HMGB1在腫瘤轉移中的作用及其機制的研究進展

陳艷美 綜述 賀福初,2 林成招 審校

1.復旦大學生物醫學研究院系統生物學實驗室，上海 200032；

2.軍事醫學科學院放射與輻射醫學研究所北京蛋白質組研究中心，蛋白質組學國家重點實驗室，北京 102206

侵襲和轉移是惡性腫瘤的重要生物學特性，是威脅腫瘤患者生命的重要因素［1］。腫瘤轉移是一個多步驟演進的復雜過程：首先腫瘤細胞脫離原發灶，侵襲鄰近組織，而后進入血液和淋巴循環，通過轉運，溢出血管駐留于靶器官，并生長增殖形成轉移灶［2］。轉移和腫瘤細胞的生物學特征密切相關，此外，還涉及細胞外基質水解、新生血管形成和炎性微環境等［3］。目前，出現的各種腫瘤相關分子指標因特異度和靈敏度的限制作為臨床常規應用的并不多。因此，尋找新的腫瘤轉移、復發標志物具有重要的臨床意義。近年來，研究表明高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1，HMGB1)在多種腫瘤細胞和組織中高表達，增強腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉移，促進腫瘤的發展及其轉移，提示HMGB1有可能成為治療腫瘤轉移的潛在靶標。

1 HMGB1的結構與功能

HMGB1是細胞內一種含量豐富的非組蛋白染色體結合蛋白，由215個氨基酸組成，在進化過程中高度保守，含有2個同源性DNA結合區(box A和box B)及一個酸性C末端區，box B是其發揮促炎癥作用的關鍵結構［4］。HMGB1自身不是轉錄因子，但與DNA有較高的非特異性親和力，可以穩定核小體結構，參與DNA復制、轉錄和修飾，調節類固醇激素受體、核因子-kB (nuclear factor-kappa B，NF-kB)、p53等蛋白的轉錄［5］。

在一定條件下，HMGB1可以被分泌至細胞外參與信號調控，通過其box B與晚期糖基化終末產物受體(advanced glycation end productspecific receptor，RAGE)結合介導炎癥反應［6］。HMGB1可成為一種控制炎性的靶標分子， 由損傷或壞死的細胞被動釋放，啟動早期炎癥反應；由脂多糖(LPS)、腫瘤壞死因子α (TNFα)或白介素1β (IL-1β)刺激活化的免疫細胞(包括單核/巨噬細胞、樹突狀細胞、自然殺傷細胞等)主動分泌，促進晚期炎癥反應［7］。對小鼠巨噬細胞RAW264.7的分析發現，LPS首先活化p38/(MAPK)絲裂原活化蛋白激酶和NF-κB信號通路，之后活化CBP (CREB結合蛋白，CREB為cAMP反應元件結合蛋白：cAMP-response element binding protein)，CBP乙酰化HMGB1使之分泌，活化的NF-κB可以增強HMGB1的轉錄［8］。

早期對HMGB1的研究主要是作為一種重要的晚期炎癥介質介導膿毒癥的病理過程，此作用依賴于干擾素β(IFN-β)介導的JAK/STAT信號通路［9］。迄今發現HMGB1還參與自身免疫性疾病(如關節炎等)［10］、腫瘤［5］、缺血再灌注損傷［11］等多種非感染性炎癥疾病的病理過程。此外，HMGB1具有抗凋亡作用，p53/HMGB1復合物可以調節腫瘤細胞的自噬和凋亡，介導腫瘤細胞自噬［12］。在正常細胞內HMGB1主要分布于細胞核，細胞質中含量很低，但在腫瘤細胞的胞質中表達量升高，還可分泌至細胞外，參與腫瘤的發生、發展［13］。

2 HMGB1與腫瘤

HMGB1在多種腫瘤細胞中高表達，尤其是上皮細胞源性腫瘤。研究證實，HMGB1在結腸直腸腺癌、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、宮頸癌、胃癌、肝癌、白血病等多種癌癥中表達上調［5］。臨床樣本分析表明，HMGB1在肝細胞癌中的表達量高于肝炎、肝硬化和正常人肝組織，可能成為預測肝細胞癌和評估腫瘤進程的分子標志［14］。質譜分析顯示，HMGB1在結腸癌細胞系HCT16胞質中的結合蛋白主要與細胞周期、增殖、抗凋亡、血管再生、轉運以及分泌相關，說明其可能通過結合一系列與腫瘤進程相關的蛋白起作用［13］。

