高遷移率族蛋白1 與心臟疾病的研究進展

肖湖南，劉宏斌，蔡雨倫

解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學(xué)中心 心血管內(nèi)科，北京 100853

高遷移率族蛋白1(high mobility group box protein 1，HMGB1)是一種非組蛋白核蛋白。研究發(fā)現(xiàn)HMGB1 不僅在細胞核中具有穩(wěn)定DNA 及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄等功能[1]，還可以作為內(nèi)源性炎性因子參與多種生理病理過程，對多種疾病的發(fā)生及發(fā)展有著關(guān)鍵的調(diào)控作用。由于HMGB1 所在位置的不同以及所處環(huán)境的不同，其發(fā)揮的作用也不同。本文就HMGB1 的結(jié)構(gòu)、介導(dǎo)的信號通路、與多種心臟疾病的關(guān)系等方面進行回顧，旨在闡述HMGB1的功能及其在心臟疾病中的生物學(xué)效應(yīng)。

1 HMGB1 的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

HMGB 家 族 蛋 白 是 由HMGB1、HMGB2、HMGB3、HMGB4 組成并存在于哺乳動物中的一組核蛋白家族，在細胞核中與DNA 結(jié)合，參與DNA的重組、修復(fù)、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞復(fù)制及分化成熟等生命活動[1]。HMGB1 具有重要的生理學(xué)功能，HMGB1 基因敲除小鼠出生后多于24 h 內(nèi)死亡。隨著研究的不斷深入，對HMGB1 功能的認識越來越深入。

HMGB1 序列高度保守，幾乎存在于所有真核細胞的細胞核中。人HMGB1 蛋白由215 個氨基酸構(gòu)成，并形成三個結(jié)構(gòu)域：A-Box、B-Box 以及一個由30 個氨基酸構(gòu)成的C 尾端。HMGB1 有兩個核定位信號(NLS1 和NLS2)和兩個核出口信號(NESs)，提示該蛋白在細胞核和細胞質(zhì)之間可以自由穿梭，正常情況下HMGB1 主要存在細胞核中[1]。HMGB1 蛋白在A-Box 的C23、C45 位置及B-Box 的C106 位置存在3 個保守半胱氨酸，這3 個氨基酸易發(fā)生氧化從而影響HMGB1 的生物學(xué)功能。3 個保守半胱氨酸的HMGB1 為還原態(tài)HMGB1(fully reduced HMGB1；fr-HMGB1)，C23、C45 位置的半胱氨酸被氧化后形成二硫鍵，成為二硫化HMGB1(disulfide HMGB1；ds-HMGB1)；C106位置的半胱氨酸進一步氧化后形成氧化態(tài)的磺酰HMGB1(sulfonyl HMGB1；ox-HMGB1)[2-3]。脂多糖刺激單核細胞分泌的HMGB1 主要為fr-HMGB1 和ds-HMGB1[3]。在小鼠肌肉損傷的模型中，壞死肌肉細胞釋放的HMGB1 均為還原態(tài)的fr-HMGB1，但由于細胞外的氧化條件，很快轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚧膁s-HMGB1[3]。最終ds-HMGB1 將轉(zhuǎn)化為ox-HMGB1。不同狀態(tài)的fr-HMGB1 和ds-HMGB1 所發(fā)揮的生物學(xué)效應(yīng)基本相反。fr-HMGB1 主要表現(xiàn)為趨化、增殖作用，誘導(dǎo)巨噬細胞分化為具有促進修復(fù)功能的表型[3-4]。ds-HMGB1 具有刺激細胞分泌細胞炎性因子及趨化因子，促進內(nèi)皮細胞生成血管，從而促進炎癥反應(yīng)[2,5]。HMGB1 還有一種突變體，C23、C45、C106 位置的半胱氨酸被絲氨酸替代，形成3S-HMGB1，具有與fr-HMGB1 類似的功能，這種突變體不被氧化為ds-HMGB1[2]。ox-HMGB1 主要存在炎癥的后期，主要與損傷/修復(fù)相關(guān)，同時可能與中性粒細胞的活化狀態(tài)有一定關(guān)系[6]。

