正畸骨改建的分子调控机制

骨改建(bone remodeling)是成熟骨组织的一种替换机制，其基本过程包括骨组织的形成和骨组织的吸收两方面的变化。它主要由成骨细胞和破骨细胞共同完成，成骨细胞不断形成类骨质，类骨质钙化为骨组织；破骨细胞又不断的溶解和吸收骨，通过两者相辅相成的活动来完成骨的重建，从而维持骨的正常形态结构。实验表明，破骨细胞可以促进成骨细胞的增殖和分化，成骨细胞也可以促进破骨细胞的骨吸收作用，即成骨细胞和破骨细胞具有相互促进的功能。

正畸牙齿移动过程极为复杂，包括生物力学阶段和组织学阶段，其生物学基础是牙周组织的改建。破骨细胞性骨吸收是牙齿移动的第一步，是正畸牙齿移动的基础。研究表明，牙周组织中的破骨细胞是从外周血中的破骨细胞前体分化而来的，而不是来源千局部牙周组织。正畸牙齿移动过程中，牙槽骨的吸收与其他部位骨吸收的情况相似：压力作用下，局部破骨细胞聚集，引起骨吸收，随着外部因素的变化，最终大部分破骨细胞通过细胞凋亡的形式消失。牙周膜细胞位千牙槽骨和牙齿之间，是机械力的直接效应细胞，因此，机械力无疑是启动牙周膜细胞生理反应、导致正畸牙齿移动的前提和关键。

（一）破骨细胞分化的信号转导通路

破骨细胞分化成熟的过程中，骨保护素( OPG)、细胞核因子kappaB 受体活化因子( RANK )

及细胞核因子心受体活化因子配基(RANKL)所形成的 OPG/RANKL/RANK 系统介导oc

形成、分化过程中所必需的细胞间信号传递。与其他的 TNF 受体一样， RANK 必须通过连接蛋白TRAF（肿瘤坏死因子受体相关蛋白），尤其是TRAF6来激活信号转导通路。目前发现破骨细胞内与 RANK 相关的信号转导通路主要有4条：NF- ICB通路、MAPK 通路、PB K/

AK.t 通路和CN/NFAT通路。

1.NF- KB通路NF- ICB(receptor.activator of nucleic factor-kappa B)又称细胞核因子受体活化因子，从属千 NF- ICB/Rel家族，是一种重要的转录因子， 在破骨细胞分化和抗凋亡过程中起关键作用。RANKL 的信号经 RANK传递给TRAF6, TRAF6通过NIK( NF-KB可诱导性激酶）和 IKK  ( NF飞B激酶诱导剂）活化NF-KB,使其与I-KB分离并迅速转位进入细胞核，与相应靶基因的启动子结合，通过启动或调控基因的转录来       调节破骨细胞的分化、成熟或凋亡。 破骨细胞内 NF-KB 信号 转导通路的过程可总结为RANKL+RANK- TRAF6-+ NIK-+ IKK-+ NF-KB --+ OC分化。

2. MAPK 通路 MAPK 又称激活丝裂原活化蛋白激酶，M心K途径是通过保守的三级酶

促级联反应来传递信号，即 M凡欢激酶的激酶 ( M凡心inase kinase kinase, MAI火 -KK , 又称MKKK ) - MAPK 激酶 ( MAP kinase kinase, MAPKK, 又称MKK ) —MAPK。C-Fos (原

癌基因）、Fra-1 ( 原癌基因）和激活 T细胞核因子（NFAT) 是破骨细胞形成的重要下游调控分子，由该 通路激活调控，最终刺激破骨细胞分化。激活丝裂原活化蛋白激酶 ( MAPK ) 通路又具体包括Ras/ERK MAPK、JNK/SAPK MAPK以及P38 MAPKa 三条路径。

1. PI3K/AKt 通路 PI3K ( 磷脂酰肌醇-3 激酶）位千细胞内，既 有磷脂酰肌醇激酶活性， 又具有丝、苏 氨酸激酶活性。 PI3K能调节细胞的分 裂、分化、凋亡等活动 ， 是许多生命活动的关键信号分子。PI3K 的活性被抑制将导致破骨细胞分化障碍， 成熟破骨细胞的存活也减少； 而PI3K 过度活化的小鼠出现骨质疏松表型。在破骨细胞中 ， RANK 在上游通过胞质内蛋白激酶Src 调节PI3K的活性， Akt ( 丝／苏氨酸蛋白激酶）是 PI3K的直接靶蛋白， 其下游底物还未完全阐明，目 前已知Akt 与肌动蛋白有关， 推测它有调控细胞肌 丝形成的作用。PI3K/Akt 信号转导通路具有调节破骨细胞的分化、游走和存活等功，能其过程可总结为： RANK- TR心 6 -  Src -   PI3K -  Akt -促进破骨细胞分化、增加牙齿移动、骨架重置、吸收和抑制凋亡。