HMGB1通過多種機制影響腫瘤進程［5］：通過AKT(絲氨酸/蘇氨酸激酶)、MAPKs和NF-κB通路使腫瘤細胞自給生長信號；調節pRb和細胞周期蛋白(cyclin)的表達使之不敏感于生長抑制信號；促進血管內皮生長因子(VEGF)的分泌維持血管生成；與RAGE相互作用，增強金屬基質蛋白酶的表達而促進腫瘤的侵襲和轉移；維持端粒的長度而保持無限的復制潛能；誘導TNF、IL-1和IL-6等炎性因子的釋放，維持腫瘤炎性微環境；調節CD95、Caspase(半胱天冬酶)、C-IAP(C-凋亡抑制因子)和 Bcl-2(B細胞淋巴瘤蛋白2)等凋亡相關因子的表達使腫瘤細胞逃避凋亡；與p53、p76、Rb蛋白及Rel/NF-κB家族成員中的轉錄因子相互作用，增強其活性，加速腫瘤進程。

3 HMGB1與腫瘤轉移

HMGB1的過表達可以促進多種惡性腫瘤的侵襲。壞死的腫瘤細胞能夠釋放HMGB1，誘導慢性炎癥微環境，有利于腫瘤細胞的存活、生長與轉移。對轉移性結直腸癌細胞系的分析發現，E-選擇素(E-selectin) 可以促進HMGB1釋放，而釋放的HMGB1又可活化內皮細胞表達E-選擇素，進而形成一種循環機制，維持胞外高濃度的HMGB1［15］。T淋巴瘤侵襲轉移因子1(Tiam1)在結直腸癌細胞系HT29中可以上調HMGB1的表達，這有助于闡釋Tiam1促結腸癌轉移的機制［16］。飲食中的亞油酸和葡萄糖可通過HMGB1的表達加強氧化偶氯甲烷誘導結腸癌及其轉移［17］。

3.1 HMGB1促轉移的相關受體

HMGB1的受體主要有RAGE、Toll-樣受體 (TLR) 2、TLR-4和TLR-9［5］，其中RAGE在肝細胞癌、結直腸癌、前列腺癌、乳腺癌等多種惡性腫瘤中表達量上調，參與腫瘤轉移信號通路的主要有RAGE和TLR-4［6］。最新的實驗表明在正常大鼠的各種組織中，HMGB1和RAGE蛋白以可溶形式存在，而在Guerin腹水腫瘤細胞中，主要形成不溶性的細胞膜結合復合物，說明在癌細胞中兩者存在更強的相互作用［18］。在G6成神經瘤細胞中表達胞內結構域缺失型的RAGE或可溶性的RAGE能夠阻斷HMGB1-RAGE信號通路，抑制p44/p42、p38和脅迫相關蛋白(SAP)/JNK等MAPKs的活化，進而抑制腫瘤生長和轉移［19］。HMGB1的C-端RAGE結合基序由150~183個氨基酸殘基組成，在體外可競爭性結合RAGE，抑制HMGB1-RAGE相互作用，減弱腫瘤細胞侵襲和遷移能力；體內合成的相應肽段和B16-F1黑色素瘤細胞溫育后注射裸鼠尾靜脈，可減少肺轉移節結數目［20］。組織缺氧環境下釋放的HMGB1通過TLR4/RAGE信號通路產生IL-1β和IL-18等炎性介質，誘導炎癥反應促進肝細胞癌的侵襲和轉移［21］。

