高遷移率族蛋白B1

高遷移率族蛋白B1（，HMGB1）是一種高度保守的核蛋白，廣泛分布於哺乳動物細胞。隨著其晚期促炎作用的發現，HMGB1成為近年來危重醫學研究的熱點之一。本文就其家族分類、基因和蛋白結構、細胞生物學效應方究進展進行綜述。

膿毒症(sepsis)指由感染引起的全身炎症反應綜合徵(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)，是嚴重創傷、燒傷、休克、感染、大手術後常見的併發症。早期的研究認為，腫瘤壞死因子(TNF)和白細胞介素-1(IL-1)等在膿毒症炎性反應中發揮重要促炎作用。然而，TNF-α、IL-1拮抗劑的臨床套用並未取得明顯效果。原因可能是多方面的，其中重要的一點可能與膿毒症初期致炎介質迅速釋放，臨床治療難以做到早期或預防性干預有關。另有資料證實[1]，以致死劑量的內毒素攻擊小鼠，部分動物5天后才死亡，而此時TNF-α、IL-1的水平早已恢復至正常範圍。此外，給TNF缺陷小鼠注入內毒素數天后亦可導致死亡。這提示可能還存在TNF-α等早期致炎因子以外的其他重要細胞因子參與介導內毒素致死效應。Wang等[1]發現LPS刺激16 h，TNF等早期炎性因子釋放高峰過後，巨噬細胞開始釋放出一種核蛋白，即高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein，HMGB1)。HMGB1抗體治療可顯著降低LPS小鼠死亡率，表明HMGB1是內毒素致死效應的晚期重要炎症介質。這一發現為從本質上了解和防治膿毒症提供新的理論根據。

基本介紹

• 中文名：高遷移率族蛋白B1
• 外文名：high mobility group protein
• 簡稱：HMGB1
• 類別：核蛋白
• 發現者：Johns
• 發現時間：20世紀60年代
• 分布地區：哺乳動物細胞
• 治療對象：膿毒症

蛋白家族

高遷移率族蛋白於1973年首次在牛胸腺中被提取和鑑定，因其在聚丙烯醯胺凝膠電泳中的高遷移能力而得名。具體可參見Ferrari S, Finelli P, Rocchi M, Bianchi ME (July 1996). "The active gene that encodes human high mobility group 1 protein (HMG1) contains introns and maps to chromosome 13". Genomics 35 (2): 367–71. doi:10.1006/geno.1996.0369. PMID8661151.。根據分子質量大小、序列相似性和DNA結構特性，HMG可進一步分為HMGA、HMGB、HMGN 3個家族。而HMGB家族又有3個成員，即HMGB1、HMGB2和HMGB3，三者在胺基酸序列上有80%的一致性。HMGB1是含量最豐富的HMG蛋白，在典型的哺乳動物細胞內約有106個分子，平均10～15個核小體即可含有1個HMGB1分子。HMGB1廣泛分布於淋巴組織、腦、肝、肺、心、脾、腎等組織中，HMGB1除在肝、腦組織中主要存在於胞漿外，在大多數組織中存在於胞核；而HMGB2/3分布較局限，HMGB2僅分布在睪丸和淋巴組織中，HMGB3僅在胚胎中被發現，二者可能與胚胎髮育有關。HMGB1先前也稱HMG1，在進化過程中其胺基酸序列高度保守，嚙齒類動物與人的胺基酸序列同源性高達98%以上，小鼠與大鼠胺基酸序列同源性更是高達100%。

結構

（1）人類HMGB1基因位於13q12染色體上。HMGB1基因包括5個外顯子和4個內含子[5]。HMGB1基因有十分強大的TATA盒啟動子。它的最大活性是猴病毒40(SV 40)啟動子的18倍。這個啟動子還包括數個轉錄因子結合位點，如激活蛋白1(AP1)。此外還包含一個沉默元件(silencer element)，因此，在一般環境條件下，HMGB1的表達量維持在基礎水平[6]。HMGB1基因敲除後幼鼠仍能存活，但存在廣泛的形態畸形，多於出生24 h內死亡。

