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

解放軍總醫院第二醫學中心 心血管內科，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。研究發現HMGB1 不僅在細胞核中具有穩定DNA 及調節轉錄等功能[1]，還可以作為內源性炎性因子參與多種生理病理過程，對多種疾病的發生及發展有著關鍵的調控作用。由于HMGB1 所在位置的不同以及所處環境的不同，其發揮的作用也不同。本文就HMGB1 的結構、介導的信號通路、與多種心臟疾病的關系等方面進行回顧，旨在闡述HMGB1的功能及其在心臟疾病中的生物學效應。

1 HMGB1 的結構及生物學功能

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 結合，參與DNA的重組、修復、基因轉錄調控、細胞復制及分化成熟等生命活動[1]。HMGB1 具有重要的生理學功能，HMGB1 基因敲除小鼠出生后多于24 h 內死亡。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 個氨基酸構成，并形成三個結構域：A-Box、B-Box 以及一個由30 個氨基酸構成的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 個氨基酸易發生氧化從而影響HMGB1 的生物學功能。3 個保守半胱氨酸的HMGB1 為還原態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 均為還原態的fr-HMGB1，但由于細胞外的氧化條件，很快轉變為二硫化的ds-HMGB1[3]。最終ds-HMGB1 將轉化為ox-HMGB1。不同狀態的fr-HMGB1 和ds-HMGB1 所發揮的生物學效應基本相反。fr-HMGB1 主要表現為趨化、增殖作用，誘導巨噬細胞分化為具有促進修復功能的表型[3-4]。ds-HMGB1 具有刺激細胞分泌細胞炎性因子及趨化因子，促進內皮細胞生成血管，從而促進炎癥反應[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/修復相關，同時可能與中性粒細胞的活化狀態有一定關系[6]。

HMGB1 的生物學功能不僅與氧化還原狀態相關，還與結合的不同受體相關。其主要的受體有晚期糖基化終產物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)、Toll 樣 受 體2(toll like receptors，TLR2)、TLR4、CXCR4、CD2 等[7]。幾乎所有形態的HMGB1都可以與RAGE受體結合，但ds-HMGB1 對其具有最高的親和力[8]。HMGB1與RAGE 受體結合，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 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[11]。HMGB1/TLR2 可以促進NK 細胞及腫瘤干細胞的活化。已經發現HMGB1 與TLR2、TLR4介導的炎癥反應在肺、肝損傷、腫瘤、癲癇及心臟疾病中發揮了重要作用[12-14]。ds-HMGB1 通過與CD14 及TLR4 配體MD-2 結合后與TLR4 結合，促進炎癥反應[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 形成復合物，可以穩定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的目的[2,4]。因此HMGB1 的生物學效應十分豐富，參與了眾多的病理生理學活動，在疾病的發生發展中可能起著關節的調節作用。

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]，作為損傷相關的分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)， 激活炎癥通路，促進梗死區域的炎癥反應，改善組織修復，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，導致疾病進展惡化。其可能的機制是不同的疾病狀態，HMGB1 的濃度、HMGB1的氧化還原狀態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生壞死的結果。心肌一旦發生壞死，將釋放大量DAMPs，并誘發急性炎癥反應。炎癥細胞快速清除壞死物質，并分泌生長因子，激活成纖維細胞、內皮細胞進行組織的修復與重塑。最后，炎癥細胞逐漸減少，炎癥逐漸消退，組織修復。HMGB1 在心梗發生的時候由壞死細胞大量釋放，作為DAMPs，激活炎癥反應，促進組織修復[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 還可以促進梗死區域的新生血管形成及干細胞的遷移[20]。研究還發現，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的關鍵受體[21]。fr-HMGB1 可以明確改善內皮細胞的遷移、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境，通過注射變異不會氧化的3S-HMGB1，將導致心梗惡化、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]。

