高迁移率族蛋白B1参与神经炎症反应及其抑制剂在神经精神疾病中的应用*

张姗姗，王月华，杜冠华

(中国医学科学院药物研究所药物靶点研究与新药筛选北京市重点实验室，北京 100050)

高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein，HMGB1)是一种高度保守的染色体结合蛋白，主要存在于真核细胞核中，参与基因的复制、转录和修复等过程，也可被免疫活性细胞和坏死细胞释放至细胞外参与炎症反应过程。笔者在本文对HMGB1参与的神经炎症反应及HMGB1抑制剂研发现状进行综述，为研发治疗神经系统疾病的HMGB1抑制剂提供参考。

1 HMGB1结构及生物学活性

1.1HMGB1的结构 高迁移率族蛋白(high mobility group，HMG)于1973年首次在牛胸腺中被提取和鉴定，是真核细胞内继组蛋白之后含量最为丰富的染色体蛋白[1]。HMG蛋白家族可分为HMGA、HMGB和HMGN三类亚家族，其中HMGB家族由HMGB1、HMGB2和HMGB3构成。

人类HMGB1含215个氨基酸，由A-box(1～79aa，具有抗炎活性)、B-box(76～162aa，具有促炎活性)和C-末端酸性尾(186～215aa)构成。HMGB1的α片段(7～74aa)结合抑癌基因p53引起基因转录；β片段(89～108aa)结合Toll样受体4(Toll-like receptors 4，TLR4)引起炎症；γ片段(150～183aa)结合晚期糖基化终末产物受体(receptor of advanced glycation end-products，RAGE)；δ片段(201～205aa)负责HMGB1的抗菌活性。此外，HMGB1还具有两个核定位序列(NLS)：NLS1(28～44aa)和NLS2(179～185aa)，与其核质易位有关(结构见图1)。

图1 HMGB1的结构及相关功能区示意图

1.2HMGB1的生物学活性 细胞核中的HMGB1可参与基因复制和转录、基因转移和传递、DNA重组和修复，促进获取转录因子，维持核小体结构和稳定，影响端粒酶活性等[2-3]。正常情况下HMGB1的核质比约为30：1，在各种应激条件下少量HMGB1也从细胞核易位至细胞质，调控自噬、癌症进展和非常规蛋白的分泌等。

HMGB1可被主动分泌或被动释放至细胞外作为损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)引起炎症反应。当单核/巨噬细胞、星形胶质细胞等暴露于细菌、病毒等病原相关分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)或白细胞介素-1β(IL-1β)、肿瘤坏死因子(TNF-α)等内源性炎症递质时会主动分泌HMGB1至细胞外[4]。首先，HMGB1与特异性受体结合后通过自分泌或旁分泌的形式促进炎症因子的产生，诱发炎症反应；其次，HMGB1本身也具有弱促炎活性，可直接引起血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)破坏，增强炎症反应。除主动分泌外，HMGB1还可由坏死、凋亡细胞或高热、化学治疗(化疗)、葡萄糖剥夺、病毒等因素刺激后的损伤细胞快速被动释放。坏死细胞释放的HMGB1能引起炎症反应；而凋亡细胞中HMGB1的 C106位半胱氨酸被活性氧(ROS)氧化导致活性较低，不具有致炎作用[4]。细胞外HMGB1除促炎活性外，还可作为趋化因子和生长因子，为细胞提供营养、促进神经突起生长和细胞迁移、调节自噬和凋亡之间的平衡等。

细胞外环境氧化还原状态和翻译后修饰对HMGB1的多效性功能也起着关键作用。HMGB1 A-box中相邻半胱氨酸残基(C23和C45)形成分子内二硫键构成二硫键型HMGB1，可与髓样分化蛋白-2(MD-2)结合介导炎症反应，并且ROS通过维持二硫键型HMGB1的稳定性加重炎症反应[2]；完全还原状态硫醇型HMGB1具有趋化活性；氧化型HMGB1无促炎功能和趋化功能[5]。HMGB1的两个NLSs序列中共9个赖氨酸残基的乙酰化程度决定HMGB1核质易位和主动分泌情况，此外两个NLSs 中丝氨酸/苏氨酸磷酸化和K42赖氨酸单甲基化也部分决定HMGB1的亚细胞定位[6]。

