馮 曦， 王佐林

（同濟(jì)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，同濟(jì)大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔種植科，上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

配對相關(guān)同源框1（Prrx1）是一種在肢芽形成和顱頜面發(fā)育過程中高度表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子[1]。在胚胎發(fā)育的第9天（E9.0），早期的肢芽間充質(zhì)中開始表達(dá)Prrx1。這些細(xì)胞在E16.5時分化為軟骨細(xì)胞、軟骨膜細(xì)胞、骨膜細(xì)胞、成骨細(xì)胞及成纖維細(xì)胞、肌腱細(xì)胞、滑膜細(xì)胞[2]。Prrx1的出現(xiàn)早于性別決定區(qū)域Y相關(guān)的高遷移率族框9（SRY-box transcription factor 9，Sox9）（E10.0），Sox9只表達(dá)于肢芽間充質(zhì)細(xì)胞的一種亞群。譜系示蹤表明，表達(dá)Sox9的骨軟骨祖細(xì)胞是由表達(dá)Prrx1的肢芽間充質(zhì)細(xì)胞分化而來的。因此，在肢芽發(fā)育過程中，所有的間充質(zhì)細(xì)胞亞群均由表達(dá)Prrx1的肢芽間充質(zhì)細(xì)胞分化而來[3]。

人的Prrx1基因突變會導(dǎo)致agnathia-otocephaly綜合征，該綜合征表現(xiàn)為幾種骨骼異常，包括下頜骨發(fā)育不良、畸形足、肋骨和骶骨結(jié)構(gòu)異常[4]。Martin等[5]發(fā)現(xiàn)，敲除Prrx1基因的雜合子小鼠表現(xiàn)為顱頜面、四肢和脊柱結(jié)構(gòu)形態(tài)異常，出生后上頜骨雙側(cè)出現(xiàn)腭裂，成軟骨和成骨的前體細(xì)胞形成和生長出現(xiàn)缺陷。這些證據(jù)表明在胚胎發(fā)育期間，頜骨和長骨的成骨過程受Prrx1因子的調(diào)控。

Prrx1不僅參與早期的骨骼發(fā)育過程，在成年個體骨折損傷時亦有表達(dá)[6]。Esposito等[7]發(fā)現(xiàn)，成年小鼠骨折后，Prrx1因子的mRNA水平迅速升高，在骨折后第7天達(dá)到峰值，第10、21天逐漸減少。此外，Prrx1的表達(dá)模式受骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）和趨化因子CXC配體12（C-X-C motif chemokine ligand 12，CXCL12）調(diào)節(jié)。他們發(fā)現(xiàn)，骨折后損傷部位BMP2水平升高，導(dǎo)致CXCL12表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而引起Prrx1表達(dá)降低，使得間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞和成軟骨細(xì)胞，發(fā)生軟骨內(nèi)成骨，進(jìn)而參與骨痂的形成與改建。

表達(dá)Prrx1的細(xì)胞及子代細(xì)胞在骨穩(wěn)態(tài)的維持和骨折后的修復(fù)中具有重要作用[8]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，從長骨或顱骨骨膜中分離的Prrx1+細(xì)胞可誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞[9]和脂肪細(xì)胞[10]，證明骨膜來源的Prrx1+細(xì)胞具有干細(xì)胞的特征，Prrx1可作為一種間充質(zhì)干細(xì)胞的特異性標(biāo)志物。因此，研究者對間充質(zhì)干細(xì)胞群體中Prrx1標(biāo)記的這一類細(xì)胞展開了廣泛的研究。

Takarada等[11]借助Cre-LoxP重組酶系統(tǒng)觀察和比較了Prrx1+細(xì)胞和Nestin+（另一種間充質(zhì)干細(xì)胞標(biāo)志物[12]）細(xì)胞在新生小鼠顱骨中的分布。結(jié)果顯示，Prrx1+細(xì)胞廣泛分布于顱骨，包括顱縫間充質(zhì)、骨板表面等，且在新生小鼠的顱骨上，幾乎所有的成骨細(xì)胞都來源于Prrx1+細(xì)胞。雖然Nestin+細(xì)胞在顱骨上也有分布，但在出生后的第1天和第10天未觀察到Nestin+細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞。同樣是以膜內(nèi)成骨方式形成的骨，Prrx1+細(xì)胞在額骨與顱蓋骨上的分布卻不同，這兩種骨的礦化程度亦存在差異。最后，作者進(jìn)行了細(xì)胞譜系追蹤，發(fā)現(xiàn)Prrx1+Sca1+的間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為Prrx1+Sca1-細(xì)胞，后者分化為Osx+Prrx1-Sca1-成骨前體細(xì)胞，最后形成表達(dá)成熟α1 （Ⅰ）膠原的成骨細(xì)胞，從細(xì)胞命運(yùn)的角度揭示了膜內(nèi)成骨的細(xì)胞來源與轉(zhuǎn)歸。

另一項研究[8]發(fā)現(xiàn)，在成年小鼠的顱骨中，Prrx1+細(xì)胞僅分散地分布于顱縫中，數(shù)量隨著年齡增長而減少。通過將熒光標(biāo)記的Prrx1+細(xì)胞移植到野生型小鼠的顱骨缺損中，發(fā)現(xiàn)缺損處新生的骨中帶有綠色熒光，證實了Prrx1+細(xì)胞參與顱骨再生，有助于顱骨缺損的修復(fù)。體外實驗[13]表明，在適當(dāng)?shù)拇碳は?，Prrx1+細(xì)胞可以從靜止?fàn)顟B(tài)激活，分化為成骨細(xì)胞。Zhao等[14]同樣證實顱骨中的Prrx1+細(xì)胞特異性分布于顱縫的間充質(zhì)中，具有骨骼干細(xì)胞的特性。