HMGB1 的生物學(xué)功能不僅與氧化還原狀態(tài)相關(guān)，還與結(jié)合的不同受體相關(guān)。其主要的受體有晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)、Toll 樣 受 體2(toll like receptors，TLR2)、TLR4、CXCR4、CD2 等[7]。幾乎所有形態(tài)的HMGB1都可以與RAGE受體結(jié)合，但ds-HMGB1 對其具有最高的親和力[8]。HMGB1與RAGE 受體結(jié)合，可激活分裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK) 及 核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)等多條通路，增加趨化因子SDF-1、TNF-α、IL-1β、IL-6 等因子的分泌，促進細胞遷移、細胞增殖、組織增生、炎癥、自噬、新陳代謝的功能[9-10]。TLRs 是參與非特異性免疫的重要蛋白質(zhì)分子，同時也是連接非特異性免疫與特異性免疫的橋梁。HMGB1 與TLR2 及TLR4 結(jié) 合 后 可 引 起NF-κB的活化，從而激活中性粒細胞及巨噬細胞的炎癥反應(yīng)[11]。HMGB1/TLR2 可以促進NK 細胞及腫瘤干細胞的活化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)HMGB1 與TLR2、TLR4介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)在肺、肝損傷、腫瘤、癲癇及心臟疾病中發(fā)揮了重要作用[12-14]。ds-HMGB1 通過與CD14 及TLR4 配體MD-2 結(jié)合后與TLR4 結(jié)合，促進炎癥反應(yīng)[15]。CXCR4 受體激活后主要促進白細胞趨化因子SDF-1 的表達[16]。fr-HMGB1 可以與SDF-1 形成復(fù)合物，可以穩(wěn)定SDF-1，避免其被降解，激活成纖維細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞等的移行[17]。fr-HMGB1 還可以通過CXCR4 受體促進有利于組織愈合的巨噬細胞遷移及干細胞的增生、分化，從達到肌肉、造血細胞、肝組織的再生及修復(fù)的目的[2,4]。因此HMGB1 的生物學(xué)效應(yīng)十分豐富，參與了眾多的病理生理學(xué)活動，在疾病的發(fā)生發(fā)展中可能起著關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)作用。

2 HMGB1 與心臟疾病

目前，HMGB1 在冠心病、缺血再灌注損傷、心衰等心臟疾病中均有不少的研究，HMGB1 的生物學(xué)活性同一些炎性因子類似，在急性心肌梗死的急性損傷中，HMGB1 主要由細胞壞死釋放，主要為fr-HMGB1[2-3]，作為損傷相關(guān)的分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)， 激活炎癥通路，促進梗死區(qū)域的炎癥反應(yīng)，改善組織修復(fù)，同時還可以通過減少心肌細胞凋亡及促進自噬改善心肌存活，從而改善心功能；但在再灌注損傷及動脈粥樣硬化等疾病中，HMGB1 更多地被氧化為ds-HMGB1，不同于急性心梗，其激活的炎癥通路不同，導(dǎo)致疾病進展惡化。其可能的機制是不同的疾病狀態(tài)，HMGB1 的濃度、HMGB1的氧化還原狀態(tài)以及其激活的炎癥通路不同。