2 HMGB1参与炎症反应的分子机制及信号通路

2.1HMGB1与RAGE通路 RAGE是一种多配体膜受体，可与HMGB1、S100钙结合蛋白和β-淀粉样蛋白(Aβ)等多种内源性分子结合，引起炎症反应。RAGE是HMGB1的主要受体，HMGB1结合RAGE后将通过激活p38 丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)、Janus激酶/信号转导子和转录激活子(JAK/STAT)、细胞外信号调节激酶(ERK1/2)、核因子κB、Rac和细胞分裂周期蛋白42(Cdc42)等途径[2，7-8]，引导NF-κB核内转移，诱导炎症因子如TNF-α、IL-6、IL-8和趋化因子如基质金属蛋白酶(MMP)的表达和释放，促进免疫细胞成熟迁移等，在炎症反应中发挥重要作用。

2.2HMGB1与TLRs通路 TLRs是一个进化上保守的I型跨膜蛋白超家族，目前在哺乳动物中已发现13种TLRs(其中TLR1-TLR10在人类中存在，HMGB1主要与TLR2/4结合引起炎症反应)。TLRs主要靠两条信号转导途径激活：髓样分化因子88(MyD88)依赖性途径(除TLR3外所有TLRs共有的)和β干扰素TIR结构域衔接蛋白(TRIF)依赖性途径(TLR3和TLR4 特有的)。前者激活NF-κB，产生炎症因子；后者激活干扰素调节因子3产生I型干扰素，促进树突状细胞成熟[9]。HMGB1也可通过与LPS、核小体和ssDNA等结合形成复合物间接激活TLRs。HMGB1/LPS复合物可通过与LPS受体CD14结合促进TLR4/MD-2复合物的形成，激活NF-κB，促进炎症因子的表达[9-10]。

2.3其他信号通路 CXC类趋化因子受体4(CXCR4)是一种G蛋白偶联受体，影响造血功能和肿瘤迁移。硫醇型HMGB1可特异性与趋化因子CXCL12结合为异源二聚体并仅激活CXCR4，促进细胞迁移、血管外渗，继而诱发炎症以及肿瘤水肿[5]。

巨噬细胞抗原复合物-1(Mac-1)是一种重要的白细胞β2整合素，具有调节炎症细胞募集、病原体识别和吞噬的作用。研究表明，HMGB1可与小胶质细胞表面Mac-1结合，激活细胞内NF-κB信号通路，促进TNF-α、IL-1β和一氧化氮等炎性物质的释放，增强炎症反应[3]。

CD24是一种重要的细胞表面磷脂酰肌醇锚定蛋白，通过与Siglec-10相互作用选择性抑制DAMPs引起的组织损伤。HMGB1与CD24和Siglec-10结合后可抑制由HMGB1-TLR4信号介导的NF-κB的激活和炎症因子的释放，减轻HMGB1介导的炎症反应[11]。

3 HMGB1与神经精神疾病

3.1HMGB1与脑水肿 脑水肿是脑实质内液体的异常积聚现象，是造成脑缺血和创伤性脑损伤(TBI)患者死亡的主要原因[12]。脑水肿与脑脊液中炎症因子水平升高息息相关，水肿和炎症常常相互作用加重脑损伤[13]。脑水肿时局部血流减少，导致神经细胞坏死和凋亡；脑炎症加重了血管功能障碍，导致细胞进一步死亡。硫醇型HMGB1可通过CXCL12/CXCR4通路诱发炎症以及水肿，阻断HMGB1信号通路可减轻血管渗漏和水肿，提高生存率[5]。