(2)人類HMGB1的初級胺基酸序列中含有219個胺基酸殘基，成熟HMGB1分子質量為30 kDa。HMGB1蛋白由3個獨特的結構域組成。其中A-box位於N-末端，進化高度保守；C-tail在羧基末端，包含30個重複的天冬氨酸和谷氨酸殘基，可參與調節HMGB1與DNA結合的親和力；B-box位於二者之間。A-box和B-box均由3個α螺旋組成，並帶有強烈的正電荷，構成HMGB1的非特異性DNA結合區。HMGB1釋放至胞外後，B-box是引起炎症反應的功能結構域，而A-box對B-box有一定的拮抗作用[7]。此外，人們把一個與A-box和B-box結構域同源，約含85個胺基酸的重複區命名為DNA結合基元，為區別起見，將DNA結合基元的蛋白稱為HMG-box。HMG-box起源古老，其中包括序列特異性DNA結合蛋白和非特異性結合蛋白，系辨認和結合變形DNA所必需的結構[8]。HMGB1在不同的物種中高度保守，大鼠與小鼠的HMGB1蛋白序列完全一致，與人類HMGB1蛋白的不同點只是C末端重複序列中有2個殘基被置換。

生物效應

3.1 細胞骨架蛋白並參與轉錄調節 胞核中HMGB1的主要生物學功能是與DNA結合。當HMGB1被特異性結合蛋白募集至靶點時，可通過與DNA雙鏈小槽的結合，促使雙鏈局部變形，這可能是DNA三維結構形成的機制之一[9]。核內HMGB1與特定結構的染色質DNA如四臂DNA、十字形DNA、超螺旋DNA等結合，通過影響靶序列的結構，參與DNA的重組、修復、基因轉錄調控、細胞複製及分化成熟等生命活動。但在細胞有絲分裂期和細胞間期，HMGB1與DNA的結合都是鬆散的，它在核結合態與胞質溶解態之間的轉變迅速，HMGB1的這一特性在其致炎作用中有著十分特殊且重要的意義。

3.2 誘導炎性反應 近年的研究發現，HMGB1一旦分泌到細胞外，即可發揮致炎作用。現在認為，HMGB1是一種重要的晚期致炎因子，且較之TNF、IL-1等早期速髮型炎性因子具有更重要的臨床意義。

機械損傷和壞死的細胞可將核內HMGB1釋放至細胞外誘導炎性反應。受損細胞與巨噬細胞聯合培養可致巨噬細胞核轉錄因子-κB(NF-κB)核內轉移，並產生類似組織壞死後引起的炎性反應；HMGB1基因剔除小鼠的受損細胞與巨噬細胞聯合培養，則炎性反應的強度顯著降低。這表明HMGB1的被動釋放在組織壞死性炎性反應中有重要作用。凋亡細胞中組蛋白普遍乙醯化不足，所以凋亡細胞中HMGB1可與核小體緊密結合，不會被釋放，也不會導致炎性反應；相反，如果抑制細胞內的脫乙醯作用，炎性反應就會發生。

內毒素及多種炎性因子均可誘導HMGB1釋放介導炎性反應。1999年Wang等[1]首次報導HMGB1作為一種晚期炎性介質參與了膿毒症的發病過程。小鼠實驗證實，注射LPS、IL-1、TNF-α 8 h後，單核巨噬細胞開始分泌HMGB1，並在隨後的24 h中血清HMGB1濃度維持較高水平，HMGB1抗體可以改善LPS引起的內毒素血症；反過來，HMGB1也可刺激單核巨噬細胞分泌某些促炎因子，如TNF-α、IL-1、II-6、IL-8，但不包括IL-10和IL-12[11]。與LPS相比，HMGB1引起的TNF-α分泌曲線呈明顯的雙峰型，峰值分別出現在3 h和8～10 h[11]，其意義對於延長和維持炎性反應起重要作用。注射HMGB1小鼠出現內毒素休克樣症狀。人體檢測也發現，膿毒症患者血清HMGB1水平升高，並且升高的程度與感染嚴重性相關。

作為聯繫免疫和神經內分泌系統的垂體後葉細胞也可對TNF-α、IL-1的刺激產生應答進而釋放HMGB1，這表明HMGB1參與了炎症過程中的神經-內分泌免疫調節機制。系列實驗研究認為，HMGB1在中樞神經系統中可起到一種內生性致熱源的作用，並且介導了中樞的炎性反應。

