创伤、肿瘤等引起的巨大骨缺损一直是骨科临床难题，普通骨材料在修复巨大骨缺损时往往产生延迟愈合，甚至骨不连等问题。因此，发展具有良好成骨作用的骨组织材料是骨组织工程研究的重要课题。转录因子Runx2在成骨分化中起着重要作用。为骨组织工程研究开辟了新的突破方向。结构特点与分型Runx基因因与果蝇Runt基因高度同源而得名。

 

　　Runx是一类高效转录因子，有核心结合因子(Cbf)a、多瘤病毒增强结合蛋白(PEBP)2a、急性髓细胞性白血病(AML)因子等多种别名。Runx家族成员主要包括Runxl、Runx2、Runx3三型，在人体生长发育及肿瘤发生等方面均具有重要作用。

 

　　Runx2为Runt相关因子2，又称Cbfal，是具有成骨分化作用的转录因子。Runx2基因定位于人类常染色体的6p21，长约220 kb。Runx2具有与Runx家族相似的、由128个氨基酸组成的保守结构域，包括3个转录激活域(AD)，1个抑制域(RD)，1个短的Myc相关核定位信号(NI)及2个启动子。Runx2蛋白c端富于丝氨酸、脯氨酸和苏氨酸，通过C末端区域与其他转录因子、协同因子、共抑制因子如Smads蛋白、Yes相关蛋白、Groucho／TLE蛋白等作用，从而激活或阻遏相关基因表达L3]。

 

　　Runx2可与Cbf8结合形成二聚体，通过别构调节增强与DNA结合的能力，还可以保护自身不被泛素一蛋白酶系统降解 。

 

　　Runx2因不同的N-末端序列分为3种亚型。Runx2I型(Cbfal／org)以MRIPVD为起始氨基酸序列，Runx2II型(Cbfal／iso)以MASNSI 为起始氨基酸序列，Runx2Ⅲ型(Cbfal／Osf2)以MLHSPH为起始氨基酸序列。目前在人类中只发现Runx2I型和Ⅱ型，分别由Runx2基因的2个启动子控制。研究发现，Runx2I型主要在成骨细胞早期增殖过程中起作用，Runx21型则在后期成骨阶段对成骨细胞成熟发挥重要作用；Runx2I型还可在未分化的骨髓问充质干细胞(BMSc)、前成骨细胞和前软骨细胞中表达。

 

　　2 表达调控与作用Runx2在成骨分化信号转导通路中起核心作用，其他成骨作用因子可与Runx2相互作用促进成骨分化 。

 

　　成骨分化调节过程中有多种活性因子直接参与成骨分化，如骨形态发生蛋白(BMP)一2、BMP_4、BMP-7、转化生长因子(TGF)一J31、TGF-J32、胰岛素样生长因子(IGF)1等。

 

　　这些上游因子与Runx2相互作用，通过不同的信号转导通路使Runx2基因表达上调，或使Runx2蛋白磷酸化，调节其活性和功能，从而进一步调节BMSC成骨分化。细胞外基质(ECM)可激活成骨细胞丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)／N胞外信号调节激酶(ERK)激酶(MEK)／ERK信号转导通路，ERK1可上调骨钙素及Runx2表达，并促使Runx2蛋白磷酸化，促进成骨作用；成纤维细胞生长因子(FGF)通过MAPK信号通路使Runx2磷酸化水平明显增高；力学信号刺激MAPK信号通路，利用整合素将力学信号转化为生物学信号，激活ERK2和c-Jun氨基末端激酶(JNK)1，进而使Runx2表达水平增高；甲状旁腺素(PTH)与甲状旁腺素受体(PTHR)结合后激活蛋白激酶A与蛋白激酶c信号通路，调节Runx2蛋白活性；BMP可激活Smadl、Smad5、Smad8并与Smad4形成复合物，从而激活目标基因并促进其表达，通过其远端P1启动子和近端P2启动子启动Runx2基因表达。

 