2.1 心肌梗死 心肌梗死是心肌缺血后心肌細胞發(fā)生壞死的結(jié)果。心肌一旦發(fā)生壞死，將釋放大量DAMPs，并誘發(fā)急性炎癥反應(yīng)。炎癥細胞快速清除壞死物質(zhì)，并分泌生長因子，激活成纖維細胞、內(nèi)皮細胞進行組織的修復(fù)與重塑。最后，炎癥細胞逐漸減少，炎癥逐漸消退，組織修復(fù)。HMGB1 在心梗發(fā)生的時候由壞死細胞大量釋放，作為DAMPs，激活炎癥反應(yīng)，促進組織修復(fù)[18]。在小鼠心梗模型中，檢測到心梗后血清中HMGB1的水平明顯升高。心梗后的幾天，梗死區(qū)域的HMGB1 達到巔峰水平。在心梗急性期，HMGB1主要分布于浸潤的炎癥細胞，心梗后期存在于纖維組織中[19]。在心梗后阻斷細胞外HMGB1，可以加重心梗導(dǎo)致的心功能不全。在心梗后24 h 注射HMGB1 抗體，可以觀察到炎癥反應(yīng)的減輕及瘢痕組織變薄[19]。而促進小鼠HMGB1 的表達，可以減輕心梗后的梗死面積，心功能影響更小，存活率更高。HMGB1 還可以促進梗死區(qū)域的新生血管形成及干細胞的遷移[20]。研究還發(fā)現(xiàn)，HMGB1 可通過激活腺苷酸激活蛋白激酶途徑及抑制雷帕霉素受體復(fù)合物途徑減少心肌細胞的凋亡及促進細胞自噬改善心肌存活。最新的研究提示TLR9 受體可能是HMGB1 促進心梗后心肌修復(fù)的關(guān)鍵受體[21]。fr-HMGB1 可以明確改善內(nèi)皮細胞的遷移、干細胞的分化以及心肌細胞收縮。但HMGB1 對心肌梗死的改善依賴于氧化還原環(huán)境，通過注射變異不會氧化的3S-HMGB1，將導(dǎo)致心梗惡化、增加膠原蛋白沉積等[17]。HMGB1 同樣可以改善心梗后心肌重塑及心肌纖維化，從而改善心功能[22]。

多項研究發(fā)現(xiàn)，急性心肌梗死后，循環(huán)中HMGB1 水平明顯升高。2006 年Goldstein 等[23]最早發(fā)現(xiàn)急性心?；颊哐逯械腍MGB1 水平相比于正常人明顯升高。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)病后12 h HMGB1 水平到達頂峰，并將持續(xù)增高7 d，而且HMGB1 的最高水平與心梗后的泵衰竭、心臟破裂、住院死亡發(fā)生率以及C 反應(yīng)蛋白水平相關(guān)[19]。HMGB1 的升高在心肌損傷中的特異性不高，炎癥性疾病均可不同程度地導(dǎo)致HMGB1 的升高，因此HMGB1 作為心梗的生物標志物潛力有限。但心梗后HMGB1 的水平與心梗患者的預(yù)后可能相關(guān)，具有成為心梗患者預(yù)后風(fēng)險預(yù)測指標的潛力。研究發(fā)現(xiàn)心梗后HMGB1 的水平與心梗6 個月后的腦利鈉肽水平呈正相關(guān)[19]。ST 段抬高型心肌梗死患者入院后3 h 的HMGB1 水平與心梗后3 ～ 4 周的左心室射血分數(shù)、心率恢復(fù)以及死亡率相關(guān)[24]。一項日本的研究通過對不穩(wěn)定型心絞痛及非ST 段抬高型心肌梗死患者進行了49 個月的中位隨訪，發(fā)現(xiàn)在癥狀出現(xiàn)的24 h 內(nèi)HMGB1 水平與不良心血管事件呈明顯正相關(guān)[25]。研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1 較C 反應(yīng)蛋白能更好地反映心?；颊叩念A(yù)后，因此HMGB1 具有成為危險分層指標的潛力，但仍需進一步大規(guī)模的隨機對照研究進行論證。

