降解，使细胞质内β-catenin含量增加。当β-catenin蛋白积累到一定量时，可进入细胞核与TCF/LEF转录因子结合，直接激活下游靶基因OPG发生转录，使其蛋白表达上调，促进成骨细胞增殖、分化[23]。

由此可见，正畸牙齿移动是牙周膜反应和牙槽骨适应性改建的结果，与成骨和破骨细胞分化密切相关。OPG/RANKL/RANK信号通路构成调节成骨和破骨细胞分化和功能的平衡系统，在适当的正畸力作用下，体内各种骨代谢调节因子通过多通路调控RANKL和/或OPG的表达，影响成骨细胞、基质细胞和破骨细胞等分化和成熟，对牙槽骨代谢产生影响，进而促进牙齿移动并重新获得稳固。

3 OPG/RANKL/RANK信号通路与病理性牙槽骨代谢

牙周炎是一种常见的骨质破坏性疾病，在我国成年人中的患病率>50%[24]，最终可导致破骨细胞增加及牙槽骨吸收。有研究发现，感染牙周炎的小鼠出现进行性骨吸收，首先是中性粒细胞浸润，然后是Th1和Th2细胞浸润，以及Th17细胞和调节性T细胞结束[25]。牙龈炎被认为是无骨质流失的牙周炎的前期阶段。与牙龈炎相比，牙周炎病变中有更多的巨噬细胞和浆细胞[26]。典型的牙周炎是浸润的结缔组织面积增加，这个区域含有更多分泌IL-17的Th17细胞。IL-17是一种典型的晚期牙周炎细胞因子，在激活破骨细胞方面起重要作用。RANKL被认为是破骨细胞分化的关键分化因子[27]。浸润的T细胞和B细胞表达RANKL。RANKL胞外的受体结合结构域与破骨前体细胞膜上的RANK结合后，NF-κB抑制物激酶被激活，使NF-κB特异性抑制因子IκB发生丝氨酸磷酸化降解，NF-κB、p50和p65随之活化转运至细胞核内，引起下游c-Fos表达的增加，c-Fos进一步与活化的T细胞核因子结合并相互作用，启动破骨细胞基因转录，最终诱导成熟的破骨细胞形成，导致牙槽骨吸收。此外，RANK和RANKL结合也可激活TRAF6，通过活化ASK1激酶使ERK、JNK和p38发生磷酸化，激活MAPKs信号通路，从而调节激活蛋白-1的表达，最后促进破骨细胞的生成[28]。有研究检测RANKL在实验性牙周炎牙槽骨骨细胞中的蛋白表达水平，结果显示，表达RANKL的骨细胞在早期(1～3 d)比例增加，与破骨细胞的诱导相似；在培养后期，表达RANKL的骨细胞比例随着破骨细胞数量的减少而减少[29]。体内RANKL的这种上调可能受到细菌产物(如脂多糖)的直接影响，这些细菌产物可能穿透牙周组织，深至含有骨细胞的牙槽骨。另有研究表明，脂多糖上调了骨样细胞系MLO-Y4中RANKL的表达[30]。由于DMP-1启动子对骨细胞具有相对特异性，利用Cre重组酶有条件地删除RANKL，可以在骨细胞中特异性地删除RANKL。值得注意的是，这个缺乏RANKL的模型会显示出生长迟缓和骨化，表明骨细胞诱导的RANKL在骨重建中的特定作用[31]。此外，有研究发现，JNK抑制剂(JNK-IN-IX)也可通过RANKL/OPG通路来抑制破骨细胞的作用，对大鼠牙周炎引起的牙槽骨吸收有治疗作用，有关其对临床牙周炎患者的有效性需进一步研究证实[32]。因此，局部靶向控制骨细胞RANKL的表达可能是干扰牙周炎进展的一种方法。

OPG是RANKL的诱饵受体，在骨稳态中起着重要的骨保护作用。在体外，口腔细菌和破骨细胞衍生的蛋白酶被证明能够裂解OPG并促进破骨细胞的形成。OPG基因缺陷小鼠自发发生严重的牙槽骨丢失，表明牙槽骨丢失不仅与RANKL的上调有关，而且与OPG的下调和/或降解有关[33]。免疫细胞来源的炎症细胞因子，如IL-17、TNF、IL-1β以及细菌成分(如脂多糖)可上调成骨细胞的RANKL/OPG比值。因此，这些因素可能通过在牙周炎过程中诱导牙槽骨中破骨细胞形成而导致骨损伤。因此，降低RANKL的高表达或调节RANKL/OPG的比值，同时进行适当的感染控制，可能是预防牙周炎骨损伤的一种有效策略。

4 小结

OPG/RANKL/RANK信号通路是骨质破坏的最终通路，RANKL与RANK结合后可刺激下游的多个信号级联反应和关键因子促进破骨细胞的形成、分化和功能，而OPG可通过阻断RANK和RANKL的结合从而抑制破骨细胞的分化和激活，在牙槽骨代谢中起着重要作用。对OPG/RANKL/RANK信号通路的生物学效应及其在生理性牙槽骨代谢，如牙齿萌出、正畸牙齿移动和病理性牙槽骨代谢如牙周炎疾病中的作用进行研究，可为预防和治疗牙齿萌出异常、促进正畸牙齿移动和重新获得稳固及预防牙周炎骨损伤提供理论依据，同时也有助于更好地理解牙槽骨生理性和病理性改建的机制。