譚 浩 徐文杰 何忻宜 鄭雷蕾

1.口腔疾病與生物醫(yī)學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市高校市級口腔生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401147；2.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，重慶 401147

在胚胎發(fā)育時期，顱頜面骨骼主要由神經(jīng)嵴細(xì)胞和中胚層細(xì)胞發(fā)育而來。在局部生長因子及組織發(fā)生因子的調(diào)節(jié)下，間充質(zhì)細(xì)胞逐漸分化為軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞等，并通過基質(zhì)合成及礦物質(zhì)沉積等方式使骨骼逐漸發(fā)育成形。在成骨和破骨兩種骨代謝活動的協(xié)同及偶聯(lián)調(diào)控下，發(fā)育成形后的顱頜面骨組織將繼續(xù)改建，以完成骨量的增長并維持骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡。研究表明，顱頜面骨骼的發(fā)育過程和代謝過程都受到各類分子信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控。近年來，Notch 信號通路逐漸被證明也參與調(diào)控顱頜面骨的生長發(fā)育。

Notch 信號通路是一種進(jìn)化上高度保守的通路，在細(xì)胞、組織、器官的分化和發(fā)育過程中起著關(guān)鍵調(diào)控作用。自1917年Morgan 等在翅膀邊緣缺刻的果蠅中發(fā)現(xiàn)Notch 基因以來，已有大量的研究闡明了Notch 信號在骨發(fā)育和骨代謝疾病中的重要作用。例如，在顱頜面骨骼中，異常的Notch 信號會導(dǎo)致顳下頜骨關(guān)節(jié)炎、顱骨缺損、牙槽骨病理性吸收等，靶向調(diào)控Notch 信號對于控制這些疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要意義。因此，本文將重點(diǎn)討論Notch 信號在顱頜面骨骼發(fā)育及骨代謝中的作用，并分析其中的分子機(jī)制，旨在為相關(guān)疾病的防治提供新的思路。

1 Notch 信號概述

哺乳動物的Notch 信號通路包括四種單通道跨膜受體（Notch1、Notch2、Notch3、Notch4）、五種跨膜配體（Dll1、Dll3、Dll4、Jagged1 和Jagged2）和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（CSL-DNA 結(jié)合蛋白）。Notch 受體的結(jié)構(gòu)包括胞外區(qū)（Notch extracellular domain，NECD）、跨膜區(qū)（transmembrane，TM）和胞內(nèi)區(qū)（Notch intra cellular domain，NICD）三個部分，其中NECD 主要負(fù)責(zé)結(jié)合配體，啟動信號傳導(dǎo)后被配體細(xì)胞所吞噬，而NICD 經(jīng)γ-分泌酶的S3 裂解從細(xì)胞膜上分離出來并轉(zhuǎn)運(yùn)入核后負(fù)責(zé)控制下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。重組信號結(jié)合蛋白-Jκ（recombination signal binding protein-Jκ，RBP-Jκ）是Notch 信號通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過與入核的NICD 及Maml 形成轉(zhuǎn)錄調(diào)控復(fù)合物，調(diào)控和激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。Notch 通路的下游靶基因包括Hes 和Hey 家族蛋白，它們是進(jìn)化上保守的堿性螺旋-環(huán)-螺旋類型的轉(zhuǎn)錄抑制因子，作為主要的Notch 效應(yīng)分子直接影響細(xì)胞的分化及功能。

2 Notch 信號對顱頜面骨骼發(fā)育的影響

2.1 Notch 信號對軟骨內(nèi)成骨的調(diào)控

在顱頜面骨中，軟骨向骨的轉(zhuǎn)化最早開始于胚胎的第8 周，軟骨細(xì)胞的生成及分化在其中起著決定性作用。軟骨細(xì)胞的生成及分化起源于間充質(zhì)細(xì)胞的聚集，隨后經(jīng)過軟骨細(xì)胞增殖、軟骨細(xì)胞肥大、基質(zhì)分泌等過程逐漸分化成熟。研究表明，在正常的軟骨分化過程中，Notch 受體的胞內(nèi)段NICD 表達(dá)于肥大區(qū)，抑制Notch 信號通路將導(dǎo)致軟骨細(xì)胞分化活躍，軟骨增殖增加，從而導(dǎo)致骨形成減少。反之，在軟骨細(xì)胞中過表達(dá)Notch1-NICD 信號，會導(dǎo)致軟骨細(xì)胞前體增殖減少，軟骨分化被抑制。以上研究證明，Nocth信號抑制軟骨的增殖及分化，阻礙Notch 信號會加速軟骨的形成。Notch 信號抑制軟骨分化主要是通過抑制轉(zhuǎn)錄因子Sox9（SRY-related high mobility groupbox 9）來實(shí)現(xiàn)的，Sox9 主要負(fù)責(zé)翻譯后修飾軟骨分化相關(guān)基因。研究表明，Notch 下游靶基因如Hes1 和Hey1 的下調(diào)會增加Sox9 的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)軟骨分化。綜上所述，Notch 信號通路可通過調(diào)節(jié)Sox9 的表達(dá)來抑制軟骨細(xì)胞的分化，降低軟骨的形成，并有利于軟骨內(nèi)成骨的發(fā)生。

