高遷移率族蛋白B1在糖尿病心肌病中的研究進(jìn)展

吳蓉，唐湘宇，黃大元，鄧云霞，鄧豪

(1.吉首大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖南 吉首 416000；2.湖南省婁底市中心醫(yī)院，湖南 婁底 417000)

1 HMGB1的結(jié)構(gòu)與功能

高遷移率族蛋白家族依據(jù)其分子形態(tài)結(jié)構(gòu)的不同可分為三種亞型：HMGA、HMGB和HMGN。HMGB又 細(xì) 分 為HMGB1、HMGB2、HMGB3。HMGB1是目前高遷移率族蛋白家族成員中研究最為深入的，也是唯一可以釋放到細(xì)胞外發(fā)揮其細(xì)胞因子活性的高遷移率族蛋白。Johns于上世紀(jì)60年代首先發(fā)現(xiàn)HMGB1，在電泳檢測(cè)中，HMGB1的高遷移能力尤為顯著，因而被命名為高遷移率族蛋白[1]。HMGB1廣泛存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，是一種高度保守的核蛋白，位于13q12染色體上，有5個(gè)外顯子、4個(gè)內(nèi)含子，包含有215個(gè)氨基酸殘基，結(jié)構(gòu)上由3個(gè)部分組成(N末端的A-box、B-box，以及負(fù)性C末端)[2]。其結(jié)構(gòu)具有高度進(jìn)化保守性，在嚙齒動(dòng)物和人類中的高遷移率族蛋白在氨基酸序列上95%-99%相同[3]。正常生理情況下，在細(xì)胞核內(nèi)，HMGB1參與DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組和修復(fù)。在細(xì)胞外，HMGB1作為炎性介質(zhì)，發(fā)揮其細(xì)胞因子活性，在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮損傷相關(guān)分子模式 (DAMP) 的作用[4]。HMGB1可由多種細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、成熟樹突狀細(xì)胞等)在受到刺激活化后主動(dòng)分泌，或由壞死、凋亡細(xì)胞被動(dòng)釋放[5]，通過與外周細(xì)胞受體結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，其中包括TLRs家族中的2、4受體、趨化因子C-X-C基元受體4以及晚期糖基化終末產(chǎn)物受體結(jié)合等，接著以細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行傳遞，進(jìn)而激活絲裂原活化蛋白激酶[6]等途徑或β-干擾素TIR結(jié)構(gòu)域銜接蛋白途徑[7]，最終導(dǎo)致核因子(NF-KappaB)核轉(zhuǎn)位，從而發(fā)揮其致炎、促動(dòng)脈粥樣硬化等作用[8-9]。HMGB1在致炎基礎(chǔ)上，同時(shí)也參與膿毒癥、免疫相關(guān)性疾病、血管的無菌性炎癥反應(yīng)、細(xì)胞壞死性凋亡、以及癌癥等疾病的發(fā)生發(fā)展。其次還可以促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)及影響凝血功能[10-11]。

2 糖尿病心肌病介紹

糖尿病心肌病(Diabetic cardiomyopathy，DCM)早在上世紀(jì)70年代就已被Rubler等人發(fā)現(xiàn)并提出[12]。直至2013年，美國(guó)心臟協(xié)會(huì)、歐洲糖尿病研究協(xié)會(huì)、美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)基金會(huì)與歐洲心臟病學(xué)會(huì)才明確將其定義為是獨(dú)立于動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓病、心臟瓣膜病之外并與糖尿病密切相關(guān)的一種特異性心肌病[13]。早期主要是舒張性心功能障礙，后期會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為收縮性心功能障礙，甚至最終發(fā)展為終末期難治性心力衰竭[14]。由于缺乏針對(duì)糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制及病理生理方面公認(rèn)的有效研究成果，目前尚未取得有針對(duì)性的診治手段。大多數(shù)研究認(rèn)為代謝紊亂、氧化應(yīng)激、心肌纖維化、小血管疾病、心肌細(xì)胞肥厚、自噬與凋亡、自主神經(jīng)功能障礙和胰島素抵抗等因素可能是導(dǎo)致糖尿病性心肌病發(fā)生的機(jī)制[15]。

目前，有越來越多的研究表明，HMGB1與糖尿病心肌病的病理生理過程緊密相關(guān)，且抑制HMGB1能改善糖尿病引起的心室重構(gòu)與心功能異常，本文主要對(duì)該方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

