高遷移率族蛋白B1在神經系統疾病中的研究進展

邢槐杰，廖浩杰，余揚生綜述周海紅審校

(廣東醫科大學湛江校區，廣東湛江524000)

·綜述·

高遷移率族蛋白B1在神經系統疾病中的研究進展

邢槐杰，廖浩杰，余揚生綜述周海紅審校

(廣東醫科大學湛江校區，廣東湛江524000)

高遷移率族蛋白B1是一種在哺乳動物中廣泛表達的非組蛋白染色體結合蛋白，并通過晚期糖基化終產物受體和TOLL樣受體參與炎癥反應過程，而大多數神經系統疾病的發病機制與自身免疫或免疫炎性損傷相關。本文就高遷移率族蛋白B1在神經系統疾病中的研究進展進行綜述。

高遷移率族蛋白B1；中樞神經系統損傷；RAGE受體；TOLL樣受體

高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1，HMGB1)是一種在哺乳動物中廣泛表達的非組蛋白染色體結合蛋白，最早提取于小牛胸腺，因其在聚丙烯酰氨凝膠電泳中快速遷移而命名[1]。HMGB1在中樞神經系統中的作用具有兩面性，生理水平的HMGB1作為“建筑因子”在核內參與核小體的構建及促進基因的轉錄；此外，許多研究表明在中樞神經系統中，HMGB1可由炎癥因子刺激多種不同類型的細胞(如單核巨噬細胞、星形膠質細胞、神經元細胞等)釋放，并通過結合晚期糖基化終產物受體(receptors of advanced glacation end products，RAGE)和TOLL樣受體(Toll-like receptors，TLRs)參與炎癥反應[2-3]。神經系統疾病包括中樞神經系統和周圍神經系統，主要癥狀為運動、感覺和反射障礙[4]，大多數神經系統疾病的發病機制與自身免疫或免疫炎性損傷相關，故研究HMGB1在神經系統疾病中的作用，對于理解神經系統相關疾病的發病機制，尋求有效的疾病干預靶點具有重要的意義。

1 HMGB1的結構及生物學特性

HMGB1是由215個氨基酸組成的單鏈多肽，位于人類基因的13q12染色體上，具有典型的雙極結構。N端富含帶正電荷的賴氨酸，C端富含帶負電荷的谷氨酸和天冬氨酸。N端至C端的結構依次為兩個DNA結合區域(HMG A box和HMG B box)及一個酸性末端組成[5]。目前，有關HMGB1兩個DNA結構域功能的研究表明，HMG B box是促炎因子結構域，重組的B box可通過刺激免疫細胞，釋放出炎癥因子或炎癥介質參與炎癥反應，而A box則是與抗炎作用相關的一個結構域，可抑制炎癥因子或炎癥介質的釋放起到抗炎作用[6]。

HMGB1主要分布于細胞核與細胞質中，受其他細胞因子刺激后可通過兩種分泌途徑至細胞外，分別為主動分泌和被動分泌。研究發現，小鼠巨噬細胞受內毒素及多種細胞因子刺激后，其核內的HMGB1經乙?；D移至溶酶體。然而，由于缺少信號肽，HMGB1主動分泌至胞外并非通過經典的高爾基體-內質網途徑，而是在溶血磷脂膽堿及ATP兩種分泌信號下轉移至胞外[7]。此外，Scaffidi等[8]發現，由于HMGB1與DNA的結合在乙?；筝^松散，胞內的HMGB1在細胞死亡后是以可溶性的形式被動分泌釋放至胞外，但因凋亡細胞中組蛋白普遍乙?；蛔?，導致其核內的HMGB1與染色質緊密結合而無法釋放HMGB1。

研究表明，HMGB1信號傳導主要是通過RAGE、TLR2、TLR4等通路誘導炎癥因子產生，并參與免疫細胞的成熟、神經軸突的生長及腫瘤的增殖過程。TLRs在人類中的家族成員有11個，與HMGB1相關的主要是TLR2及TLR4。與RAGE不同的是，HMGB1與TLR結合使TLR受體二聚化，激活NF-κB信號通路并產生大量炎性因子，介導炎癥發生[9-11]。

2 HMGB1與中樞神經系統損傷

2.1 HMGB1與脊髓損傷在中樞神經系統損傷中，HMGB1作為一種神經炎癥介質，其分泌與神經元細胞的壞死和變性有關。在大鼠急性脊髓損傷模型中，脊髓神經元細胞死亡72 h后發現HMGB1表達增高，RAGE受體及腫瘤壞死因子的含量也隨之上升，表明HMGB1在細胞壞死中參與了炎癥的早期啟動過程[12]。此外，在大鼠脊髓神經結扎模型的研究顯示，結扎7 d后的大鼠背部神經元的HMGB1表達顯著增強，且幾乎所有HMGB1增高的非神經元細胞在病變部位均與膠質纖維酸性蛋白(GFAP)形成星狀膠質細胞標志物，這提示神經膠質細胞分泌了HMGB1并促進了神經炎癥的產生[13]。