3.2 HMGB1改變細胞性能促轉移

高表達的HMGB1能夠影響腫瘤細胞的生物學特性。RNA和蛋白水平的驗證均表明HMGB1和RAGE正調節肝癌細胞Huh7中NF-κB和p65的表達量，促進癌細胞增殖，干擾RAGE的表達可抑制Huh7細胞的生長［22］。研究表明沉默HMGB1基因可影響胃癌細胞MGC-803的增殖和凋亡。使用慢病毒轉染技術特異性干擾HMGB1的表達，MGC-803細胞增殖能力減弱，停留在G0/G1期的細胞數目增加，cyclin D1的表達量降低，且caspase-3活性增強，對草酸鉑誘導的凋亡更為敏感［4］。HMGB1-RAGE的相互作用可以激活NF-κB、磷脂酰肌醇3激酶 (PI3K)/Akt和MAPK信號通路［4］，NF-κB是cyclin D1的重要調節因子，HMGB1活化NF-κB后，還可以上調NF-κB的抗凋亡靶基因，如C-IAP2，促進腫瘤生長［23］。最新研究表明，p53/HMGB1復合物直接相互作用調節癌細胞自噬和凋亡水平［24］。

HMGB1是調節細胞遷移、侵襲的重要介質，在轉移性肝癌細胞HCCLM3中干擾其表達后，可抑制細胞的生長、遷移和侵襲［25］。卵巢癌細胞系SKOV3的兩個子細胞系S1和S21，在侵襲能力強的S1細胞系中HMGB1的表達量高于侵襲能力弱的S21細胞系，且在S1中穩定干擾HMGB1后，細胞G0/G1期阻滯增強，cyclin D1和增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)的表達量降低，上調Bax同時下調Bcl-2促進細胞凋亡［26］。人結腸癌細胞釋放的HMGB1可抑制樹突狀細胞的活性，破壞宿主抗腫瘤免疫能力，進而促進結腸癌的淋巴結轉移［27］。

3.3 HMGB1調節細胞外基質降解促轉移

基質金屬蛋白酶-9(MMP-9)是降解細胞外基質的關鍵酶。在肝癌細胞中RAGE與MMP-9的表達量及細胞的轉移能力正相關，siRNA干擾RAGE，細胞的侵襲能力和MMP-9的表達量均受抑制［28］。沉默HMGB1，胃癌細胞系MGC-803的MMP-9表達量降低，細胞遷移能力減弱［4］。敲除HMGB1后卵巢癌細胞系S1的MMP-2和MMP-9表達量降低，抑制其侵襲和轉移［26］。大多數細胞的MMP-9的基底水平較低，細胞因子處理可以活化胞內信號通路和轉錄因子NF-κB，誘導MMP-9的表達。在非小細胞肺癌細胞系中，HMGB1通過活化PI3K/Akt、NF-κB信號通路誘導MMP-9表達，促進侵襲，分別使用PI3K/Akt、NF-κB的抑制劑可抑制HMGB1對MMP-9的誘導作用；而干擾HMGB1，該細胞內MMP-9的表達量降低，細胞遷移能力減弱［29］。

3.4 HMGB1調節血管新生促轉移

腫瘤的快速生長常伴隨著微血管密度的降低，導致組織缺氧和區域性壞死，促進血管生長因子的表達，誘導血管生成，促使腫瘤惡化。研究發現，HMGB1可以作為一種促血管生長因子，通過受體RAGE、TLR2和TLR4活化NF-κB，上調白細胞黏附分子，并誘導造血細胞和內皮細胞產生促炎癥細胞因子和血管生成因子，進而促進炎癥反應和血管生成［30］。最新研究發現， HMGB1過表達能夠增強內皮細胞的血管生成能力，HMGB1在體內外均可促進VEGF和血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF) 信號通路分子的表達，同時伴隨著MMP、整合素(integrins)和NF-κB表達量的增加，而通過敲除或抗體介導的HMGB1功能缺失，可以抑制癌細胞的遷移和內皮細胞的生長［31］。在HCCLM3肝癌細胞中干擾HMGB1的表達，可以降低NF-κB和VEGF-C的表達量［25］。在傷口愈合的過程中，HMGB1介導TLR4依賴的血管生成［32］。HMGB1可能通過促進一些血管生成因子，如VEGF、TNF的生成與分泌誘導血管新生，加速腫瘤轉移。