在TBI大鼠模型中，早期以细胞损伤或死亡导致的原发性脑损伤为主，随后主要表现为炎症细胞和炎症递质介导的继发性脑损伤，如BBB破坏、神经功能障碍和脑水肿。有研究报道，HMGB1抑制剂 A-box明显改善TBI大鼠BBB的破坏和脑水肿，可能与其抑制HMGB1/TLR4信号通路以及炎症因子表达有关[13]。HMGB1在TBI 的急性损伤阶段和后期都作为关键炎症递质参与炎症反应，且其释放具有年龄依赖性和正反馈调节性[14-15]。HMGB1单抗通过抑制HMGB1易位防止TBI大鼠的继发性损伤[16]。HMGB1抑制剂甘草甜素(glycyrrhizin，GLZ)也通过干扰HMGB1和RAGE相互作用抑制TBI大鼠BBB破坏和运动功能损伤[17]。

3.2HMGB1与脑缺血-再灌注 脑缺血-再灌注(ischemia-reperfusion，I/R)损伤过程中存在多种病理机制，如炎症反应、能量代谢障碍、细胞内钙超载、线粒体损伤、自由基生成、自噬和凋亡等，其中炎症反应是诱导I/R继发性损伤的重要环节。越来越多的证据表明，HMGB1是脑I/R损伤后炎症反应超急性期的主要递质，I/R早期HMGB1主要由神经元释放引起脑损伤，而I/R晚期HMGB1主要由星形胶质细胞释放，通过诱导细胞毒性级联反应导致损伤的加重[18]。

在大脑中动脉阻塞大鼠I/R后24 h，HMGB1急剧转移至细胞核并释放至胞外，通过激活TLR4/NF-κB通路，上调炎症因子的表达[10]。GLZ可抑制HMGB1释放、抗氧化应激和凋亡损伤，表现出显著的神经保护作用。HMGB1除参与I/R损伤的炎症反应外，还参与I/R后缺血半暗带的凋亡和自噬过程等[19]。临床研究也表明，脑梗死患者血清HMGB1显著升高，表明血清HMGB1可能参与脑梗死后急性期炎性反应过程[20]。

3.3HMGB1与阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD AD是常见的慢性神经退行性疾病，临床表现为认知功能障碍和记忆功能紊乱。关于AD发病机制包括Aβ沉积、Tau蛋白过度磷酸化、炎症反应、胆碱能缺失和基因突变学说等。已有研究发现，AD患者脑中HMGB1过表达[12]，HMGB1通过RAGE/TLR4信号参与AD病程中炎症的发生[21]，HMGB1还通过TLR4/PKC通路诱导神经元突起变性和Aβ聚集[22]。干预HMGB1释放及相关炎症通路可能成为治疗AD的有效策略，已有研究发现长期使用抗HMGB1单抗可抑制Aβ聚集，预防认知功能障碍。但是，HMGB1能否成为抗AD药物的有效作用靶点还有待验证。

3.4HMGB1与帕金森病 帕金森病(Parkinson’s disease，PD)也是慢性神经退行性疾病常见疾病之一，临床表现为肌肉僵硬、静止性震颤、运动迟缓、共济失调等，主要病理改变为黑质致密部多巴胺(DA)能神经元变性死亡[23]。近年来研究表明，神经炎症可能是导致DA能神经元变性的关键因素，在PD患者的中脑组织中检测到HMGB1水平升高和BBB的破坏[24]，提示HMGB1作为DAMP可能通过引起神经炎症参与PD发病。在PD小鼠模型中，HMGB1分别在损伤早期和晚期从神经元和星形胶质细胞核质易位，抗HMGB1单抗治疗可抑制HMGB1易位、BBB的破坏和炎症因子表达而保护神经元[23]。此外，HMGB1可通过激活HMGB1/RAGE通路下游c-Jun氨基末端激酶上调脑黑质纹状体酪氨酸羟化酶表达，使脑内DA含量降低而导致PD发生[25]。HMGB1还通过调节自噬、细胞存活和凋亡、线粒体功能障碍等生理病理过程参与PD病理过程[3]。

3.5HMGB1与癫癫是大脑神经元突发性异常放电导致大脑功能短暂障碍的一种慢性疾病，世界卫生组织(WHO)预计目前全世界大约有癫患者5000万例。在癫持续状态(SE)动物的损伤脑区有胶质细胞活化、单核细胞募集、炎症因子释放等炎症反应[26]。HMGB1是癫发生后神经炎症的关键启动子，通过促神经炎症效应主要由TLR4、介导促进神经元死亡、BBB破坏、神经兴奋过度、认知功能下降和增加患者耐药性诱发或加重癫[2，12，27]。

