HMGB1/TLR4 信号通路-细胞凋亡在脑缺血再灌注损伤中的作用及研究进展#

蔡乐 李想 王勇,

（1.广西肿瘤免疫与微环境调控重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林医学院，广西 桂林 541004）

脑卒中已成为威胁全世界人类健康的首位病因，其中80%是由于供应大脑血流突然减少或中断导致的缺血性脑卒中。脑卒中及其并发症不仅降低了卒中患者的生活质量，同时也给家庭和社会带来了巨大的经济负担[1]。及时恢复血流灌注一定程度上可以减轻缺血后脑组织损伤，但也会造成更为严重的脑组织结构功能受损，导致脑缺血再灌注损伤[2]。研究发现凋亡是缺血性脑卒中神经细胞损伤的主要形式之一，与炎症、氧化应激、自噬等多种发病机制共同促进了脑缺血再灌注损伤[3,4]。

近年来研究表明，HMGB1/TLR4 信号通路与调节细胞炎症、凋亡、自噬等密切相关，是细胞重要的存活通路之一[5,6]。HMGB1/TLR4 信号通路的激活可导致细胞凋亡，参与了脑缺血再灌注损伤的病理生理过程。基于近几年的研究，本文就HMGB1/TLR4 信号通路与脑缺血再灌注细胞凋亡研究方面综述如下。

1 HMGB1/TLR4 信号通路

HMGB1 因其在聚丙烯酰胺凝胶电泳中的高迁移能力而得名，是真核细胞内仅次于组蛋白外含量最为丰富的高迁移率族蛋白。分布于细胞核内的HMGB1 可作为一种DNA 结合蛋白，通过参与DNA 复制、转录、修复等过程以维持核小体结构稳定；分泌至胞外的HMGB1 可作为一种重要的损伤相关分子模式（Damage associated molecular patterns，DAMPs）与糖基化终末产物受体（RAGE）、Toll 样受体（TLRs）相互作用，参与调控多种炎症性疾病及肿瘤生长、迁移等病理生理过程，与动脉粥样硬化形成、脑卒中发生、糖尿病等疾病密切相关[7,8]。

TLR4 是位于人9 号染色体上，同源于果蝇Toll 蛋白的I 型跨膜受体蛋白。TLR4 与其他Toll样受体同源分子一样，包括能识别各种外源性病原体相关分子或毒素、富含亮氨酸重复序列的胞外区；富含半胱氨酸螺旋结构的跨膜区和与人的白介素-1 受体（Interleukin-1-receptors，IL-IR）高度同源的胞内区（TIR 结构域）三部分[9]。

TLR4 是HMGB1 识别的下游主要靶蛋白之一。当识别分子与配体结合后，TLR4 同源或异源二聚体激活细胞内TIR 结构域，TIR 结构域招募髓样分化因子88（Myeloid differentiation factor 88，MyD88）或含有TIR 结构域的配体蛋白诱导β 干扰素产生转录因子等其他衔接蛋白激活MyD88依赖性和非MyD88 依赖性主要信号通路，这些信号通路激活下游核转录因子（Nuclear factor kappa-B，NF-κb）和干扰素调节因子（Interferon regulation factor，IRF），随后诱导促炎细胞因子和干扰素（interferon,IFN）的产生，参与调控细胞免疫炎症、生长、存活等重要生物过程[10,11]。在最近一些研究中，发现TLR4 和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（Phosphatidylinositol 3 kinase/ protein kinase B，PI3K/Akt）信号通路也存在着相互调节。

2 脑缺血再灌注与细胞凋亡

1972 年John Kerr 等人在《英国癌症杂志》上发表的开创性文章—《APOPTOSIS:a basic biological phenomenon with wide-ranging implication in tissue kinetics》中首次引出“凋亡”一词，指出细胞凋亡是不同于急性损伤导致细胞坏死的一种“程序性细胞死亡”[12]。细胞凋亡是一系列复杂、精准的依赖含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）的分子级联反应过程，包括外源性途径（死亡受体介导）和内源性途径（线粒体途径和内质网应激途径）[13]。研究发现外源性途径和内源性途径并非独立存在，两者通过B 细胞淋巴瘤-2 基因（B-cell lymphoma-2，BCL-2）家族存在着交叉联系，并能通过激活Caspase-3 诱导细胞凋亡。

凋亡的异常与人类多种疾病相关[14]。大脑是机体对缺氧反应最为敏感的器官，在大脑缺血发作后的几分钟，由于能量和氧气供应的突然减少，缺血核心出现不可逆的损伤导致神经细胞坏死，数天或数小时后引发缺血半暗带出现细胞凋亡，因此，凋亡参与了脑缺血再灌注损伤的重要病理生理过程[15,16]。通过检测大鼠大脑中动脉阻塞/再灌注损伤(Middle cerebral artery occlusion/reperfusion，MCAO/R)模型中皮质区凋亡相关蛋白的表达，进一步证实凋亡参与了脑缺血再灌注损伤的重要病理生理过程[17]。