3.5 HMGB1調節炎性微環境促轉移

2009年，Mantovani［1］提出炎癥微環境為腫瘤的新特征，炎癥微環境為腫瘤細胞的侵襲和轉移創造了有利的條件，轉移不僅依賴于腫瘤細胞的固有特征，還有賴于腫瘤微環境中的各種因子。活化的白細胞可釋放HMGB1至微環境，NK和T細胞等免疫效應器對人黑素瘤細胞的降解依賴于HMGB1［33］。HMGB1可以促進內皮細胞的活化、樹突狀細胞的成熟、基質生成，募集和活化天然免疫細胞，刺激炎癥因子的釋放，最終導致慢性炎癥反應［34］。研究表明，巨噬細胞中HMGB1通過RAGE活化p38和NF-κB促進Pro-IL-1β和Pro-IL-18的合成［35］。另有研究表明，腫瘤組織中的缺氧環境可誘導HMGB1的釋放，而后通過TLR4/RAGE受體通路活化caspase-1，產生包括IL-1β和IL-18在內的活性炎性介質，誘導炎癥反應，促進小鼠肝細胞癌Hepa1-6的侵襲和轉移；采用裸鼠尾靜脈注射表達熒光蛋白的肝癌細胞建立肝癌肺轉移模型，結果表明穩定干擾HMGB1的細胞株侵襲和轉移能力減弱［21］。

以上研究均已證實HMGB1是一種促腫瘤因子，但是部分抗腫瘤藥物的治療作用卻也依賴于HMGB1，這主要表現在其免疫調節作用。DNA烷基化治療依賴于HMGB1活化的天然免疫系統使腫瘤衰減，HMGB1缺陷腫瘤不能募集巨噬細胞、中性粒細胞、NK細胞等天然免疫細胞至治療的靶向腫瘤組織，且IL-4、IL-10和IL-13表達升高。在對荷瘤裸鼠的抗腫瘤治療中發現，有效的化療及放療反應依賴于HMGBl誘導的TLR4信號通路［36］。此外，最近的研究表明HMGB1作為白血病細胞自噬作用的內源性調節因子，可增強血癌細胞的化療抵制性［37］。由此可見，HMGB1在腫瘤的發生、發展和治療中具有雙重效應，這主要依賴于其不同的功能。

4 結語

腫瘤侵襲和轉移的分子機制是當今腫瘤研究的熱點之一，HMGB1是近年發現的與腫瘤侵襲、轉移密切相關的非組蛋白染色體結合蛋白，在多種易轉移性腫瘤中高表達，并促進轉移。但其促腫瘤發生、發展的機制尚未明確。

綜上所述，HMGB1作用具有雙向性：一方面，HMGB1調控腫瘤相關基因的表達，影響腫瘤組織局部微環境，促進腫瘤血管新生，為腫瘤的生長、轉移提供有利條件，調節癌細胞的自噬作用改變其抗藥性；另一方面，被抗腫瘤藥物處理瀕死的腫瘤細胞會分泌HMGB1，由其與TLR2或者TLR4相互作用激發抗腫瘤免疫反應，增強抗腫瘤藥物的療效。HMGB1在腫瘤的不同階段表現出不同的功能特征，其作用如何轉換，在腫瘤治療中如何把握好這一雙重功能，都有賴于對其作用機制的深入探討。隨著這些問題的明晰，HMGB1將可能成為預測和評估腫瘤進程的分子標志以及治療靶點。

［1］MANTOVANI A.Cancer: Inflaming metastasis ［J］.Nature, 2009, 457(7225): 36-37.

［2］KIM S, TAKAHASHI H, LIN W W, et al.Carcinomaproduced factors activate myeloid cells through TLR2 to stimulate metastasis ［J］.Nature, 2009, 457(7225): 102-106.

［3］YU Y, SHEN H, YU H, et al.Systematic proteomic analysis of human hepotacellular carcinoma cells reveals molecular pathways and networks involved in metastasis ［J］.Mol Biosyst, 2011, 7(6): 1908-1916.

［4］SONG B, SONG W G, LI Z J, et al.Effect of HMGB1 silencing on cell proliferation, invasion and apoptosis of MGC-803 gastric cancer cells ［J］.Cell Biochem Funct, 2011 Sep 27.doi: 10.1002/cbf.1811.［Epub ahead of print］.