2.2 HMGB1與缺血性腦損傷在正常情況下，HMGB1主要存在于神經元細胞的胞核內，而Wang等[14]在腦梗死的動物模型中發現，中樞神經系統的血腦屏障受到損害時，HMGB1由神經元細胞的胞核轉移至胞質，并透過破壞的血腦屏障，導致模型動物的腦脊液及血清中HMGB1水平顯著升高。Kim等[15]將起抑制HMGB1分泌作用的編碼質粒HMGB1 shRNA注入大腦中動脈阻塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)的成年大鼠模型中，發現在注射HMGB1 shRNA的動物模型中腦梗死的體積明顯少于未注射組。同樣，在缺血性腦卒中的患者血清中，HMGB1的含量較同年齡、同性別的對照組升高[16-17]。在小鼠MCAO模型中，Muhammad等[16]觀察到小鼠腦脊液及血清中的HMGB1濃度在梗死發生4 h后明顯上升；其腦組織切片的免疫組化結果顯示，在梗死中心部位及梗死周圍水腫帶的細胞核中，HMGB1的含量明顯減少，這是由于神經細胞受損后HMGB1被動分泌至細胞外所引起的。以上研究結果表明，在缺血性腦損傷的早期，神經細胞受損后被動釋放的HMGB1通過結合特異性受體RAGE及TLRs，參與缺血性腦損傷后的炎癥級聯反應并促進了腦水腫及腦梗塞的發生；而在缺血性腦損傷的后期，有研究表明，HMGB1誘導的炎癥反應可刺激血管內皮生長因子的釋放以促進神經血管的重塑[18]。隨著對缺血性腦損傷中HMGB1生物學效應的深入研究，將為缺血-再灌注損傷的治療提供新的靶點。

2.3 HMGB1與出血性腦損傷研究表明，腦出血(intracerebral hemorrhage，ICH)發生后，HMGB1通過與TLR4結合使星形膠質細胞及神經元細胞中的基質金屬蛋白酶-9(matrixmetallopr oteinase，MMP-9)表達增加[19]，誘發血腦屏障破壞，引起早期炎癥級聯反應造成繼發性腦組織損傷，導致ICH進一步發展。最新實驗研究表明，在急性ICH動物模型中，血腫周圍組織及動物血清中的HMGB1明顯增高，且與損傷程度呈正相關。HMGB1在ICH的損傷刺激下由胞核被動釋放至胞質中，導致神經元的凋亡及腦水腫的發生[20]。此外，在免疫組化的結果顯示，腦出血30 min后在出血中心的胞漿中即可檢測到HMGB1水平的升高，說明HMGB1參與了早期出血后的炎癥反應[18]。Hayakawa等[21]發現，在ICH小鼠模型中給予中和HMGB1的抗體，可明顯減輕小鼠腦水腫及血腦屏障破壞的程度。Li等[22]則在ICH的大鼠模型中給予HMGB1的拮抗劑及特異性受體RAGE抑制劑，結果表明大鼠急性ICH發生后血腫周圍炎性細胞的浸潤程度減輕；而在ICH發生的后期，HMGB1則起到了促進神經軸突生長、刺激血管內皮細胞增殖的作用，有利于神經功能的恢復。由上述HMGB1在ICH中的作用研究提示，早期進行HMGB1干預可能成為治療ICH的新靶點。

3 HMGB1與神經退行性疾病

3.1 HMGB1與亨廷頓病研究表明，HMGB1的水平會隨著神經系統疾病的不同時期而改變。在小鼠大腦不同的功能分區(皮層、海馬、小腦和紋狀體)中，HMGB1在小鼠成年時的表達水平達高峰，并隨著年齡的增長而逐漸降低。在老化的神經元細胞中，HMGB1的表達水平明顯低于正常神經元細胞；然而，在星形膠質細胞中，老化的星形膠質細胞的HMGB1水平表達則高于低齡組[23]。DNA雙鏈斷裂介導的亨廷頓病中，神經元的損傷隨著年齡增長而加重，特別集中在海馬區及紋狀體中；HMGB1在神經元中的表達水平亦隨著年齡增長而下降，與此同時，DNA雙鏈斷裂損傷則增加；因此，研究表明細胞核中HMGB1水平的下調可能使DNA損傷積累并最終引起老年性腦神經功能障礙的發生[23]。

在亨廷頓病的疾病模型中發現，紋狀體神經元中的HMGB1表達減少，有研究者認為這是由于其參與了突變蛋白的聚集，而導致神經功能障礙[24]。Qi等[25]在果蠅的poly Q模型中發現，HMGB1表達的上調降低了轉錄抑制和突變poly Q蛋白誘導的基因毒性應激信號，同時提高了軸突的長度及降低了原代皮層神經元細胞的死亡率。脫嘌呤/脫嘧啶核酸內切酶(Apurinic/Apyrimidinic endonuclease，APE1)通過切割嘌呤/嘧啶位點協助堿基切除修復，5-片狀核酸內切酶(flap endonuclease-1，FEN1)則可防止CAG重復序列的擴增，而這兩種生物酶與亨廷頓病的緩解有關，可有效阻止亨廷頓病的進展。Prasad等[26]提出新的證據，表明HMGB1是堿基切除修復的輔因子，且APE1和FEN1活性的增高與HMGB1表達水平的上調有關。為進一步證實HMGB1可改善亨廷頓病的癥狀，有研究者利用R6/1小鼠，即亨廷頓病的轉基因小鼠模型進行了實驗。研究發現，在小鼠小腦(穩定的CAG重復序列)中的HMGB1水平是紋狀體(不穩定的CAG重復序列)的兩倍；而在R6/1小鼠的小腦中，APE1和FEN1含量則更高，提示HMGB1可能通過激活APE1和FEN1參與了小腦功能的穩定[27]。