2.2 缺血再灌注損傷 當心肌梗死患者開通梗死相關(guān)血管后，梗死區(qū)域的血流灌注恢復(fù)，導(dǎo)致大量白細胞聚集及大量自由基產(chǎn)生，從而引起更為嚴重的損傷，稱為缺血再灌注損傷損傷[26]。在動物試驗中發(fā)現(xiàn)HMGB1 在缺血再灌注損傷模型中的水平明顯升高。細胞外的HMGB1 可以通過TLR2、TLR4 激活JNK 通路、NF-κB 通路從而加重缺血再灌注損傷[14]。HMGB1 還可以通過RAGE 受體中心粒細胞進入受損心肌，加重缺血再灌注損傷[27]。缺血再灌注損傷中的氧自由基可能是HMGB1 發(fā)

揮作用的重要因素，通過清除氧化自由基，可以顯著減少損傷區(qū)域HMGB1 的表達，并減輕再灌注損傷的程度。不同于上述對心肌梗死的積極作用，在再灌注損傷中，HMGB1 表現(xiàn)出的是消極的作用，多種抑制HMGB1 表達的物質(zhì)均可改善再灌注損傷[28-29]，其可能的機制是再灌注損傷后產(chǎn)生大量的氧自由基，導(dǎo)致fr-HMGB1 大量被氧化為ds-HMGB1，從而導(dǎo)致?lián)p傷加重。因此HMGB1 在缺血再灌注中發(fā)揮的作用比較復(fù)雜，推測可能與HMGB1 受缺血再灌注時氧化還原環(huán)境的急劇變化有關(guān)，具體仍需進一步研究證實。

2.3 心衰 心臟疾病的終末期均可出現(xiàn)不同程度的心衰。目前研究發(fā)現(xiàn)，炎癥在心衰的發(fā)生和發(fā)展中起了關(guān)鍵作用。在心衰人群中，HMGB1 的血清學(xué)水平明顯升高，且與左心室射血分數(shù)呈反比關(guān)系[30]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，對心衰患者進行19 個月的隨訪，發(fā)現(xiàn)HMGB1 升高的患者不良心血管事件發(fā)生率更高[31]。在缺血性心臟病所致心衰的患者中，HMGB1 水平明顯升高，且其水平與NT-proBNP 水平、MYHA 心功能分級呈正相關(guān)，與左心室射血分數(shù)呈負相關(guān)；在12 個月的隨訪中發(fā)現(xiàn)，死亡組患者的HMGB1 水平明顯高于存活組[32]。這些研究提示HMGB1 可能與心衰患者的預(yù)后密切相關(guān)，有成為心衰患者生物學(xué)標志物的潛力。

2.4 動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是冠心病、腦血管疾病、外周血管病等多種疾病的共同發(fā)病機制之一。動脈脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展與內(nèi)皮細胞損傷、單核巨噬細胞黏附聚集、脂質(zhì)沉積、平滑肌細胞遷移增生、活化的血小板以及細胞因子等密切相關(guān)。在動脈粥樣硬化斑塊組織及相關(guān)細胞中，HMGB1 的表達顯著升高[33-34]。體外實驗證實，HMGB1 可以通過RAGE 受體促進內(nèi)皮細胞及平滑肌細胞表達更多的黏附因子、趨化因子、血管活性物質(zhì)、基質(zhì)金屬蛋白酶[35]。Kanellakis 等[35]利用HMGB1 抗體作用于動脈粥樣硬化模型小鼠，降低了斑塊負荷，減少了斑塊內(nèi)免疫細胞的數(shù)量。我們的研究證實，使用HMGB1 抑制劑丙酮酸乙酯抑制HMGB1 表達后減弱了斑塊大小并降低了斑塊內(nèi)炎癥，同時發(fā)現(xiàn)斑塊內(nèi)TLR2 及TLR4 的表達同時下降，提示TLR2 及TLR4 在HMGB1 促進斑塊內(nèi)炎癥反應(yīng)過程中可能存在介導(dǎo)作用[34]。考慮到HMGB1 的多種氧化還原狀態(tài)以及斑塊內(nèi)的氧化自由基增加等環(huán)境變化，HMGB1 在動脈粥樣硬化中的具體生物學(xué)效應(yīng)尚不明確，有待進一步研究揭示。HMGB1 也可能成為動脈粥樣硬化的干預(yù)靶點。