3.6HMGB1与抑郁症 抑郁症是临床上最常见的精神疾病之一，以内疚、生理障碍、认知障碍甚至自杀倾向为主要特征。WHO公布的最新数据显示，全球约有3.5亿例抑郁症患者，每年因抑郁自杀死亡的人数高达100万例。抑郁症患者体内具有高浓度的炎症因子和大量激活的小胶质细胞等典型神经炎症反应。研究表明，抗HMGB1抗体治疗可减少小胶质细胞的活化，减轻焦虑抑郁样行为[28]。有研究证实HMGB1主要通过RAGE/NF-κB通路诱导慢性应激性抑郁样行为[29]，但详尽的下游信号转导途径仍不明确。

4 HMGB1抑制剂在神经系统疾病治疗中的应用

4.1HMGB1的小分子抑制剂

4.1.1天然来源的HMGB1小分子抑制剂 GLZ是一种存在于甘草根和茎的三萜类天然产物，已被发现在自身免疫性脑脊髓炎[4]、I/R[30]、TBI[17，25]、抑郁症[28]、SE[31]和慢性炎症性疼痛[32]等神经系统疾病中发挥抗炎和神经保护作用。研究表明，GLZ通过抑制活化或损伤细胞中HMGB1的表达[32]、易位[27]和释放[17]来抑制HMGB1与受体结合，继而抑制NF-κB激活、炎症因子产生以及炎症细胞迁移等发挥抗炎作用。此外，GLZ还通过与HMGB1形成复合物阻止HMGB1与RAGE的结合而抑制HMGB1促炎活性[6，27]。除抗神经炎症作用外，GLZ还具有抗氧化应激、抗菌、抗病毒、抗凋亡、抗肿瘤、免疫调节、肝保护和心脏保护等作用[4，27]。但是，尽管GLZ毒副作用较小，且已在临床使用多年，但仍需要密切关注其安全性，有研究表明GLZ可抑制磷脂酶A2活性、抑制血小板聚集和抑制11β-羟基类固醇脱氢酶活性，引起高血压和低钾诱导的假性醛固酮增多症等[3，17]，这可能会限制GLZ的广泛使用。

水杨酸(SA)及其衍生物是世界上使用时间最长的常用植物源性抗炎药，其乙酰酯被称为阿司匹林，具有解热镇痛抗炎、预防心脑血管疾病、预防结直肠癌等重要作用。HMGB1可直接结合SA，结合位点在HMGB1的A-box和B-box。研究表明SA可特异性抑制硫醇型HMGB1的趋化活性和二硫键型HMGB1诱导的环氧化酶-2和炎症因子的表达，提示SA抑制HMGB1的抗炎作用具有结构选择性[6]。

黄酮类化合物杨梅素和山奈酚作为HMGB1抑制剂也具有抗炎作用。杨梅素是从杨梅树皮中提取的一种黄酮醇类化合物，可下调LPS刺激小鼠黑质纹状中HMGB1/TLR4/MyD88轴的表达，阻断NF-κB和MAPK信号通路的激活，有利于治疗PD的黑质纹状体炎症[7]。山奈酚主要来源于山奈的根茎，可通过下调HMGB1/TLR4通路、维持BBB完整性和抗炎作用抑制LPS诱导的小鼠纹状体损伤[24]。

4.1.2人工合成的HMGB1小分子抑制剂 利多卡因是一种典型的局麻药，常用于周围神经阻滞和镇痛。最近的一项研究表明利多卡因可通过下调HMGB1表达抑制炎症性疼痛，调节子巨噬细胞炎性蛋白-1及其信号通路，减轻保留神经损伤大鼠模型的神经性疼痛和神经炎症[33]。

氨来占诺在临床上被用作抗过敏，但该化合物有多个靶点，可抑制HMGB1、IL-1α等DAMPs的释放。研究表明，氨来占诺可逆地抑制脑I/R诱导的神经元和星形胶质细胞HMGB1的释放，减轻脑损伤[18]。