當細胞壞死或受損時，核內的HMGB1可釋放到胞外，引發單核巨噬細胞分泌促炎因子；而促炎因子又反過來促進HMGB1的分泌，這樣正反饋環就形成了。在炎性反應的後期，這種正反饋效應對炎性反應的維持到了相當重要的作用。

3.3 參與腫瘤細胞生殖分化和遷移 HMGB1是目前唯一知道的與腫瘤和新生物形成有關的HMB家族成員。有學者從分化良好的人胃癌細胞中分離出一種HMGB1 cDNA克隆。研究還發現胃腸癌組織中，HMGB1 mRNA比毗鄰分化好的癌變組織和癌前病變組織表達要高。在晚期癌腫和分化差甚至中等分化癌周圍的非癌組織中，HMGB1 mRNA的表達也增強，但在分化較好的胃癌周圍的正常組織表達並不增高[12]。這提示HMGB1可能與細胞分化有關。

胞外的HMGB1可以促進細胞的遷移，這一點在腫瘤細胞的入侵和轉移過程中似乎尤為重要。將Lewis肺癌細胞注射於小鼠皮下，給予HMGB1抗體可以抑制腫瘤細胞的轉移。這一過程可能經HMGB1-RAGE (receptor for advanced glycation endproducts)信號通路介導。

3.4 促進神經細胞的生長 從小鼠大腦提取純化的膜結合HMGB1具有調節軸突外向生長的活性[14]，提示它能夠增強大腦神經元發育和外周神經元再生。HMGB1在神經元細胞體和軸突上含量都很豐富，位於神經元和外周膠質細胞的非細胞核細胞器上。而在大鼠神經元培養液中，抗HMGB1抗體可顯著抑制軸突生長。這說明HMGB1在神經生長發育過程中起著非常重要的作用。

3.5 影響凝血、纖溶系統功能 HMGB1可影響機體的凝血功能。業已明確，HMGB1是一種強有力的肝素結合蛋白，可誘導內皮細胞釋放纖溶蛋白酶原激活因子抑制物和組織型纖溶蛋白酶原激活物，還能間接促進細胞表面纖溶酶原的產生[15]。賴氨酸類似物ε-氨基乙酸則抑制HMGB1與纖溶酶原及其組織型纖溶蛋白酶原激活劑結合，提示該效應是通過與賴氨酸殘基發生作用而實現的。胞外HMGB1能使纖溶酶原與組織型纖溶酶原激活物(t-PA)結合，促進纖維蛋白溶酶的產生，從而在細胞受損和組織重建中起重要作用。HMGB1還能夠活化金屬蛋白激酶MMP-2和MMP-9，它們是纖溶酶活化反應的下游靶分子。作為血小板內源性蛋白，人血小板活化時胞漿中的HMGB1被分泌至血小板表面，可引起血小板變形。提示膿毒症時，HMGB1對凝血纖溶活性以及血小板功能的影響可促發彌散性血管內凝血(DIC)，導致微循環障礙。

3.6 對血管內皮細胞功能的影響 血管內皮細胞是一種多功能細胞，除物質轉運屏障、抗血栓、促血栓作用外，還可與白細胞相互作用參與炎症的調控。實驗顯示，重組人HMGB1與微血管內皮細胞共同孵孕，HMGB1能以時間劑量依賴方式增加ICAM-1、VCAM-1和RAGE的表達；促使TNF、MCP-1、IL-8、PAI-1和t-PA分泌；使得MAP激酶、ERK激酶、JNK激酶磷酸化，並使核轉錄因子NF-κB和Sp1發生核移位。提示HMGB1在膿毒症和內毒素休克時能影響血管內皮細胞的正常功能。

