高迁移率族蛋白1与心力衰竭

2020-03-05刘芳蒋庆庆戴朝晖

国际心血管病杂志 2020年6期

刘芳蒋庆庆戴朝晖

高迁移率族蛋白(HMG)广泛存在于哺乳动物细胞中，是一种高度保守的核蛋白。在20世纪60年代，HMG于小牛胸腺中被发现，后从牛胸腺中提取、鉴定，因其在聚丙烯酰胺凝胶中的高迁移力而命名为HMG。根据HMG 的结构特性，HMG又分为3种亚型，分别为HMGA、HMGB和HMGN。HMGB包括HMGB1、HMGB2、HMGB3，其中HMGB1主要存在于哺乳动物的肝、脑等组织中。大量研究证实，HMGB1与心力衰竭的发生发展以及预后相关。

1 HMGB1的结构

HMGB1基因在不同物种之间高度保守，位于13q12染色体，包括5个外显子和4个内含子。HMGB1含有3个结构域，分别为：(1)N末端的A-box，由3个α螺旋构成，具有识别和结合DNA、与DNA结合蛋白精确组装、调控DNA修复和重组、调控基因转录等功能[1-2]，并且可以竞争性抑制B-box的致炎功能。(2)B-box，亦由3个α螺旋构成，位于A-box与C-tail之间，主要诱导炎性反应，已证实B-box DNA结合域的前20个氨基酸残基是细胞因子与HMGB1的相互作用区域[3]。A-box和B-box均带有正电荷，构成了非特异性DNA结合区域。(3)C末端的C-tail，由30个重复的天冬氨酸和谷氨酸残基组成，带有强负电性，通过调节HMGB1与DNA之间的亲和力，参与基因转录和染色体解旋，保护A-box和B-box从细胞核内释放和转移到细胞核外。此外，HMGB1序列中存在1个与A-box和B-box结构同源的DNA结合单元，称为HMG盒，它可提供特异性和非特异性DNA结合位点，识别和结合变形DNA[4]。

2 HMGB1的功能

在HMG蛋白亚型中，有关HMGB1的研究最为广泛深入。HMGB1作为一种核因子，可以直接与染色质或DNA结合以调节基因转录，同时具有多种复杂的生物学功能[5]。HMGB1不仅能感知、调节细胞应激反应，充当DNA伴侣、自噬因子、细胞保护剂等多种角色，在细胞凋亡以及细胞外损伤中也有重要作用。在细胞核内，HMGB1调节各种转录因子的相互作用以稳定核小体，还可通过C-tail与DNA特定结构结合在复制、转录、翻译等过程中起到相应作用。在细胞外，HMGB1作为炎性介质，具有类似细胞因子的功能。HMGB1通过主动分泌和坏死细胞的被动释放，主要经过两个途径发挥生物学效应，即晚期糖基化终末产物受体(RAGE)信号通路和Toll样受体2/4信号通路[6]。HMGB1主要发挥致炎作用，同时也参与血管的无菌性炎性反应、坏死性凋亡、肿瘤的发生发展，诱导免疫耐受，还能通过调节血小板影响凝血功能，促进神经细胞的生长[7-8]。

3 HMGB1与心力衰竭的发病机制

心力衰竭是心血管疾病发展的终末阶段，炎性因子在心力衰竭的发病过程中起着极为重要作用。多种炎性因子刺激心肌，致心肌早期代偿性肥大，诱导细胞凋亡和心肌纤维化，导致心肌弹性和顺应性下降，造成不可逆性心肌重构，最终引起心力衰竭。大量研究证实，HMGB1诱导的炎性反应，在心肌梗死、冠状动脉粥样硬化等心血管疾病的发展过程中同样起重要作用。