在顱頜系統(tǒng)中，顱底、顱蓋、髁突的骨骼都是以軟骨內(nèi)成骨的形式形成的。髁突軟骨是顳下頜關(guān)節(jié)的重要生長區(qū)，對于控制下頜骨生長、維持顳下頜關(guān)節(jié)的正常結(jié)構(gòu)與功能具有重要意義。同時，髁突軟骨細(xì)胞的生成及分化也受到諸多因素的調(diào)節(jié)。有研究在髁突軟骨增殖層細(xì)胞中檢測到眾多Notch 信號通路相關(guān)基因的表達(dá)。此外，Notch 信號也被發(fā)現(xiàn)活躍于髁突表面的纖維軟骨干細(xì)胞中，并參與調(diào)控顳下頜關(guān)節(jié)的發(fā)育成形過程。應(yīng)用γ-分泌酶DAPT 抑制髁突軟骨細(xì)胞中的Notch 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)后，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá)降低，而Sox9 的表達(dá)明顯增高，軟骨細(xì)胞的分化被促進(jìn)，提示Notch 信號通路促進(jìn)了髁突軟骨細(xì)胞的增殖而抑制其分化。國內(nèi)有學(xué)者對小鼠顳下頜骨關(guān)節(jié)炎模型的髁突軟骨行免疫組化分析，發(fā)現(xiàn)髁突軟骨中Notch1、Jagged1、Hes5 的表達(dá)量顯著升高，利用Notch 抑制劑DAPT 治療可顯著改善髁突軟骨的破壞。以上研究證明Notch 信號參與調(diào)控髁突軟骨的形成及分化過程，同時抑制Notch 信號可能是治療顳下頜骨關(guān)節(jié)炎的一個新的治療靶點(diǎn)。

2.2 Notch 信號對顱縫生長發(fā)育的調(diào)控

骨縫生長是顱頜面骨特殊的生長發(fā)育方式之一，是指兩骨塊之間未骨化區(qū)域的骨質(zhì)沉積，顱頜面骨縫包括顱骨縫、腭中縫以及上頜骨周四條骨縫。有研究表明，Notch 信號通路在調(diào)節(jié)顱縫融合方面起著重要作用，其突變會導(dǎo)致顱縫的早期融合。在由Jagged1突變引起的Alagille 綜合征個體中，顱縫早閉被認(rèn)為是典型特征之一。有研究在Jagged1 突變的顱縫中檢測到Notch2 及Hes1 的高表達(dá)，其顯著增強(qiáng)了該區(qū)域骨縫的成骨作用，并導(dǎo)致顱縫早閉。但不同類型顱縫中的Notch 信號可能發(fā)揮不同的作用。在小鼠和大鼠的正常顱縫融合中，后額縫在出生后的第一個月融合，而矢狀縫仍保持開放。Liu 等的研究發(fā)現(xiàn)，Notch 相關(guān)上下游信號的mRNA 水平在大鼠后額縫融合過程中逐漸下降以促進(jìn)骨縫的融合，卻在矢狀縫中逐漸上升以維持骨縫的持續(xù)開放。由此可見，Notch信號在兩種顱縫中的適應(yīng)性變化有利于維持顱縫的生理性融合與開放。以上研究提示，靶向調(diào)節(jié)Notch信號對于治療顱縫早閉、維持顱縫正常生長發(fā)育具有重要意義。