米诺环素是第二代四环素类抗菌药物，具有良好的中枢神经系统渗透性和抗炎作用。米诺环素可通过抑制HMGB1的易位和释放、抑制小胶质细胞的激活、减少神经变性、提高神经元存活率在TBI和I/R模型中发挥神经保护作用，且该作用具有丘脑选择性[34]。

丙酮酸乙酯(EP)是丙酮酸的一种简单脂族酯，通过抑制HMGB1的核质易位、RAGE的表达和炎症因子的表达来抑制有机粉尘诱导的小胶质细胞炎症反应[35]。EP还可通过抑制血清和海马中HMGB1的释放缓解LPS诱导的小鼠急性神经炎症反应[36]，目前已用作HMGB1释放的特异性抑制剂。

丙磺舒在临床上用于治疗高尿酸血症以及辅助抗菌药物治疗，最近研究表明丙磺舒可抑制MCAO小鼠神经元和氧糖剥夺的星形胶质细胞中HMGB1的释放，减轻脑损伤后的炎症反应[37-38]。

异氟醚是一种在临床上广泛应用的吸入式麻醉，可抑制LPS诱导的BV2细胞中HMGB1、RAGE和TLR2/4蛋白的表达，抑制小胶质细胞的活化并减少炎症因子的释放，提示异氟醚具有减轻神经炎症、保护神经细胞的药理作用[39]。

4.2HMGB1单抗 现阶段抗HMGB1单抗主要用于证实HMGB1参与某些疾病病理过程。目前已有三种抗HMGB1单抗被发现，分别是2G7、DPH1.1以及NISHIBORI等[12]。研究表明HMGB1单抗在PD[23]、TBI[16]和抑郁症[28]等疾病中都表现出高选择性的抗HMGB1作用和神经保护作用。但由于具有免疫原性，HMGB1单抗可能导致过敏、自身免疫性疾病、免疫性血小板减少、肿瘤和心脏毒性等严重的副作用[3]，其应用可能因此受到限制。

4.3HMGB1 A-box HMGB1 A-box可与全长HMGB1竞争结合受体，但不激活受体，因此具有抗炎作用[6]。重组A-box与HMGB1 2-89aa完全对应，不含第一位的甲硫氨酸。研究表明A-box通过抑制HMGB1-RAGE结合对TBI[13]、脑水肿[13]、癫[2]等疾病模型产生较好治疗作用。A-box的抗炎作用具有高度选择性，是硫醇型HMGB1的特异性抑制剂[6]。此外值得注意的是由于HMGB1受体RAGE和TLRs等是多配体受体，因此A-box也可能与其他配体竞争性结合受体导致某些副作用的发生。且A-box在多数情况下是侧脑室给药，其给药方式和消除半衰期可能会限制临床广泛使用[40]。

4.4可溶性RAGE(sRAGE) RAGE因选择性剪切可产生几种不同的亚型：膜结合RAGE(mRAGE)、N端截短和C端截短形式。C端截短形式可由RAGE mRNA选择性剪切或mRAGE水解产生，称为可溶性RAGE(sRAGE)。sRAGE是一种抗炎因子，可作为诱饵受体抑制mRAGE与配体的结合，在急性运动轴索性神经病[41]和急性脑缺血[42]等疾病模型中被成功地用于阻断HMGB1-RAGE信号转导，发挥神经保护作用。

5 展望

细胞外HMGB1作为重要的DAMP分子参与许多炎症和自身免疫性疾病的发病过程，神经炎症是脑部对感染和某些疾病的一种反应，以神经胶质细胞活化、BBB破坏和外周免疫细胞进入脑组织为特征。HMGB1可能通过自分泌和旁分泌机制，在其氧化还原状态的决定下与RAGE或TLR2/4等受体结合激活炎症反应加重脑损伤，提示HMGB1可能作为某些神经系统炎症性疾病的治疗靶点。HMGB1抑制剂的使用可在多种疾病模型中减轻炎症反应，但由于HMGB1也是一种神经营养因子，阻断HMGB1有干扰抗感染防御和组织修复的风险。因此，开发具有高度亚型特异性、组织选择性和时间分辨性的HMGB1抑制剂是未来重点研发方向。