信號素3A 在正畸牙齒移動中的潛在作用

因治療需要而出現(xiàn)牙齒和下頜錯位的發(fā)生率很高。近年來，正畸牙齒移動矯正牙齒錯位的生物學(xué)研究日益重要，總體目標是確定通過施加力激活的分子因子。在正畸牙齒移動過程中，正畸力的作用導(dǎo)致牙槽骨的機械變化。盡管每個解剖位置的骨細胞（包括成骨細胞、破骨細胞和骨細胞）都對機械負荷敏感，從而適應(yīng)改變的外部條件，但現(xiàn)在人們認識到，對于正畸牙齒移動，作用在牙周膜（PDL）和內(nèi)部成纖維細胞上的力是決定性的。然而，力接收和隨后的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的確切模式尚不完全清楚，該過程中涉及的分子因子也尚未被鑒定和進行功能表征。

到目前為止，Ephrin/Eph受體家族的成員以及信號素（Semaphorins）及其受體神經(jīng)纖毛蛋白（Neuropilin）和神經(jīng)叢蛋白（Plexin）與維持骨穩(wěn)態(tài)有關(guān)。研究已經(jīng)證實了Ephrines 和Eph受體參與正畸牙齒移動過程中的骨重塑，但尚未證明信號素在正畸牙齒移動過程中的參與。然而，信號素3A（Sema3A）對這一作用特別感興趣，因為它同時誘導(dǎo)成骨細胞分化并干擾破骨細胞分化。研究表明，Nrp1是成骨細胞和破骨細胞Sema3A-依賴性調(diào)控的決定性共受體，然而，實際的信號傳遞是通過 Plexin-A1 受體（PlxnA1）進行的。關(guān)于Sema3A機械調(diào)控的數(shù)據(jù)很少。

德國海德堡大學(xué)口腔正畸和口腔頜面骨科的Sinan Şen、Christopher J Lux和Ralf Erber研究員在之前的研究中對 Ephrin/Eph 家族成員的研究以及Sema3A 在骨重塑的中的功能數(shù)據(jù)表明，神經(jīng)引導(dǎo)分子在正畸牙齒移動調(diào)控中的作用可能被低估了。因此，在之后的一項研究中旨在（i）研究不同的機械力是否調(diào)節(jié)牙槽骨牙周成纖維細胞和成骨細胞中 Sema3A 及其受體 Neuropilin-1 和 Plexin A1 的表達，（ii）研究 Sema3A 的機械調(diào)控，（iii）研究 Sema3A 刺激對牙槽骨成骨細胞分化的影響，（iv）闡明 Sema3A-依賴性成骨細胞分化的潛在分子機制，最后（v）測試 Sema3A 對牙槽骨成骨細胞粘附和運動的潛在影響。具體內(nèi)容發(fā)表在 International Journal of Molecular Sciences 期刊題為“A Potential Role of Semaphorin 3A during Orthodontic Tooth Movement”。
 

表明Sema3A參與調(diào)控正畸牙齒移動期間骨重塑的決定性先決條件是它通過牙周組織細胞（人牙周膜原代成纖維細胞（hPDLF）和人牙槽骨原代成骨細胞（hOB）中的機械力進行調(diào)節(jié)。因此，實驗首先研究了hPDLF 和 hOB 中 Sema3A 表達及其受體 NRP1和PLXNA1的機械調(diào)控。

在施加機械靜態(tài)應(yīng)變（2%、4、24、48、72和96 h）或靜態(tài)壓縮力（ 30 g/cm²，1、6、10 h）后，通過定量PCR檢測hPDLF細胞的變化。結(jié)果表明，在PDLF中，Sema3A的表達明顯改變，應(yīng)變或壓縮力作用下的差異調(diào)控也明顯變化。Sema3A在應(yīng)變4h和72h后被顯著誘導(dǎo)，在96h后達到基線水平，而壓縮力導(dǎo)致Sema3A mRNA在所有時間點的表達顯著降低。PLXNA1僅在應(yīng)變4h后被顯著誘導(dǎo)，并在24h后升高，而在壓縮后沒有顯著改變。NRP1 在應(yīng)變4 h后被輕微誘導(dǎo)，但在48h后顯著降低，并在應(yīng)變 72h和 96h和壓縮力后仍低于基線水平（圖1 A-C）。

Western blot 的蛋白表達分析證實了Sema3A的應(yīng)變依賴性誘導(dǎo)，并提示了差異調(diào)節(jié)的受體表達：應(yīng)變誘導(dǎo)bot、Plexin A1和Neuropilin 1表達，但通過壓縮降低。此外，Sema3A蛋白表達被壓縮降低，PlexinA1 和 Neuropilin 1 的mRNA 和蛋白質(zhì)表達在應(yīng)變及壓縮期間表達不一致，Sema3A的mRNA和蛋白表達在時間上也存在差異。