3 Notch 信號對顱頜面骨代謝的影響

3.1 Notch 信號對成骨細(xì)胞的影響

成骨細(xì)胞來源于充質(zhì)干細(xì)胞，沿著骨表面聚集，合成由膠原及其他蛋白質(zhì)組成的類骨質(zhì)，隨后鈣磷晶體在類骨質(zhì)內(nèi)不斷沉積，類骨質(zhì)礦化成熟。根據(jù)成骨細(xì)胞分化階段的不同，Notch 信號可能具有不同程度的抑制或誘導(dǎo)作用。研究發(fā)現(xiàn)，Notch 信號的激活抑制早期前體成骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)中間成骨細(xì)胞的增殖，抑制成熟成骨細(xì)胞的形成。當(dāng)Notch 信號在未分成熟成骨細(xì)胞中被激活時，成骨細(xì)胞分化受損，骨質(zhì)形成減少。而在軟骨膜細(xì)胞分化為前成骨細(xì)胞（中間期）的階段，NICD 的表達(dá)促進(jìn)了細(xì)胞增殖，其特征是骨髓腔內(nèi)過量的未成熟編織骨和纖維化細(xì)胞。除此之外，不同的Notch 受體在成骨細(xì)胞生成及分化過程中也承擔(dān)著不同的任務(wù)。Notch1 過表達(dá)通過抑制Wnt/β-catenin 信號通路來阻礙成骨分化。成骨細(xì)胞特異性的Notch2 失活導(dǎo)致局部骨小梁的骨量增加，同時在體外也觀察到成骨能力的增強(qiáng)。SiRNA轉(zhuǎn)染靶向下調(diào)Notch3 的表達(dá)可促進(jìn)正常下頜骨間充質(zhì)干細(xì)胞中成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。Nocth4 被發(fā)現(xiàn)在人牙槽骨來源的骨祖細(xì)胞成骨分化中上調(diào)，提示Notch4 可能促進(jìn)成骨分化。由此可見，Notch 信號對成骨細(xì)胞的影響并非單一的促進(jìn)或抑制，不同類型的Notch 信號在不同的局部環(huán)境下可能發(fā)揮不同的功能。

3.2 Notch 信號對破骨細(xì)胞的影響

破骨細(xì)胞來源于造血單核/巨噬細(xì)胞，其前體在RANKL 及M-CSF 等因子的作用下發(fā)生細(xì)胞融合，從而形成多核破骨細(xì)胞，具有去除礦化骨基質(zhì)的能力。破骨細(xì)胞的生成及分化受到多種信號的調(diào)控，其中RANKL/RANK/OPG 軸起主要作用。Notch 信號通路也被證明是破骨細(xì)胞發(fā)生及分化的重要調(diào)控因子。根據(jù)破骨細(xì)胞的分化狀態(tài)，不同的Notch 信號相關(guān)分子在其中發(fā)揮不同的功能。有研究認(rèn)為，Notch 信號抑制破骨細(xì)胞的分化，例如在M-CSF 刺激下，缺失Notch1～3 的骨髓巨噬細(xì)胞分化成破骨細(xì)胞的速度反而加快。相反，另有研究表明，激活Jagged1 和Notch2可增強(qiáng)活化T 細(xì)胞核因子c1（Nuclear factor of activated T cells cl，NFATc1）啟動子的活性和表達(dá)，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成。NICD2 與NF-κB 的相互作用會導(dǎo)致NFATc1 的激活，而NFATc1 是調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞形成的主要轉(zhuǎn)錄因子。在Notch2 功能獲得模型中也發(fā)現(xiàn)破骨細(xì)胞數(shù)目增加，骨吸收活躍，從而導(dǎo)致明顯的骨質(zhì)減少。以上研究表明，Notch 信號對破骨細(xì)胞分化及功能的影響尚無定論，不同的Notch 受體在破骨分化過程中可能發(fā)揮不同的作用。

3.3 Notch 信號在牙槽骨骨代謝中的作用

發(fā)育完成后的顱頜面骨在一生中都在進(jìn)行不斷地改建，通過成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的作用來維持骨代謝動態(tài)平衡，以維持骨骼的正常形態(tài)與結(jié)構(gòu)。牙槽骨是全身中變化最活躍的骨骼，在生理狀態(tài)下，它隨著牙齒的替換和移動而不斷改建。而在病理狀態(tài)下，受到刺激后的牙槽骨中破骨細(xì)胞異?；钴S，骨代謝平衡被打破，導(dǎo)致牙周炎、種植體周圍炎等疾病的發(fā)生。已有研究報道，Notch 信號與各類牙槽骨異常骨代謝活動的發(fā)生相關(guān)，靶向調(diào)控Notch 信號對于控制牙槽骨的代謝改建具有重要意義。