［5］TANG D, KANG R, ZEH H J, et al.High-mobility group box 1 and cancer ［J］.Biochim Biophys Acta, 2010, 1799(1-2): 131-140.

［6］SIMS G P, ROWE D C, RIETDIJK S T, et al.HMGB1 and RAGE in inflammation and cancer ［J］.Annu Rev Immunol, 2010, 28: 367-388.

［7］NOGUEIRA MACHADO J A, DE OLIVEIRA VOLPE C M.HMGB-1 as a target for inflammation controlling ［J］.Recent Pat Endocr Metab Immune Drug Discov, 2012 Jul 30.［Epub ahead of print］.

［8］WU C X, SUN H, LIU Q, et al.LPS induces HMGB1 relocation and release by activating the NF-kappaB-CBP signal transduction pathway in the murine macrophage-like cell line RAW264.7 ［J］.J Surg Res, 2012, 175(1): 88-100.

［9］KIM J H, KIM S J, LEE I S, et al.Bacterial endotoxin induces the release of high mobility group box 1 via the IFN-beta signaling pathway ［J］.J Immunol, 2009, 182(4): 2458-2566.

［10］SHI Y, SANDOGHCHIAN SHOTORBANIS, SUZ, et al.Enhanced HMGB1 expression may contribute to Th17 cells activation in rheumatoid arthritis［J］.Clin Dev Immunol, 2012: 295081.

［11］TETTEH H A.The role of HMGB1 in ischemia-reperfusion injury in the rat small intestine［J］.J Surg Res, 2012 Apr 22.［Epub ahead of print］.

［12］LIVESEY K M, KANG R, VERNON P, et al.p53/HMGB1 complexes regulate autophagy and apoptosis［J］.Cancer Res, 2012, 72(8): 1996-2005.

［13］LEE H, SHIN N, SONG M, et al.Analysis of nuclear high mobility group box 1 (HMGB1)-binding proteins in colon cancer cells: clustering with proteins involved in secretion and extranuclear function ［J］.J Proteome Res, 2010, 9(9): 4661-4670.

［14］JIANG W, WANG Z, LI X, et al.High-mobility group box 1 is associated with clinicopathologic features in patients with hepatocellular carcinoma［J］.Pathol Oncol Res, 2012, 18(2): 293-298.

［15］AYCHEK T, MILLER K, SAGI-ASSIF O, et al.E-selectin regulates gene expression in metastatic colorectal carcinoma cells and enhances HMGB1 release ［J］.Int J Cancer, 2008, 123(8): 1741-1750.

［16］LIU L, ZHAO L, ZHANG Y, et al.Proteomic analysis of Tiam1-mediated metastasis in colorectal cancer ［J］.Cell Biol Int, 2007, 31(8): 805-814.

［17］OHMORI H, LUO Y, FUJII K, et al.Dietary linoleic acid and glucose enhances azoxymethane-induced colon cancer and metastases via the expression of high-mobility group box 1 ［J］.Pathobiology, 2010, 77(4): 210-217.

［18］TODOROVA J, PASHEVA E.High mobility group B1 protein interacts with its receptor RAGE in tumor cells but not in normal tissues ［J］.Oncol Lett, 2012, 3(1): 214-218.

［19］TAGUCHI A, BLOOD D C, DEL TORO G, et al.Blockade of RAGE-amphoterin signalling suppresses tumour growth and metastases ［J］.Nature, 2000, 405(6784): 354-360.

［20］HUTTUNEN H J, FAGES C, KUJA-PANULA J, et al.Receptor for advanced glycation end products-binding COOH-terminal motif of amphoterin inhibits invasive migration and metastasis ［J］.Cancer Res, 2002, 62(16): 4805-4811.

［21］YAN W, CHANG Y, Liang X, et al.High mobility group box 1 activates caspase-1 and promotes hepatocellular carcinoma invasiveness and metastases ［J］.Hepatology, 2012, 55(6): 1863-1875.

［22］YASER A M, HUANG Y, ZHOU R R, et al.The role of receptor for advanced glycation end products (RAGE) in the proliferation of hepatocellular carcinoma［J］.Int J Mol Sci, 2012, 13(5): 5982-5997.