3 HMGB1/TLR4 信号通路与脑缺血再灌注细胞凋亡

3.1 HMGB1/TLR4 信号通路激活加剧脑缺血再灌注细胞凋亡

HMGB1 广泛表达于神经系统的神经元、胶质细胞及血管内皮细胞中，HMGB1 从坏死神经细胞主动或被动释放到胞外，参与炎症级联放大反应，引起血管痉挛、血脑屏障破坏和神经细胞凋亡[18]。研究发现在缺血性脑卒中患者的血清中HMGB1 水平显著高于对照组[19]。Dan-Dan Liu[20]等研究发现用原代皮层神经元构建体外氧糖剥夺/ 复 氧（Oxygen and glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）模型，上清液中HMGB1的浓度呈时间依赖性升高，并在24 小时达高峰，HMGB1 迅速升高，并作为促炎细胞因子，诱导神经元炎症及凋亡，加重脑损伤。Bolanle M Famakin[21]等研究发现TLR4 的表达和信号转导不仅发生在急性局灶性脑缺血半影内的星形胶质细胞中，而且也发生在慢性局灶性脑缺血中，用重组HMGB1 蛋白体外刺激培养的星形胶质细胞可导致TLR4 和下游介质表达增加，诱导神经细胞凋亡。邱燕英[22]等研究发现在脑缺血再灌注体内、体外模型中TLR4 表达都明显上调，通过直接作用于TLR4 的表达或抑制TLR4 介导的有关信号通路，具有神经保护作用。因此，HMGB1/TLR4 信号通路与脑缺血再灌注后神经细胞凋亡关系密切，激活HMGB1/TLR4 信号通路可能会加剧脑缺血再灌注细胞凋亡。

HMGB1 广泛表达于神经系统的神经元、胶质细胞及血管内皮细胞中，HMGB1 从坏死神经细胞主动或被动释放到胞外，参与炎症级联放大反应，引起血管痉挛、血脑屏障破坏和神经细胞凋亡[18]。研究发现在缺血性脑卒中患者的血清中HMGB1 水平显著高于对照组[19]。Dan-Dan Liu[20]等研究发现用原代皮层神经元构建体外氧糖剥夺/复氧（Oxygen and glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）模型，上清液中HMGB1 的浓度呈时间依赖性升高，并在24 小时达高峰，HMGB1 迅速升高，并作为促炎细胞因子，诱导神经元炎症及凋亡，加重脑损伤。Bolanle M Famakin[21]等研究发现TLR4 的表达和信号转导不仅发生在急性局灶性脑缺血半影内的星形胶质细胞中，而且也发生在慢性局灶性脑缺血中，用重组HMGB1 蛋白体外刺激培养的星形胶质细胞可导致TLR4 和下游介质表达增加，诱导神经细胞凋亡。邱燕英[22]等研究发现在脑缺血再灌注体内、体外模型中TLR4 表达都明显上调，通过直接作用于TLR4 的表达或抑制TLR4 介导的有关信号通路，具有神经保护作用。因此，HMGB1/TLR4 信号通路与脑缺血再灌注后神经细胞凋亡关系密切，激活HMGB1/TLR4 信号通路可能会加剧脑缺血再灌注细胞凋亡。

在其他组织缺血再灌注损伤中，Chuan-Bao Chen[23]等研究发现在小鼠肾缺血再灌注损伤中激活HMGB1/TLR4 信号通路可以刺激炎症和免疫反应，进一步加重肾脏损伤。

3.2 抑制HMGB1/TLR4 信号通路可减轻脑缺血再灌注细胞凋亡

一些研究发现使用相关的拮抗剂或药物抑制HMGB1/TLR4 信号通路，可以减轻脑缺血再灌注细胞凋亡，发挥神经保护作用。田青[24]等研究发现薯蓣皂苷可能通过抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路减轻老年大鼠神经细胞的凋亡和炎症反应,从而减轻急性脑出血损伤。Weijie Xie[25]等研究发现中草药三七叶皂甙可以降低MCAO/R 模型大鼠海马和皮质区HMGB1 水平、减少促炎症介质的产生，通过抑制丝裂原活化蛋白激酶(Mitogenactivated protein kinase，MAPK)和核转录因子(NFκB)信号通路的激活，从而抑制神经炎症和减少神经细胞凋亡，减轻脑缺血再灌注损伤。Gu Gong[26]等研究发现中草药甘草甜素通过拮抗HMGB1 细胞因子活性抑制炎症反应、氧化应激和凋亡损伤对大鼠脑缺血再灌注损伤具有保护作用。在HMGB1/TLR4 信号调节阻塞性睡眠呼吸暂停（Obstructive sleep apnea syndrome,OSA）合并2型糖尿病（Diabetes mellitus type 2，T2DM）模型中，HMGB1 siRNA 可显著降低海马神经元的HMGB1 和TLR4 蛋白的表达，逆转神经元凋亡[27]。同样在其他缺血再灌注组织中，金莲锦[28]等研究发现右美托咪定通过抑制HMGB1/TLR4 信号通路减轻大鼠心肌缺血再灌注损伤；Shilong Zhang[29]等研究发现桃叶珊瑚甙通过抑制HMGB1/TLR4/NF-κB 信号通路、氧化应激和细胞凋亡减轻肝脏缺血再灌注损伤。因此，通过抑制HMGB1/TLR4 信号通路的激活可能减轻脑缺血再灌注细胞凋亡。

4 小结

HMGB1、Toll 样受体因其介导炎症反应受到广泛关注，以往HMGB1/TLR4 信号通路常作为一种炎症信号参与调节各种急慢性炎症疾病。然而，目前有关于HMGB1/TLR4 信号通路与诱导神经细胞凋亡在脑缺血再灌注损伤中的实验研究仍比较少。因此，HMGB1/TLR4 与脑缺血再灌注损伤的关系，特别是诱导脑缺血再灌注损伤后神经细胞凋亡有望作为一个新研究方向，成为治疗缺血性脑卒中的重要靶点。