　　另一部分活性因子可通过与Runx2相互作用抑制细胞的成骨作用。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的作用是负向调节Runx2功能的非常重要的机制之一。HDAC3通过与Runx2因子的相互作用抑制骨钙素启动子表达，HDACA通过抑制Runx2转录活性抑制软骨细胞肥大，HDAC5通过对Runx2蛋白赖氨酸残基的脱乙酰作用抑制Runx2活性，HDAC6通过与羧基端结合抑制Runx2活性。此外，有研究 ” 发现HDAC7通过独立的脱乙酰机制调节其活性。Hu等 们经曲古抑菌素A(TSA)抑制HDAC活性研究发现，Runx2在脂肪源性干细胞(ADSC)中表达明显增加，从而提高ADSC成骨潜能；进一步证实HDAC负向调节作用。Shui等经小鼠模型研究发现，Runx2表达过量时其活性并没有对应增强，而骨形成受损，提示Runx2功能调节可能存在多重水平，包括microRNA对其调控。Hu等 副研究证实，miR-3960通过miR-2861反馈调节对成骨分化进行调节，而miR-2861可通过对HDAC作用上调Runx2表达。Twist1蛋白可在成骨分化期间通过与Runt结构域相互作用影响Runx2基因表达，从而下调成骨活性。

 

　　Runx2的主要作用是诱导BMSC向成骨细胞分化，并使成骨细胞成熟。尽管有多种因子共同作用于骨形成，但Runx2被认为最主要的成骨细胞特异性转录因子。Runx2能够上调BMSC、前成骨细胞、成骨细胞中各相关基因的转录、翻译，并最终使其定向分化。

 

　　Enomoto等经目的基因敲除研究发现，Runx2小鼠不能有效地分化出成骨细胞，因而未能发生膜内和软骨内骨化成骨；表明Runx2缺失阻止了成骨细胞分化而表现出完全的骨化不能。BMP-2在骨和软骨分化、成熟过程中具有明确的促进骨愈合作用。BMP-2在激活Smads蛋白后，通过其远端P1启动子和近端P2启动子启动Runx2基因表达 ]。Xiao等 研究发现，Runx2 颅骨细胞中即使有B 一2存在，体内外成骨细胞仍然不能进行正常分化；由此推论，Runx2是BMP-2促成骨细胞分化所必需的细胞因子。

 

　　RunX2在促进成骨分化的同时，却抑制成熟的成骨细胞向骨细胞进一步分化。Liu等在小鼠体内体外实验研究中意外发现，利用转基因技术使Runx2高表达时小鼠因骨质脆弱发生多发骨折；组织学研究显示，小鼠骨质内虽有新生成骨细胞增多，骨钙素、骨桥蛋白等分泌蛋白增多，但成熟骨细胞并没有相应增多，且伴有矿化不足，同时破骨细胞数量随成骨细胞增多而增多；该研究提示，Runx2对成熟骨细胞分化至骨细胞起着抑制作用，而过量表达Runx2时破骨细胞作用将会超过成骨细胞作用，致使成骨功能失衡。

 

　　Runx2具有促软骨细胞分化、成熟的功能。Inada等研究发现，Runx2基因表达随软骨细胞成熟而增加，在终末肥大软骨细胞中的表达量很大。Take等研究发现，Runx2在小鼠受孕10．5 d时便开始在侧板中胚层和将要发育成肢体的间充质细胞聚集区开始表达，并持续进行；Runx2在前肥大软骨细胞和成骨细胞区表达较高；Runx2表达随着软骨细胞成熟、软骨内骨化完成而逐渐下降，至出生时基本检测不到。上述研究结果均提示，Runx2在软骨生成和软骨骨化中有正性作用。

 

　　Runx2同样也可促进ECM 成熟。Runx2与成骨细胞特异性顺式作用元件(OSE)一2结合后，可上调细胞内工型胶原蛋白、骨钙素、骨桥蛋白等分泌蛋白的表达。ECM蛋白是骨的重要组成部分，可促进骨愈合；同时，ECM蛋白又可通过MEK／ERK信号转导通路，激活ERK1进一步上调成骨细胞内Runx2表达，正反馈促进成骨分化，使骨质达到完全愈合。

 

　　3 在骨组织工程研究中的应用骨组织工程是组织工程的一大分支，即通过整合种子细胞、生物工程、骨材料和生物活性因子等技术加速骨愈合，提高骨组织功能。骨组织工程研究的一个重要目的，是发展具有良好成骨作用的骨再生材料。治疗大面积骨缺损时骨材料成骨活性不足是当前骨组织工程需要解决的难题。Quarto等 。 报道3例采用自体BMSC与羟基磷灰石复合的骨组织工程材料修复人肢体负重骨缺损，虽最终达到骨性愈合，但出现愈合时间长等问题；提示在缺少活性因子情况下，单纯人工合成骨支架材料复合BMSC治疗大面积骨缺损并不能取得满意效果。因此，近年研究重点已转向将上述支架材料与BMSC、细胞因子复合于一体，共同修复骨缺损。