［23］REN M, ZHONG X, MA C Y, et al.Insulin-like growth factor-1 promotes cell cycle progression via upregulation of cyclin D1 expression through the phosphatidylinositol 3-kinase/nuclear factor-kappaB signaling pathway in FRTL thyroid cells ［J］.Acta Pharmacol Sin, 2009, 30(1): 113-119.

［24］LIVESEY K M, KANG R, VERNON P, et al.p53/HMGB1 complexes regulate autophagy and apoptosis ［J］.Cancer Res, 2012, 72(8): 1996-2005.

［25］JIANG W, WNAG Z, LI X, et al.Reduced high-mobility group box 1 expression induced by RNA interference inhibits the bioactivity of hepatocellular carcinoma cell line HCCLM3 ［J］.Dig Dis Sci, 2012, 57(1): 92-98.

［26］CHEN J, LIU X, ZHANG J, et al.Targeting HMGB1 inhibits ovarian cancer growth and metastasis by lentivirus-mediated RNA interference ［J］.J Cell Physiol, 2012, 227(11): 3629-3638.

［27］KUSUME A, SASAHIRA T, LUO Y, et al.Suppression of dendritic cells by HMGB1 is associated with lymph node metastasis of human colon cancer.Pathobiology, 2009, 76(4): 155-162.

［28］CHA H J, KIM J, HONG S M, et al.Overexpression of renal tumor antigen is associated with tumor invasion and poor prognosis of hepatocellular carcinoma ［J］.Ann Surg Oncol, 2012, 19(3): 404-411.

［29］LIU P L, TSAI J R, HWANG J J, et al.High-mobility group box 1-mediated matrix metalloproteinase-9 expression in non-small cell lung cancer contributes to tumor cell invasiveness ［J］.Am J Respir Cell Mol Biol, 2010, 43(5): 530-538.

［30］VAN BEIJNUM JR, BUURMAN WA, GRIFFIOEN AW.Convergence and amplification of toll-like receptor (TLR) and receptor for advanced glycation end products (RAGE) signaling pathways via high mobility group B1 (HMGB1)［J］.Angiogenesis, 2008, 11(1): 91-99.

［31］VAN BEIJNUM J R, NOWAK SLIWINSKA P, VAN DEN BOEZEM E, et al.Tumor angiogenesis is enforced by autocrine regulation of high-mobility group box 1 ［J］.Oncogene, 2012.［Epub ahead of print］.

［32］TAKINO J, YAMAGISHI S, TAKEUCHI M.Glycer-AGEs-RAGE signaling enhances the angiogenic potential of hepatocellular carcinoma by upregulating VEGF expression ［J］.World J Gastroenterol, 2012, 18(15): 1781-1788.

［33］LIN Q, YANG X P, FANG D, et al.High-mobility group box-1 mediates toll-like receptor 4-dependent angiogenesis ［J］.Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2011, 31(5): 1024-32.

［34］ITO N, DEMARCO R A, MAILLIARD R B, et al.Cytolytic cells induce HMGB1 release from melanoma cell lines ［J］.J Leukoc Biol, 2007, 81(1): 75-83.

［35］VENEREAU E, CASALGRANDI M, SCHIRALDI M, et al.Mutually exclusive redox forms of HMGB1 promote cell recruitment or proinflammatory cytokine release ［J］.J Exp Med, 2012 Aug 7.［Epub ahead of print］.

［36］HE Q, YOU H, LI XM, et al.HMGB1 Promotes the synthesis of Pro-IL-1β and Pro-IL-18 by activation of p38 MAPK and NF-κB through receptors for advanced glycation endproducts in macrophages ［J］.Asian Pac J Cancer Prev, 2012, 13(4): 1365-1370.

［37］GUERRIERO J L, DITSWORTH D, CATANZARO J M, et al.DNA alkylating therapy induces tumor regression through an HMGB1-mediated activation of innate immunity ［J］.J Immunol, 2011, 186(6): 3517-3526.

［38］YANG L, YU Y, KANG R, et al.Up-regulated autophagy by endogenous high mobility group box-1 promotes chemoresistance in leukemia cells［J］.Leuk Lymphoma, 2012, 53(2): 315-322.