3 HMGB1在糖尿病心肌病中的作用機(jī)制

3.1 心肌間質(zhì)纖維化

大量研究顯示，糖尿病心肌病起始病理改變?yōu)樾氖冶诮┯渤潭鹊纳撸氖翼槕?yīng)性的降低使得該類患者多表現(xiàn)為舒張性心力衰竭，從而導(dǎo)致E/A比值下降。且有相關(guān)研究結(jié)果已得出膠原纖維在該類患者心肌間質(zhì)間沉積的結(jié)論[16]，從而證實(shí)在糖尿病心肌病患者心肌病變中，心肌間質(zhì)纖維化起著重要的作用，但具體機(jī)制目前還尚不完全清楚。蛋白激酶(PKC)家族作為一組參與機(jī)體多種代謝途徑的蛋白激酶，其中蛋白激酶β(PKCβ)的激活被研究證實(shí)是糖尿病并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展中的重要分子機(jī)制之一。高糖環(huán)境可以使細(xì)胞的PKCβ磷酸化[17]。Song等人的研究表明心肌細(xì)胞在高糖的刺激下會(huì)分泌HMGB1，然后通過與心肌成纖維細(xì)胞的TLR-4受體結(jié)合，從而導(dǎo)致心肌成纖維細(xì)胞的PKC-β表達(dá)上升，但下調(diào)了IL-33的表達(dá)，使心肌細(xì)胞膠原蛋白高表達(dá)、沉積，最終導(dǎo)致心肌纖維化[18]。其中IL- 33屬于IL-1家族，是一種促炎因子，可以有效的保護(hù)心血管系統(tǒng)，能抑制心肌膠原蛋白的表達(dá)[19]。而王好等人將乳鼠心肌成纖維細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)證明，加入外源性IL-33在體外模擬糖尿病條件下可直接抑制心肌成纖維細(xì)胞膠原蛋白的表達(dá)[20]，這與Song等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致。有研究指出轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β-1(TGF-β1)、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPS)均對(duì)促進(jìn)心肌纖維化作用顯著。Wang等人通過糖尿病體外擬態(tài)模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)了HMGB1可促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-2及MMP-9、促纖維化因子TGF-β1和Ⅰ、Ⅲ膠原。而抑制高遷移率族蛋白能夠阻斷以上物質(zhì)的生成、心肌成纖維細(xì)胞的增殖與遷移，以及ERK、JNK、AKT因子的磷酸化水平。對(duì)糖尿病心肌病在細(xì)胞分子層面發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)行探索，為診療糖尿病心肌病提出了新的思路和方法[21]。另外Zhao等人認(rèn)為內(nèi)皮細(xì)胞也可能參與HMGB1介導(dǎo)的心肌纖維化。他們認(rèn)為糖尿病容易合并微血管并發(fā)癥，而內(nèi)皮細(xì)胞是微血管的主要細(xì)胞類型。微血管功能障礙會(huì)導(dǎo)致心肌纖維化、導(dǎo)致缺血性心肌病。其次，臨床發(fā)現(xiàn)糖尿病患者血漿HMGB1水平高于正常人。HMGB1通過TLR4/CAVEOLIN-1通路損傷內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致其通透性增加，明顯加重微血管功能障礙，增加心肌缺血，從而促進(jìn)心肌纖維化。然而，盡管作者已經(jīng)完成了慢病毒介導(dǎo)的體內(nèi)短發(fā)夾RNA的前期研究工作，但對(duì)于條件性HMGB1基因敲除動(dòng)物來說，效果可能會(huì)更好[22]。

3.2 氧化應(yīng)激

在過去的很多年里，越來越多的證據(jù)認(rèn)為HMGB1是促進(jìn)和維持糖尿病并發(fā)癥的關(guān)鍵因素。相比于正常動(dòng)物模型組，晚期糖基化終末產(chǎn)物受體及高遷移率族蛋白在糖尿病心肌病小鼠模型心肌細(xì)胞中的表達(dá)較正常對(duì)照組明顯升高，而實(shí)驗(yàn)組在經(jīng)過白藜蘆醇處理后，上述物質(zhì)的表達(dá)可恢復(fù)正常。ROS的產(chǎn)生主要依靠NADPH氧化酶，在糖尿病并發(fā)癥中起著關(guān)鍵作用。通過Western blot檢測(cè)p47phox和gp91phox的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)STZ誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠心臟中NADPH氧化酶活性升高，而白藜蘆醇處理的糖尿病小鼠心肌NADPH氧化酶活性降低。這一觀點(diǎn)得到了先前一項(xiàng)研究的有力支持，該研究表明白藜蘆醇治療2型糖尿病，其心肌細(xì)胞中的NADPH氧化酶活性亦降低[23]。另一種氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白p66shc在STZ誘導(dǎo)的1型糖尿病心臟中也表達(dá)上調(diào)。但有趣的是，這項(xiàng)研究的主要新發(fā)現(xiàn)是白藜蘆醇可以逆轉(zhuǎn)糖尿病心臟中p66shc表達(dá)的增加[24]。Song等人[25]不僅證明高糖刺激能使心肌細(xì)胞PI3Kγ/Akt通路活化，HMGB1表達(dá)量增加可能與其通路活化有關(guān)。更進(jìn)一步證明HMGB1的表達(dá)是受該通路的正向調(diào)控，調(diào)控動(dòng)力由機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)提供。姜黃素，一種姜黃根莖提取物，其主要成分姜黃素，具有多種生物學(xué)功能，具有可抗癌、抗基因突變、抗粥樣硬化、抗炎、抗氧化等。最近一項(xiàng)研究指出姜黃素可以通過抑制糖尿病小鼠心肌細(xì)胞HMGB1/NLRP3/NF-KB通路從而實(shí)現(xiàn)抗炎、改善機(jī)體血糖、血脂代謝紊亂的作用，具有明顯的心肌保護(hù)作用[26]，他可能為糖尿病心肌病的治療提供一些新的思路。