多項研究發現，急性心肌梗死后，循環中HMGB1 水平明顯升高。2006 年Goldstein 等[23]最早發現急性心梗患者血清中的HMGB1 水平相比于正常人明顯升高。隨后的研究發現，發病后12 h HMGB1 水平到達頂峰，并將持續增高7 d，而且HMGB1 的最高水平與心梗后的泵衰竭、心臟破裂、住院死亡發生率以及C 反應蛋白水平相關[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后可能相關，具有成為心梗患者預后風險預測指標的潛力。研究發現心梗后HMGB1 的水平與心梗6 個月后的腦利鈉肽水平呈正相關[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、心率恢復以及死亡率相關[24]。一項日本的研究通過對不穩定型心絞痛及非ST 段抬高型心肌梗死患者進行了49 個月的中位隨訪，發現在癥狀出現的24 h 內HMGB1 水平與不良心血管事件呈明顯正相關[25]。研究發現，HMGB1 較C 反應蛋白能更好地反映心梗患者的預后，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血管后，梗死區域的血流灌注恢復，導致大量白細胞聚集及大量自由基產生，從而引起更為嚴重的損傷，稱為缺血再灌注損傷損傷[26]。在動物試驗中發現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

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 表現出的是消極的作用，多種抑制HMGB1 表達的物質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生大量的氧自由基，導致fr-HMGB1 大量被氧化為ds-HMGB1，從而導致損傷加重。因此HMGB1 在缺血再灌注中發揮的作用比較復雜，推測可能與HMGB1 受缺血再灌注時氧化還原環境的急劇變化有關，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不同程度的心衰。目前研究發現，炎癥在心衰的發生和發展中起了關鍵作用。在心衰人群中，HMGB1 的血清學水平明顯升高，且與左心室射血分數呈反比關系[30]。進一步研究發現，對心衰患者進行19 個月的隨訪，發現HMGB1 升高的患者不良心血管事件發生率更高[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，與左心室射血分數呈負相關；在12 個月的隨訪中發現，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后密切相關，有成為心衰患者生物學標志物的潛力。

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病機制之一。動脈脈粥樣硬化的發生發展與內皮細胞損傷、單核巨噬細胞黏附聚集、脂質沉積、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。在動脈粥樣硬化斑塊組織及相關細胞中，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、基質金屬蛋白酶[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，減少了斑塊內免疫細胞的數量。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炎癥，同時發現斑塊內TLR2 及TLR4 的表達同時下降，提示TLR2 及TLR4 在HMGB1 促進斑塊內炎癥反應過程中可能存在介導作用[34]。考慮到HMGB1 的多種氧化還原狀態以及斑塊內的氧化自由基增加等環境變化，HMGB1 在動脈粥樣硬化中的具體生物學效應尚不明確，有待進一步研究揭示。HMGB1 也可能成為動脈粥樣硬化的干預靶點。

2.5 心肌炎 心肌炎通常是由病毒、細菌等感染后誘發的自身免疫性炎癥反應[36]。CD4+T 淋巴細胞介導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]。進一步研究發現HMGB1 與Th17 細胞的增殖、分化密切相關[38]。近年新的小鼠心肌炎模型也發現阻斷HMGB1 可以減少心肌炎的炎癥反應及心臟功能障礙[39]。心肌炎目前暫無特異性治療，HMGB1 的在其中的生物學效應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。高血糖可以引起心肌細胞肥大、凋亡、間質纖維化，并導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 還通過細胞外調節蛋白激酶(ERK1/2)通路調控Caspase-3 和凋亡基因Bax 的活性從而調控心肌細胞的凋亡[42]。HMGB1 可以直接通過絲裂原活化蛋白激酶途徑直接調節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。

3 總結

HMGB1 在體內細胞中廣泛表達，正常情況下，主要參與DNA 復制及轉錄。當發生組織損傷及炎癥反應時，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，發揮了重要的生物學功能。HMGB1 在疾病的不同時期、不同氧化狀態表現出了不同的生物學效應。fr-HMGB1與ds-HMGB1 可受環境的氧化還原狀態影響互相轉化，而ox-HMGB1 狀態則不可逆。在很多疾病的病理生理過程中，HMGB1 不同的狀態可能發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，改善組織修復，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，其在不同疾病中顯示不同作用的機制可能與HMGB1 的氧化還原態有關，但HMGB1 的氧化還原態可以實時自由轉換，檢測難度高，同時機體的氧化還原環境也時刻發生變化，因此相關研究開展存在困難。考慮到HMGB1 的氧化狀態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，通過調節HMGB1 的氧化還原狀態，可能也是未來的研究方向。