Wang等[9]研究发现，心力衰竭患者血清HMGB1水平明显高于正常人，提示HMGB1与心力衰竭的发展相关。Volz等[10]研究发现，心力衰竭患者血清HMGB1水平明显升高，且HMGB1水平与心力衰竭的发病程度呈负相关，提示HMGB1可能是心血管疾病终末期的影响因素。武芬芬等[11]研究发现，急性心肌梗死后心力衰竭组和陈旧性心肌梗死后心力衰竭组的HMGB1水平明显高于急性心肌梗死心功能正常组及冠状动脉造影正常组。在急性心肌梗死心力衰竭组及陈旧性心肌梗死后心力衰竭组均发现HMGB1与N末端脑钠肽前体(NT-proBNP)、白细胞介素-6(IL-6)等炎性因子呈正相关，提示HMGB1的升高是引发心力衰竭的高危因素。柴熙晨等[12]通过对351例慢性心力衰竭患者(LVEF≤45%)长期随访研究证实，HMGB1可以作为诊断心力衰竭的指标。然而，究竟是HMGB1的升高加重了心力衰竭的进展，还是心力衰竭的发生发展导致了HMGB1的升高，两者的关系尚需研究。

4 HMGB1在心力衰竭中的双向调控作用

Raucci等[13]根据特定的实验模型进行核亚细胞定位，探讨HMGB1在心脏损伤后的作用，发现高水平的核HMGB1可以防止病理性心肌重构，而低水平的核HMGB1促进心力衰竭进展。张慧等[14]研究发现，HMGB1对机体的抗炎作用主要取决于其血清水平。适量的HMGB1可以限制炎性反应对组织器官的损害，高水平HMGB1可以促进炎性反应进展。在心力衰竭早期，坏死细胞被动释放HMGB1，启动早期炎性应答，及时修复受损组织器官；随后单核-巨噬细胞系统启动晚期应答，刺激组织器官内细胞主动分泌HMGB1并释放到细胞外，进一步激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等信号。HMGB1主要通过与RAGE的高亲和力而发挥致炎作用，还通过细胞信号转导途径参与全身炎性反应、脓毒血症、肿瘤转移浸润以及心力衰竭等疾病的发生发展[15]。Yang等[16]研究发现，HMGB1在核结合态和胞质溶解态之间的快速转化是其发挥致炎效应的基础。

4.1 正性调控作用

血清中HMGB1水平升高可减少心肌纤维化和心肌肥大的发生，增加血管生成，减轻炎性反应，并能改善慢性心力衰竭以及心肌梗死后整体心功能。Funayama等[17]通过免疫组织化学分析比较人类活检样本，显示衰竭心脏中核HMGB1的表达低于正常心脏。在新生大鼠中，衰竭心脏的核HMGB1被乙酰化并被转移至细胞质。对心脏特异性过表达HMGB1的转基因小鼠(HMGB1-Tg)和野生型(WT)小鼠行主动脉弓缩窄术(TAC)，发现HMGB1-Tg小鼠在行TAC后，心肌肥厚明显减轻，心功能恢复，且存活率高于WT小鼠，提示维持细胞核中HMGB1表达可以促进血管生成，抑制压力负荷引起的DNA损伤和心肌肥厚，从而起到保护心脏的作用。研究证实，核HMGB1的心脏保护作用主要是通过抑制毛细血管扩张性共济失调症突变蛋白抗原(ATM)活化，减轻血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)诱导的病理性心脏重构[18]。还有文献报道HMGB1可通过雷帕霉素靶蛋白复合物1(TORC1)途径调节心肌梗死后小鼠血清中的细胞凋亡和自噬[19-21]。有研究将外源性HMGB1注射到心力衰竭大鼠体内，树突细胞和CD45+炎性细胞的聚集受到抑制[22]，炎性反应减轻，提示HMGB1在心力衰竭早期起到了促进心肌再生、改善心功能的正性调控作用。Limana等[23]推测HMGB1可能通过上调心肌梗死后dishevelled-1因子水平，调整β-catenin因子水平，激活Wnt通路，从而对心功能起到正性调控作用。Kaneko等[24]对心力衰竭患者中骨髓单核细胞(DMC)进行研究，发现DMC移植可调节心力衰竭患者的先天性免疫功能，从而恢复受损心肌，而细胞外的HMGB1对DMC具有正向促进作用。Kohno等[25]发现在心肌梗死大鼠模型中阻断HMGB1可加速左室重构，使心功能快速恶化，从侧面证实了HMGB1的正性调控作用。Oozawa等[26]的研究同样证明了全身性应用HMGB1阻滞剂可加重心脏损伤。Takahashi等[22]在大鼠心肌梗死后心力衰竭的慢性期注射HMGB1，发现梗死灶周围的炎性细胞迅速减少，28 d后大鼠的左室射血分数明显增加，再次证明了HMGB1对梗死后心力衰竭具有正性调控作用。