2. CN/NFAT通路 CN/NFAT(calcineurin/nuclear factor of activated T-cell ) 是破骨细胞内

与RANK 相关的又一信号转导 通路， 蛋白激酶Src激活IP3,  后者引起钙库释放提高细胞质内

Ca2+ 水平， 活化T 细胞核因子 ( NFAT)  是一种 Ca2+  调节性转录因子， 包括 NFAT1~4,   被钙调磷酸酶  ( CN )     活化后， 快速转位进入细胞核并与相应的启动子结合启动基因的转录。将

CN 或NFAT2特异性阻断后， 单核巨噬细胞系统将不能分化为破骨细胞。整个过程可表示为：

RANKL+RANK - TRAF6 - Src - PLC - IP3 - Ca2+ - CN - NFAT2 -破骨细胞分化。

成骨细胞通过各种细胞因子调节破骨细胞的分化和成熟，最新的研究表明，破骨细胞也具有正负性调节成骨细胞的功能。在病理情况下，介导造血干细胞从骨髓腔到血液发挥免疫调节作用。在正畸过程中，机械力作用千牙齿，使牙周膜细胞收到机械力的影响，诱导微环境中的成骨细胞表达RANKL , 从而促使破骨细胞募集千骨吸收部位。

（二）成骨细胞分化的信号转导通路

成骨细胞是由骨髓间质干细胞( mesench ymal  stem  cells,    MSCs )   在体内各种调节因素的诱导作用下分化而来的， 也就是说， MSCs的成骨分化需要通过一系列信号转导途径来调控。

I. TGF- 信号转导途径 骨形成蛋白 ( bone morphogenetic proteins, BMPs) 是脊椎动物

体内能诱导成骨的一类酸 性多肤， 属千p 型转化生长因子  ( TGF-  )  超家族 ( BMP-1除外），是诱导间充质干细胞分化为软骨细胞和成骨细胞的主要因子，还支持成骨细胞末期分化和调    节破骨细胞的凋亡。BMPs 信号转导途径由 BMPs及其受体、Smad  蛋白及相关转录因子以及 成骨分化特异性转录因子组成。

BMPs通过 I 型和 Il 型两类跨膜受体的磷酸化来启动其信号转导通路， 进而发挥其各种

生物学功能。BMPs受体都有保守的丝氨酸／苏氨酸激 酶结构域，  是丝氨酸／苏氨酸激酶家族的成员。研究发现 I 、 Il 型受体间有相互 依赖性。因为 1 型受体在无 Il 型受体时不能与配体结合， 而 Il 型受体在无 I 型受体时不能转导信号。这是因为1 型受体具有持续的磷酸化水平， 而 Il 型受体无此特性， 因而只有当 I 型受体与 Il 型受体相结合后， Il 型受体才可发生磷酸化。

(I) BMP-Smad信号转导通路： S mad 蛋白是一种翻译协同 因子， 是与丝氨酸／苏氨酸高度同源的蛋臼， 作用千丝氨酸／苏氨酸激酶受体下游。Smad蛋白最早是通过基因筛查在无脊椎动物中鉴定出来的。BMPs的细胞内作用是由Smad  蛋臼将   BMPs调节的磷酸化胞质易位到胞核中来完成的。

(2) BMP-MAPK信号转导通路： 丝裂素活化蛋白 激酶 ( mitogen-activated protein kinase, MAPK ) 属丝氨酸／苏氨酸激酶，是一 类分布千胞质中具有丝氨酸和酪氨酸双重磷酸化能 力的蛋白激酶。M凡火信号转导途径是细胞外信号引起细胞核内反应的通道之一 ， 可参与细胞的

形成、运动、凋亡、分化及生长增殖等多种生理过程（ 图3-15) 。

2. Wnt 蛋臼信号转导通路 Wnt 信号在很多器官和组织的 发展和维持过程中都具有重要作用， 包括骨组织在内 ， 目前发现至少有3 种信号传递途径： Wnt/ f3 -c atenin途径（ 经典的

Wnt 信号转导途径）、Wnt/Ca2+  途径（ 非经典的Wnt 信号转导途径）和Wnt/JNK/9 细胞骨架重排途径 ( planar cell polarity pathway, PCP pathway )。

近年来的研究表明， 经典 Wnt 信号在控制骨形成方面具有重要作用， 包括更新干细胞 、刺激前成骨细胞复制、诱导成骨细胞形成以及抑制成骨细胞和骨细胞凋亡等。将Wnt信号组分敲除或转基因的鼠模型观察显示出经典的Wnt信号分子在成骨细胞增殖、分化、功能和凋亡等生理过程中具有重要作用。

非经典Wnt/Ca2+ 途径中的Wnt信号可导致细胞内C的放而激活Ca2+依赖的细胞活动主要通过G蛋白介导，磷脂酶C、蛋臼激酶C 也参与了信号传递，该途径可以拈抗经典的Wnt 途径。

Wnt/JNK/ 细胞骨架重排途径与经典途径在Dsh 蛋白(d isheveled胞质内多条信号通 道的

衔接子）处分支，其下游信号为c-Jun 氨基末端激酶 (c-Ju nN-tenn inal kinase, JNK), JNK 调控肌球蛋白活动导致细胞骨架重排和细胞凋亡