3.3 心肌細(xì)胞凋亡

心肌細(xì)胞被認(rèn)為是終末分化細(xì)胞，心肌細(xì)胞動(dòng)態(tài)存亡主要取決于心肌細(xì)胞促凋亡蛋白與抗凋亡蛋白的動(dòng)態(tài)平衡。糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制中，高糖環(huán)境誘導(dǎo)下導(dǎo)致的心肌細(xì)胞凋亡影響巨大。和正常情況相比，因?yàn)樾募〖?xì)胞在高糖誘導(dǎo)下可使得促凋亡蛋白(如BAX蛋白)表達(dá)增加，同時(shí)使抗凋亡蛋白(如BCL-2蛋白)表達(dá)減弱，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞的凋亡不斷增加。最終可導(dǎo)致心肌發(fā)生纖維化和心肌肥厚。目前國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)一些關(guān)于可調(diào)控心肌細(xì)胞的凋亡通路，其中包括MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)通路，以及最近新發(fā)現(xiàn)的PP2A信號(hào)通路[27]等，但是涉及的具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究。有報(bào)道提出ERK1/2激活在心肌缺血再灌注損傷中有抗心肌細(xì)胞凋亡作用，然而另一些人卻持反對(duì)態(tài)度，他們認(rèn)為ERK1/2在糖尿病心肌病中起完全相反的作用。所以綜上所述，機(jī)體病理生理過程的差異性最終決定了ERK1/2對(duì)心肌細(xì)胞的凋亡是起促進(jìn)還是抑制作用。有研究表明在心肌細(xì)胞中，ERK1/2通路激活能促進(jìn)高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡[28]。亦有報(bào)道稱，ERK1/2磷酸化抑制可以逆轉(zhuǎn)高糖誘導(dǎo)的上述病理過程[29]。烏司他丁是一種存在于人體血液和尿液中的，由肝臟分泌的內(nèi)源性蛋白酶抑制劑，糖尿病患者血清烏司他丁水平升高可能反映了高血糖引發(fā)的全身炎癥狀態(tài)，是糖尿病慢性炎癥的標(biāo)志之一，其可通過抑制炎癥和細(xì)胞凋亡減輕糖尿病引起的心功能障礙。有研究表明其能顯著降低糖尿病心肌病中HMGB1、TNF-α和IL-6的表達(dá)，并能顯著下調(diào)心肌細(xì)胞的凋亡，降低caspase-3的活化率和BAX/BCL-2的比值，減弱了MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)通路的激活[30]。烏司他丁目前是胃腸外科一種常用來治療胰腺炎的藥物，因此我們?cè)O(shè)想烏司他丁是否可以用來治療糖尿病心肌病，效果又會(huì)是如何。

4 展望

即使是在醫(yī)療水平高度發(fā)達(dá)的今天，我們也尚未將糖尿病心肌病的病理生理變化及發(fā)病機(jī)制完全闡明清楚。近年來關(guān)于探索糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制以及HMGB1功能的研究非常多，目前已有大量的研究證實(shí)HMGB1在心血管方面，如與心衰、心肌缺血、動(dòng)脈粥樣硬化等的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)。然而，目前關(guān)于HMGB1在糖尿病心肌病中作用研究較少，且機(jī)制更新慢。在糖尿病心肌病中，HMGB1介導(dǎo)炎性因子可對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重的炎癥損傷，并且參與心肌凋亡以及纖維化等過程。大量實(shí)驗(yàn)證明通過拮抗HMGB1能減輕甚至逆轉(zhuǎn)上述病理生理過程，因此發(fā)現(xiàn)并制備對(duì)HMGB1有干預(yù)作用的制劑就具有非同尋常的意義。在抑制和治療實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难装Y性疾病方面，HMGB1結(jié)合受體的敲除，丙酮酸乙酯、尼古丁、雷公藤紅素、丹酚酸B等都被發(fā)現(xiàn)有著令人滿意的效果。它們的發(fā)現(xiàn)為未來我們攻克糖尿病心肌病帶來了一線曙光。總之，未來仍需要進(jìn)一步探究細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外HMGB1在糖尿病心肌病中促炎、氧化應(yīng)激、纖維化等的具體作用及其機(jī)制，以及還尚未被發(fā)現(xiàn)的因子及各種通路等，并將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模人體臨床實(shí)驗(yàn)，使其作為治療靶點(diǎn)能發(fā)揮最大化效益。我們應(yīng)當(dāng)對(duì)此充滿信心。