Notch 信號被證明與牙周炎牙槽骨吸收有關(guān)。Djinic Krasavcevic 等納入80 例侵襲性牙周炎及慢性牙周炎患者，收集患者的各項臨床指標(biāo)及齦溝液進(jìn)行mRNA 水平檢測及線性回歸分析。結(jié)果顯示，Notch2 表達(dá)的上調(diào)影響侵襲性牙周炎患者的附著喪失，提示Notch2 的高表達(dá)可能是引起牙槽骨水平丟失的因素之一。另有一組臨床研究同樣也證實(shí)了這一點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)齦溝液中Notch2 的高表達(dá)會加重侵襲性和慢性牙周炎所導(dǎo)致的牙槽骨吸收。然而，Notch1對牙周炎牙槽骨吸收間的影響仍有爭議。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，侵襲性牙周炎齦溝液中Notch1 和Jagged1 的下調(diào)會引起更多的破骨細(xì)胞形成，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的牙槽骨吸收。然而另有研究發(fā)現(xiàn)，外周血中Notch1 的表達(dá)上調(diào)反而會加重牙周炎的程度，并指出牙周炎的惡化可能與Notch1 促進(jìn)了外周血輔助性T 細(xì)胞17（helper T cell 17，Th17）的分化有關(guān)。齦溝液和外周血中Notch1 的表達(dá)水平為何對牙周炎的發(fā)生、 發(fā)展發(fā)揮作用效果不一，目前尚不清楚，其潛在機(jī)制需進(jìn)一步被闡明。此外，Notch 信號還被證明在種植體周圍炎相關(guān)骨吸收中發(fā)揮作用，研究顯示，Notch1 下調(diào)和部分關(guān)鍵炎癥調(diào)節(jié)因子表達(dá)上調(diào)的聯(lián)合作用可能引起種植體周圍炎中破骨細(xì)胞活性增加并導(dǎo)致骨吸收破壞，因此控制Notch 信號的表達(dá)水平，對預(yù)防種植體周圍炎骨吸收的發(fā)生同樣也具有重要參考價值。

在矯治力作用下，牙槽骨穩(wěn)定有序的代謝改建保證了牙齒的高效移動，不當(dāng)?shù)某C治力會打破牙槽骨的骨代謝平衡。已有研究報道，Notch 信號受到機(jī)械應(yīng)力的調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)，間歇性壓縮應(yīng)力下人牙周韌帶細(xì)胞中的Notch2、Notch3、Hes1 和Hey1 的mRNA 表達(dá)均顯著升高，表明機(jī)械應(yīng)力可誘導(dǎo)激活Notch 信號通路。此外，在小鼠前成骨細(xì)胞中，間歇性應(yīng)力可通過轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）通路顯著上調(diào)Notch 靶基因的表達(dá)。這些研究提示，Notch 信號可能參與機(jī)械應(yīng)力作用下的正畸牙移動周圍骨改建。在大鼠的正畸牙移動模型中，發(fā)現(xiàn)Notch1 和Jagged1 在受壓側(cè)的牙周膜中高表達(dá)，且與加力時間呈正相關(guān)，應(yīng)用DAPT 抑制Notch 信號后，牙移動距離增加，破骨陽性細(xì)胞數(shù)量增加，骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）/細(xì)胞核因子κB 受體活化因子配基（receptor activator of NF κB ligand，RANKL）比值下降，提示抑制Notch 信號會導(dǎo)致壓力側(cè)破骨吸收活躍，促進(jìn)正畸牙移動。鑒于Notch 信號系統(tǒng)的復(fù)雜性，有關(guān)其對正畸力作用下牙槽骨骨代謝的作用及機(jī)制，還需通過更多的研究來進(jìn)一步闡明。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，Notch 信號與顱頜面骨骼發(fā)育及骨代謝有著密不可分的聯(lián)系。Notch 信號在顱頜面軟骨內(nèi)成骨及骨縫成骨過程中活躍，它通過調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞的命運(yùn)來維持顱頜面骨骼的正常發(fā)育，靶向調(diào)控Notch 信號有利于預(yù)防顱頜面骨畸形的發(fā)生。而Notch 信號在顱頜面骨代謝中的作用似乎尚無定論。這主要是由于成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的生成及分化涉及多個階段，并受到多種因素的調(diào)控，且Notch 信號通路也涵蓋各類配體、 受體及下游靶點(diǎn)，從而導(dǎo)致不同的模式下激活的Notch 信號級聯(lián)在特定環(huán)境中發(fā)揮其特定的功能。對Notch 信號的調(diào)控可能成為一種有效的骨組織工程策略，利用Notch 信號對顱頜面骨代謝的調(diào)控作用，靶向防治牙周炎、種植體周圍炎以及不當(dāng)矯治力所致牙槽骨代謝失衡可作為未來的研究方向之一。然而，目前對于Nocth 信號在顱頜面骨中的研究仍不夠全面和深入，期待未來有更多研究將Notch 信號用于顱頜面骨骼發(fā)育及骨代謝相關(guān)疾病的防治中。