有趣的是，在hOB中施加機械力后，沒有觀察到Sema3A及其受體表達的顯著變化。
 

圖1 SEMA3A、PLXNA1 和 NRP1 的 mRNA 表達受到機械壓縮或應(yīng)變的差異調(diào)節(jié)。

基于現(xiàn)有證據(jù)表明 Sema3A 可能是 Osterix（SP7）轉(zhuǎn)錄因子的直接轉(zhuǎn)錄靶點以及來自正畸牙齒移動動物模型的數(shù)據(jù)顯示 Osterix 可以在張力側(cè)被誘導(dǎo)，因此，實驗推測應(yīng)變、Osterix 和 Sema3A 表達可能與 hPDLF 相關(guān)。在機械應(yīng)變（2.5%）或壓縮力（30 g/cm²）下對 hPDLF 中 Osterix 進行 RT-qPCR 分析，結(jié)果顯示，在拉伸細胞中顯著誘導(dǎo)Osterix表達長達24h，而壓縮hPDLF中Osterix表達顯著降低。盡管導(dǎo)致其機械誘導(dǎo)的機制尚不清楚，但這些結(jié)果表明，Osterix可能參與了機械誘導(dǎo)的Sema3A上調(diào)。

接下來，為了測試Sema3A對牙槽骨成骨細胞成骨分化的影響，用含有或不含重組人Semaphorin 3A 的成骨培養(yǎng)基（10 ng/mL）刺激hOB。

結(jié)果顯示，外源性Sema3A顯著刺激關(guān)鍵成骨轉(zhuǎn)錄因子RUNX2表達，其他成骨標志基因（ALPL、堿性磷酸酶、SPP1、骨橋蛋白、BGLAP、骨鈣素）在刺激后顯示出超越成骨培養(yǎng)基作用的誘導(dǎo)趨勢（圖2 A-D）。然而，在沒有成骨預(yù)處理的情況下，Sema3A對成骨基因表達的影響是無法檢測到的。因此，PDLF 中Sema3A 的機械-依賴性釋放可能僅在已經(jīng)成骨的環(huán)境中促成牙槽骨成骨細胞的成骨分化。
 

圖2 在成骨環(huán)境下，外源性信號蛋白3A刺激有助于牙槽骨成骨細胞的成骨分化。

來自小鼠實驗的數(shù)據(jù)表明，叢蛋白相關(guān) GTPases 和 Wnt/β-catenin 信號通路參與骨骼中 Sema3A 激活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此，研究人員測試了 hOB 中 Sema3A 刺激是否導(dǎo)致 GTPases Rac1 的激活和積累以及β-catenin 的核易位。用外源性Sema3A刺激牙槽骨成骨細胞導(dǎo)致Rac1GTPase的激活（圖3 A）。

RT q-PCR顯示，在礦化培養(yǎng)基中生長的hOB中，Sema3A對β-catenin 誘導(dǎo)有顯著貢獻（圖3 B）。在對照細胞中，β-catenin 主要存在于細胞質(zhì)中，用 Sema3A 刺激導(dǎo)致 2h后核周 β-catenin 的積累，48h后，大部分β-catenin 易位到細胞核中（圖3 C）。基于這些結(jié)果，可以推測 hOB 中 Sema3A-依賴性誘導(dǎo)的成骨標志物基因的表達是通過Rac1GTPase- 和β-catenin- 依賴性信號通路發(fā)生的。

在幾種細胞類型中，Sema3A在與Neuropilin-1 及其共受體PlexinA1結(jié)合時激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)，從而控制F-肌動蛋白動力學(xué)，控制細胞粘附和運動。在骨重塑過程中，成骨細胞前體和成骨細胞募集到活躍的重塑部位需要這些細胞的運動。最后，為了檢測 Sema3A是否影響牙槽骨成骨細胞運動，用重組 Sema3A（100 ng/mL）處理不同時間段的 hOB，用免疫熒光染色法測定黏著斑蛋白（Vinculin）來評估黏著斑，結(jié)果顯示，沒有證據(jù)表明牙槽骨成骨細胞的黏著斑改變。從這些數(shù)據(jù)來看，Sema3A似乎對牙槽骨中成骨細胞運動沒有顯著影響。
 

圖3 Semaphorin 3A刺激人牙槽骨原代成骨細胞（hOB）與Rac1GTPase激活、β-catenin轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)和核易位相關(guān)。

以前的研究尚不清楚機械力可能對Sema3A信號傳導(dǎo)產(chǎn)生什么影響。總之，這項研究首次顯示了牙周成纖維細胞中Sema3A的差異機械調(diào)節(jié)機制。牙槽骨成骨細胞通過 Rac1 和 β-catenin 依賴性誘導(dǎo)分化標志物對 Sema3A 刺激做出反應(yīng)。結(jié)合之前對 Ephrin/Eph 家族的研究結(jié)果，目前的數(shù)據(jù)表明，神經(jīng)引導(dǎo)分子參與了正畸牙齒移動過程中骨重塑的調(diào)節(jié)。Sema3A 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機械調(diào)節(jié)可能不一定局限于正畸牙齒移動期間的骨重塑，因為用于維持骨量的基本重塑過程是機械誘導(dǎo)的骨骼范圍。然而，在正畸力誘導(dǎo)的骨重塑的情況下，根據(jù)這里提供的結(jié)果，牙周成纖維細胞作為機械力的受力者，似乎是最重要的。這些體外研究結(jié)果能否用于臨床，目前還在探索之中。

參考文獻：Şen S, Lux CJ, Erber R. A Potential Role of Semaphorin 3A during Orthodontic Tooth Movement. Int J Mol Sci. 2021 Aug 2;22(15):8297. doi: 10.3390/ijms22158297. PMID: 34361063; PMCID: PMC8348452.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34361063/

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