3.2 HMGB1與阿爾茨海默病在阿爾茨海默病中，胞外的HMGB1發揮著抑制小膠質細胞的吞噬作用和穩定Aβ42低聚體的作用。Mazarati等[28]和Fujita等[29]將HMGB1加入存在Aβ42的小膠質細胞培養基中，發現HMGB1通過緊密結合Aβ42，使Aβ42處于穩定的寡聚體狀態，以減少小膠質細胞對Aβ42的吞噬；隨后，研究人員將HMGB1從側腦室注入小鼠的腦室中，與對照組相比發現，處理組的編碼長時程記憶功能的區域發生損害；若在HMGB1側腦室給藥前注射LPS-RS(TLR-4受體拮抗劑)，可明顯阻斷HMGB1介導的記憶功能損害[28]。這些數據說明了HMGB1可能通過與特異性受體結合引發記憶功能障礙。

3.3 HMGB1與帕金森病在帕金森病相關的動物模型研究中發現，大鼠腦部的HMGB1可與路易小體中的聚集α突觸核蛋白特異性結合，可能會促進疾病進展[30]。在小鼠神經元和神經膠質細胞的原代培養中發現，HMGB1與MAC1相互作用后與小膠質細胞膜上的受體結合，可激活NF-κB信號轉導通路和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶(NADPH)，從而誘導慢性持續性神經炎癥及黑質致密部多巴胺能神經元的變性缺失[31]。

3.4 HMGB1與多發性硬化多發性硬化(multiple sclerosis，MS)是一種慢性炎癥性脫髓鞘疾病。在多發性硬化患者的腦白質及自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)的小鼠模型中發現，HMGB1的表達上調[29]。在多發性硬化小鼠模型中發現，小鼠腦脊液中單核細胞數量增加且脊髓組織中HMGB1與其特異性受體(RAGE、TLR-2及TLR-4)的結合水平均有上調，考慮可能是HMGB1與特異性受體的結合放大了炎癥反應并促進了脫髓鞘病理變化中神經炎癥的進展[32]。

3.5 其他在放射性腦損傷的相關動物模型研究中，發現在SD大鼠照射后的24～72 h之間HMGB1在外周血的表達水平明顯增高。這可能是HMGB1通過損害的血腦屏障及其介導的炎癥效應參與了急性期放射性腦損傷的致病過程[33]。在其他神經系統疾病中，有研究發現HMGB1中TLR-4信號通路與持續性癲癇的發作相關[34]。另外在人類肌萎縮側索硬化癥中，HMGB1可能通過TLR/RAGE信號轉導通路誘導了神經炎癥反應及運動神經元的退行性病變[35]。HMGB1在神經系統中扮演著雙面性的角色，一方面是促進生物個體的發展，另一方面是介導損傷后的炎癥反應。然而，HMGB1在炎癥中發揮主要致病作用的受體仍有待確認。此外，HMGB1在參與神經系統損傷中的作用也需要更加深入的研究。

目前，HMGB1在神經退行性病變中被認為起到加重疾病進展的作用，但其在神經急性和持續性損傷后促進神經再生的作用亦不應該被否定。HMGB1及TLR/RAGE通路拮抗劑已經在不同神經系統疾病的動物模型試驗中取得了一定療效，隨著進一步對CNS中HMGB1與其信號轉導通路機制的研究，將更加深入地闡明HMGB1對神經系統疾病的重要性，而以HMGB1為靶點的具有創新性的治療策略亦有望運用于臨床神經系統的疾病治療中。

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Research progress of high mobility group box-1 in nervous system diseases.

XING Huai-jie,LIAO Hao-jie,YU Yang-sheng,ZHOU Hai-hong.
Zhanjiang Campus of Guangdong Medical University,Zhanjiang 524000,Guangdong, CHINA

High mobility group box-1(HMGB1)is widely expressed in mammalian with a non-histone chromosomal binding protein,which is involved in the process of inflammatory by the receptors of advanced glycation end products and Toll-like receptors,while the most of the nervous system diseases are related to autoimmunity or immune inflammation injury.This article reviews the research progress of HMGB1 in the pathogenesis of nervous system diseases.

High mobility group box 1(HMGB1);Central nervous system injury;RAGE receptor;Toll-like receptors

R741

A

1003—6350（2017）11—1810—04

2016-11-14)

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.11.030

國家自然科學基金（編號：81501040）

周海紅。E-mail：doctorzhh1201@126.com