2.5 心肌炎 心肌炎通常是由病毒、細菌等感染后誘發(fā)的自身免疫性炎癥反應(yīng)[36]。CD4+T 淋巴細胞介導(dǎo)的心肌炎小鼠模型證實，HMGB1 水平明顯升高，而抗HMGB1 抗體可以顯著減少Th17 細胞、降低炎性因子水平并減少心肌纖維化[37]。進一步研究發(fā)現(xiàn)HMGB1 與Th17 細胞的增殖、分化密切相關(guān)[38]。近年新的小鼠心肌炎模型也發(fā)現(xiàn)阻斷HMGB1 可以減少心肌炎的炎癥反應(yīng)及心臟功能障礙[39]。心肌炎目前暫無特異性治療，HMGB1 的在其中的生物學(xué)效應(yīng)使其可能成為治療的靶點。

2.6 糖尿病心肌病 大量的臨床研究證實，糖尿病與冠心病、心衰等心臟疾病密切相關(guān)。高血糖可以引起心肌細胞肥大、凋亡、間質(zhì)纖維化，并導(dǎo)致心肌的收縮功能障礙[40]。體外實驗證實，高糖可以通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶通路促進心肌細胞、巨噬細胞分泌HMGB1[41]。抑制HMGB1 或RAGE 受體可以改善鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型的心肌纖維化、炎癥及功能障礙。同時HMGB1 還通過細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK1/2)通路調(diào)控Caspase-3 和凋亡基因Bax 的活性從而調(diào)控心肌細胞的凋亡[42]。HMGB1 可以直接通過絲裂原活化蛋白激酶途徑直接調(diào)節(jié)心肌成纖維細胞的增殖及活性[42]，也可通過TLR4 降低抗纖維化因子IL-33 從而促進心肌纖維化[43]。白藜蘆醇的抗氧化作用可降低糖尿病心肌的HMGB1 表達，并改善糖尿病心肌的功能和損傷[44]。這些研究提示HMGB1 與糖尿病心肌病的心肌纖維化、心肌重塑、心肌凋亡及膠原沉積等密切相關(guān)。

3 總結(jié)

HMGB1 在體內(nèi)細胞中廣泛表達，正常情況下，主要參與DNA 復(fù)制及轉(zhuǎn)錄。當發(fā)生組織損傷及炎癥反應(yīng)時，HMGB1 可以通過主動釋放或壞死細胞釋放到細胞外，與多種受體相互作用，發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能。HMGB1 在疾病的不同時期、不同氧化狀態(tài)表現(xiàn)出了不同的生物學(xué)效應(yīng)。fr-HMGB1與ds-HMGB1 可受環(huán)境的氧化還原狀態(tài)影響互相轉(zhuǎn)化，而ox-HMGB1 狀態(tài)則不可逆。在很多疾病的病理生理過程中，HMGB1 不同的狀態(tài)可能發(fā)揮了完全不同的作用。在急性心肌梗死中，HMGB1促進了炎癥反應(yīng)，改善組織修復(fù)，減輕了心肌損傷。而在心肌炎、動脈粥樣硬化、糖尿病心肌病等慢性疾病中，炎癥的作用往往是促進疾病的進展，而抑制HMGB1 通常能取得改善效應(yīng)，其在不同疾病中顯示不同作用的機制可能與HMGB1 的氧化還原態(tài)有關(guān)，但HMGB1 的氧化還原態(tài)可以實時自由轉(zhuǎn)換，檢測難度高，同時機體的氧化還原環(huán)境也時刻發(fā)生變化，因此相關(guān)研究開展存在困難?？紤]到HMGB1 的氧化狀態(tài)不一致可以帶來不同的作用，單純抑制或增加HMGB1 可能并不是唯一的研究方向，通過調(diào)節(jié)HMGB1 的氧化還原狀態(tài)，可能也是未來的研究方向。