Prrx1+細(xì)胞在長骨的生長發(fā)育和損傷后的修復(fù)中同樣發(fā)揮著作用[15]。Ouyang 等[16]用Ⅰ型膠原蛋白α1（collagen typeⅠα1 chain，Col1α1）標(biāo)記成骨細(xì)胞，Prrx1標(biāo)記成骨、成軟骨祖細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)，在長骨的骨膜中，Col1α1+成骨細(xì)胞分布在骨膜內(nèi)層，排列在骨表面，而Prrx1+細(xì)胞則位于Col1α1+成骨細(xì)胞的外側(cè)。此外，Col1α1+細(xì)胞缺乏軟骨形成潛能，而Prrx1+細(xì)胞同時具有成軟骨和成骨潛能。

骨折時，分布在骨膜中的Prrx1+細(xì)胞被激活，分化為成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞[17]，形成骨痂[6]。骨折修復(fù)的早期階段（骨折后7 d），在骨膜、骨內(nèi)膜內(nèi)側(cè)靠近骨折線處可檢測到Prrx1+細(xì)胞。軟骨骨痂內(nèi)沒有Prrx1+細(xì)胞，但可觀察到類似肥大軟骨細(xì)胞的Prrx1+細(xì)胞的子代細(xì)胞，表明Prrx1+細(xì)胞在骨痂形成過程中分化為軟骨細(xì)胞與骨細(xì)胞，但是在分化過程中失去了Prrx1的表達(dá)。骨折后14 d，Prrx1+細(xì)胞分布在骨-軟骨骨痂的周圍區(qū)域。綜上所述，骨折引起Prrx1+細(xì)胞數(shù)量增加，促進(jìn)軟骨和骨痂形成。Prrx1+細(xì)胞對正常骨折愈合過程的啟動是必不可少的[7]。

同時，Prrx1+細(xì)胞亦是機(jī)械應(yīng)力刺激下機(jī)體的成骨來源，破壞Prrx1+細(xì)胞的初級纖毛會導(dǎo)致礦物質(zhì)沉積和骨形成率分別下降53%和34%，但不影響成骨細(xì)胞向骨表面的募集。因此，這種細(xì)胞群體參與應(yīng)力誘導(dǎo)下的骨形成[18]。

此外，Prrx1+細(xì)胞還參與小鼠的牙周再生。Bassir等[19]發(fā)現(xiàn)，Prrx1+細(xì)胞在小鼠磨牙和切牙的牙周膜中均有分布。由于小鼠的切牙可以在其整個生命過程中不斷萌出[20]，這種持續(xù)的萌出過程需要牙周膜不斷重塑[21]。小鼠切牙牙周膜中Prrx1+細(xì)胞的高度豐富表明這些細(xì)胞可能在切牙牙周膜的連續(xù)重塑和再生中起關(guān)鍵作用。他們通過基因同源重組技術(shù)特異性剔除小鼠體內(nèi)表達(dá)Prrx1的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)Prrx1+細(xì)胞參與小鼠出生后牙周組織的形成與再生。對人牙周膜干細(xì)胞樣品的基因表達(dá)分析顯示，在人的牙周膜中亦存在Prrx1的高度表達(dá)。

目前對于Prrx1+細(xì)胞的研究多集中于通過對該細(xì)胞中特異性敲除或過表達(dá)某個靶基因，以觀察特定基因在肢體長骨或顱骨的形成和創(chuàng)傷后愈合中的作用[3，22-23]。Seo等[22]通過Prrx1-Cre、TGFBR2f/f小鼠研究轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factorβ，TGF-β）及其受體TGFBR2在肢體發(fā)育中的作用。在Prrx1+細(xì)胞中敲除TGFBR2導(dǎo)致小鼠四肢變短、骨髓腔變小、趾關(guān)節(jié)融合，從而證明TGFBR2是骨骼正常生長發(fā)育所必需的，且TGFBR2可以限制間充質(zhì)細(xì)胞形成軟骨。Wang等[23]發(fā)現(xiàn)在Prrx1+間充質(zhì)細(xì)胞中過表達(dá)沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1，Sirt1）會導(dǎo)致小鼠牙槽骨的骨量增多，Sirt1通過誘導(dǎo)Bmi1去乙?；秃艘孜淮龠M(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和分化為成骨細(xì)胞。

Fan等[24]發(fā)現(xiàn)，在Prrx1+細(xì)胞中條件性地敲除甲狀旁腺激素受體1（parathyroid hormone 1 receptor，PTH1R）基因會導(dǎo)致骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化，從而得出結(jié)論：甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）可調(diào)節(jié)骨和骨髓中間充質(zhì)干細(xì)胞的命運(yùn)，骨髓中的脂肪細(xì)胞受PTH調(diào)節(jié)，具有與機(jī)體其他部位脂肪細(xì)胞不同的起源和特性，這是小鼠和特發(fā)性骨質(zhì)疏松患者PTH治療后骨髓脂肪減少的根本原因。

綜上所述，轉(zhuǎn)錄因子Prrx1和Prrx1+細(xì)胞對于骨的早期發(fā)育和機(jī)體成年后的骨改建和骨修復(fù)過程具有重要意義。