4.2 负性调控作用

临床研究表明，HMGB1在心力衰竭患者血清中表达，在重度心力衰竭[美国纽约心脏病协会(NYHA)心功能分级Ⅲ-Ⅳ级]中明显升高，提示HMGB1参与心力衰竭的整个过程。Andrassy等[27]研究发现，HMGB1在心肌缺血再灌注损伤的早期阶段可激活、增强炎性反应，使心功能恶化，导致心肌重构。有学者认为HMGB1是心力衰竭早期的主要炎性因子，NT-proBNP是心力衰竭晚期的主要炎性因子[28]，但此结论尚不完全明确，需进一步验证。王丹等[29]对急性心肌梗死行经皮冠状动脉介入术(PCI)患者的HMGB1、脑钠肽(BNP)、左室收缩期压(LVPS)、左室射血分数(LVEF)等指标进行检测，发现患者在PCI术后发生左室心肌重构，继而出现心肌收缩力下降，发生心力衰竭。严重的损伤(如急性肺损伤、脓毒症、失血性休克等)以及炎性反应均可使心肌细胞主动分泌HMGB1到细胞外发挥致炎作用，加重心肌损伤，降低心功能，形成恶性循环。Tzeng等[30]将离体的心肌细胞暴露在浓度为100 ng/mL的HMGB1溶液中，5 min后肌原纤维收缩力下降约70%，其机制为HMGB1阻断了L型钙离子通道，减少了细胞膜钙离子内流，心肌收缩力下降；使用抗RAGE和抗Toll样受体4(TLR4)的抗体可减弱负性收缩效应，提示HMGB1存在对心肌的负性调控作用，且可能是通过RAGE和TLR4两条信号通路诱发、加重心力衰竭。Volz等[10]认为HMGB1可以分别作为心力衰竭患者心脏移植和死亡终点的独立预测因子。

5 HMGB1与心力衰竭的预后

Ishii等[31]对慢性重症心力衰竭患者进行随访，发现HMGB1升高组患者发生心血管不良事件的比例明显高于HMGB1正常组，说明HMGB1可能是心力衰竭预后的影响因素。Liu等[32]研究发现，慢性心力衰竭患者HMGBl水平升高，且随着HMGB1水平的升高，NT-proBNP水平升高，心脏射血分数降低，心血管不良事件的发生率增加，表明HMGB1与慢性心力衰竭的不良预后有一定的相关性。李霞等[33]追踪96例急性心力衰竭患者1年内心血管不良事件的发生情况，并比较了HMGB1、NT-proBNP等指标水平，发现发生终点不良事件的急性心力衰竭患者HMGB1水平明显高于未发生终点不良事件患者，进一步证实HMGB1可能对急性心力衰竭预后有一定预测作用。临床试验结果提示，HMGB1水平越高，心力衰竭患者的预后可能越差，甚至死亡[34]。Marsh等[35]指出，HMGB1可以成为心力衰竭患者危险分层、预后评估的生物学指标。