3.7 對免疫系統功能的影響 免疫功能紊亂貫穿於膿毒症的整個病理過程，由早期的促炎介質增加向抗炎免疫抑制狀態轉變，乃至終末期的免疫無反應。研究證實，可能與感染後期機體細胞免疫功能紊亂有關。作為細胞核內非組蛋白的HMGB1：（1）時間-劑量依賴性影響離體培養小鼠腹腔巨噬細胞吞噬功能。（2）高劑量HMGB1攻擊可使小鼠脾淋巴細胞增殖反應明顯抑制，凋亡增加。同時，動物IL-2產生減少，IL-2/可溶性白細胞介素-2受體(sIL-2R)比值下降。不同濃度的HMGB1能夠影響淋巴細胞增殖功能，並且在不同淋巴器官中發揮的效應明顯不同。（3）燙傷後大量產生的HMGB1可能參與了全身和腸道局部免疫功能障礙的病理過程。休克期切痂能夠減少燙傷大鼠HMGB1基因表達與蛋白釋放，促進全身和腸道局部免疫功能恢復，肝、肺組織促炎/抗炎平衡及臟器功能指標得以改善。（4）丙酮酸乙酯可通過抑制HMGB1的釋放及拮抗氧自由基等多方面效應減輕淋巴細胞的功能異常，即顯著增加脾淋巴細胞增殖能力和IL-2產生，從而有效改善燙傷延遲復甦後細胞免疫功能障礙。

轉導機制

HMGB1極具黏性可以與細胞表面多種不同分子結合，如肝磷脂、蛋白聚糖，甚至硫糖脂和磷脂等[17]。HMGB1仍然有一個明確的高親和力受體即晚期糖基化終末產物受體(RAGE)。RAGE為一種跨膜蛋白，最初在牛肺內皮細胞中發現，屬於免疫球蛋白超家族，並能結合多種配體。RAGE也存在於其他組織細胞中，如血管平滑肌細胞、神經元細胞和單核巨噬細胞。此外還見於一些病理過程，如糖尿病、澱粉樣變性和動脈粥樣硬化。RAGE結合的配體包括晚期糖基化終末產物(AGE)、calgranulin(一種促炎肽，來自胞漿蛋白S100水解過程)HMGB1和澱粉p肽，但HMGB1是其親和力最高的配體，約為AGE的7倍。現有證據表明HMGB1的促炎效應大部分是通過RAGE起作用的，通過RAGE激活NF-κB、MAPK、纖溶酶原激活抑制物、Cdc42與Rac。但套用RAGE抗體或RAGE基因敲除方法，並不能完全抑制HMGB1引起的炎症反應。MEL細胞的分化就是一種非RAGE介導但有HMGB1參與的過程。在RAGE已經失活的情況下，胞外HMGB1仍可以促進成血管細胞的遷移和增殖。此外，目前還無法解釋為何激活的單核細胞中RAGE迅速活化，而HMGB1誘導的炎症反應卻遠遠滯後的現象[19]。胚胎神經元與惡性腫瘤中，HMGB1完全通過其細胞表面RAGE起到促進生長的作用。HMGB1的C末端結構與其他的RAGE配體具有同源性，通過這一區域與RAGE作用。

RAGE介導HMGB1的炎症機制目前未完全清楚，最近的研究發現在中性粒細胞及巨噬細胞中HMGB1通過Toll樣受體（TLR）-2和TLR-4導致MyD88依賴性活化NF-κB。儘管HMGB1在結構上高度保守，也可能還存在其他的HMGB1受體。進一步研究證實，NF-κB可能直接或間接參與HMGB1誘生的信號調控過程。抑制NF-κB可顯著下調內毒素休克動物組織HMGB1基因表達。姚詠明等的研究還發現，Janus激酶/信號轉導及轉錄活化因子(JAK/STAT)通路可能參與HMGB1表達及致炎效應的信號調節。至於JAK/STAT途徑以何種方式調節HMGB1的表達，其確切的分子生物學機制目前還不清楚。

臨床意義

隨著對HMGB1細胞生物學功能研究的廣泛深入，發現HMGB1在膿毒症、腫瘤、關節炎等多種疾病的發病過程發揮著重要作用，HMGB1可能成為多種疾病治療新靶點。HMGB1抑制劑在動物實驗上的成功更增加人們的研究興趣。但經驗證明，單個切入點的治療往往不能取得令人滿意的效果。HMGB1異源單克隆抗體在人體內也將產生副作用。因此，如何為抗HMGB1治療方案準確定位以及在治療中何時、怎樣採用相應的治療措施仍然是一個相當困難、而且值得研究的問題。