 

　　骨修复是一个复杂的生物学事件级联反应，同时受到特定细胞、ECM 和生长因子的调控。各种细胞因子有着不同的生物学作用，血管内皮细胞生长因子(Ⅵ F)、一氧化氮合酶(NOS)2、内皮素(ET)1、肾上腺髓质素(ADM)等为血管发生因子，有诱导血管形成的作用；IGF2、TGF-13、FGF2、ECM 等为促细胞增殖、分化因子，可诱导BMSC归巢、增殖；而BMP家族因子可诱导BMSC定向分化为成骨细胞，并促成骨细胞成熟。Sumner等采用复合有重组人BMP-2的组织工程化骨成功修复犬节段性骨缺损，为成骨基因与BMSC应用于临床骨缺损、骨不连治疗提供了实验依据。

 

　　Runx2作为一种在成骨分化作用中非常有效的细胞因子，可促使BMSC成骨分化并最终达到骨愈合，因此在骨组织工程中通过基因工程提高种子细胞内Runx2表达，可大大提高骨愈合效率。Yang等 。 利用腺病毒转染小鼠间充质干细胞(MsC)并植入小鼠皮下，发现高表达Runx2的细胞组(AdCM Runx2)中成骨标志物如碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素(OC)高表达，但细胞矿化水平较低；高表达BMP-2细胞组(AdCMv_BMP-2)中成骨标志物表达较弱，但细胞矿化水平较高；Runx2及BMP-2均高表达组(AdCMv_RunX2、BMP_2)中细胞矿化水平1O倍于单一AdCMV-Runx2细胞组或AdCMv_BMP_2细胞组；提示Runx2和BMP-2在成骨分化中起着不同的作用，但又相互促进成骨。

 

　　Byers等[2 经逆转录病毒基因转染使得BMSC能够高表达Runx2，并将这些BMSC注入三维立体聚合物中制成组织工程材料，该材料经体外实验研究证实可提高矿化结节形成，体内实验研究中同样可明显促进骨愈合；还专利发明一种携带Runx2基因的载体细胞与生物相容性好、生物降解性好的聚合物复合的新型骨组织工程材料，可使Runx2因子慢性释放，以特异性促进骨愈合。

 

　　Bhat等利用基因工程将Runx2基因载入腺病毒(adeno-Runx2)并将病毒液直接注入大鼠股骨骨髓腔，结果显示3周后adeno-Runx2组股骨骨密度(BMD)比无Runx2腺病毒对照组提高15 ；提示骨折修复术中骨髓腔直接注射adeno-Runx2病毒液同样有较强的成骨活性，该方法较干细胞疗法具有更简单、方便等优势。Kim等l2 通过慢病毒系统将Runx2基因转入人胚胎干细胞(hESC)，使其高表达Runx2，体内和体外实验研究中均发现hESC较BMSC有更强的增殖能力，转染Runx2基因后细胞数目增多，成骨活性增强，矿化染色显示矿化结节数量与密度均有明显提高；同时，在高表达Runx2实验组中添加BMP-2后发现，其成骨活性明显高于单一Runx2高表达组，提示可利用Runx2与BMP-2的共同作用增强成骨活性。除BMP-2外，添加其他活性因子，如常用的N_乙酰半胱氨酸(NAC)、FGF、低氧诱导因子(HIF)1、甘油磷酸等也可提高转基因Runx2、干细胞的成骨活性。这些具有增强成骨作用的材料，同样也可应用于软骨组织、椎体组织等。

 

　　Strong等报道阐述，是否可经基因工程将Runx2启动子添入Co11~2基因序列，以全面提高成骨活性因子表达；该序列可通过病毒载体载入细胞，或制成双链独立序列。骨组织工程研究中通过基因工程提高种子细胞内Runx2表达，从而促进骨愈合，可为研究发展具有良好应用前景的骨再生材料提供依据。

 

　　随着工业文明不断进步，大面积骨缺损发生率不断提高，对大面积骨缺损的治疗研究备受关注。Runx2基因及其在成骨分化中的作用不断成为研究热点，为构建新型骨组织材料提供了一个更广阔的平台。通过活性因子、转基因等提高Runx2等成骨基因表达，甚至利用BMP-2、HIF-1a、TGF-1等基因共转染提升其在骨缺损修复中的作用，已成为新的研究方向。

 

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