高迁移率族蛋白B1在脓毒症及其相关急性肾损伤中的研究进展

周 浩，常德辉，康印东

高迁移率族蛋白B1(HMGB1)属于典型的损伤相关分子模式分子，参与许多疾病的发生和发展。越来越多的体内和体外研究表明，HMGB1在脓毒症炎症反应和免疫抑制过程中起着关键作用[1]。HMGB1可存在于所有细胞类型，是一种能在细胞内外发挥功能的蛋白质，细胞外HMGB1从细胞中主动释放或细胞死亡时被动释放后，作用于特定的细胞表面受体，并发挥促炎症反应作用。HMGB1一旦进入循环会与晚期糖基化终产物受体(RAGE)和Toll样受体(TLR)等多种靶细胞受体相互作用，刺激促炎细胞与趋化因子释放，随着脓毒症病情恶化，HMGB1促损伤作用加剧，导致组织和器官进行性损伤。有研究表明，靶向给予HMGB1抗体可以减轻炎症反应，从而降低脓毒症等相关疾病损伤[2]。本文就HMGB1的结构、功能、受体及在相关疾病中的研究进展等进行综述如下。

1 HMGB1概述

1.1HMGB1的结构 1973年，有学者首次在小牛胸腺中成功提取高迁移率族蛋白(HMG)，该名称基于其在聚丙烯酰胺凝胶电泳中的流动性。HMG包括A、B和N 3个家族，其中B1即HMGB1。1999年，WANG等[3]将小鼠在内毒素暴露8～32 h后发现血清HMGB1水平升高,延迟施用HMGB1抗体会减弱小鼠内毒素的致死性。HMGB1在人体中广泛表达，所有的哺乳动物体中都含有丰富的HMGB1，在酵母、植物和细菌中，HMGB1存在于细胞质和细胞核内，以细胞核内聚集为主，并且在生物进化中高度保守，哺乳动物和人类具有99%的同一性。在人体中HMGB1表达 215个氨基酸，由2个同源DNA结合域(box-A和box-B)及一个带负电荷的羧基端(C末端)组成， box-B能在细胞外刺激时诱导促炎症信号，box-A可诱导拮抗作用，带负电荷的羧基端是介导RAGE和TLR结合的区域。

1.2HMGB1的生物学性质 HMGB1的功能和分泌取决于其氧化还原状态，该状态由3种氧化还原敏感的半胱氨酸所决定(box-A中的C23、C45及box-B中的 C106)。其3种形式分别为烯丙基硫醇形式、二硫键形式和完全氧化形式。HMGB1表达3个半胱氨酸硫醇残基，但在细胞核中主要依靠全巯基型HMGB1发挥作用，参与DNA复制、转录、翻译和调节等,对动物生命活动不可或缺。在细胞核及细胞质之间HMGB1可通过核孔任意穿梭，HMGB1发生翻译后修饰可使其从细胞核向细胞质聚集，参与机体的炎症反应和程序性细胞死亡等。HMGB1受到各种翻译后修饰的影响，包括乙酰化、N-糖基化、ADP-核糖基化、磷酸化和甲基化。HMGB1可在细胞外发挥作用，从细胞内到细胞外，主要有2种方式：其一是受损或坏死细胞被动释放，通过促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α立即引发炎症反应；其二是通过免疫细胞主动释放，但分泌机制目前尚不完全清楚。细胞外，HMGB1可通过RAGE、TLR4及CXC基序趋化因子受体4(CXCR4)相互作用而发挥生物学效应。坏死及凋亡细胞释放的HMGB1大多数处于全巯基形式。全巯基形式HMGB1与趋化因子配体12(CXCL12)形成杂合物，并与CXCR4结合，诱导细胞迁移产生化学吸引作用；二硫化HMGB1通过MD-2途径刺激细胞因子的产生和影响自噬体的形成；氧化型HMGB1大多累积在细胞质中，HMGB1的氧化状态和分泌动力学决定机体免疫功能，氧化型HMGB1可抑制其他HMGB1形式的细胞因子或趋化因子活性，最终诱导免疫耐受[4]。综上，细胞外HMGB1能刺激及介导炎症反应、参与凋亡和自噬等多种活动。

2 HMGB1受体及信号通路

2.1RAGE 细胞外HMGB1参与了多种不同的受体系统。现已报道的HMGB1受体列表相当广泛， RAGE和TLR4在大量研究中被鉴定为HMGB1特异性受体。RAGE是细胞表面分子免疫球蛋白超家族的多配体成员，具有多种配体库，这些配体包括非酶基糖基化的产物(晚期糖基化终产物、HMGB1、淀粉样β肽和S100家族蛋白等)。RAGE是第1个与HMGB1结合的受体[5]。RAGE在正常生理条件下表达水平较低，但在慢性炎症条件下由于RAGE与多个配体之间的相互作用形成正反馈环上调RAGE，最终导致病理学的改变。此外，有研究证实RAGE在先天性和适应性免疫过程中具有重要作用，包括HMGB1诱导的细胞自噬、免疫反应、黏附和迁移等，均是通过有丝分裂原活化蛋白激酶、核因子(NF)-κB信号通路进行的[6-8]。

2.2TLR TLR属于Ⅰ型跨膜受体家族，信号传导控制细胞增殖、存活、凋亡、血管生成、重塑和组织修复的过程。它是一种保护性受体，可感知损伤相关分子模式分子和病原体相关分子模式分子。HMGB1在配体识别后，可与TLR(TLR2、TLR4和TLR9)相互作用，通过初级反应基因88(MyD88)依赖的NF-κB通路，产生细胞因子和趋化因子，诱导机体发生显著炎症反应[9]。在FENG等[10]研究中，TLR2通过与HMGB1结合激活NF-κB信号通路调节狼疮性肾炎中的肾小球系膜基质沉积。TLR2不仅可促进炎症的发生，还可导致其他免疫疾病的发生。TLR4导致机体的各种炎症，包括肠道炎症、神经炎症和肾损伤等，通过抑制TLR4引导的MyD88/NF-κB信号通路，对其治疗有着不错的效果[11-12]。以往针对TLR9的研究较少，TLR9与HMGB1相互作用并调节心肌损伤的机制尚不清楚。最新的研究发现，TLR9对于心肌梗死的修复至关重要，主要表现在TLR9缺乏不利于心肌梗死后的伤口愈合和瘢痕形成、加重心肌梗死后早期心肌细胞和成纤维细胞凋亡及导致心肌梗死后血管生成不足[13]。

2.3其他受体

2.3.1CXCR4：CXCR4属于趋化因子蛋白家族成员之一，结合其配体时可以触发多种信号通路，这些信号通路协调细胞迁移和造血等，还具有直接促进造血细胞增殖作用。CXCR4的典型配体是CXCL12。全巯基亚型HMGB1与CXCL12形成络合物，随后与CXCR4结合发挥趋化和迁移作用，其趋化性依赖β-arrestin1和β-arrestin2[14]。ZHAO等[15]在缺乏HMGB1的小鼠模型中发现小鼠表现出CXCL12/CXCR4的异常表达和RAGE的表达降低，间接证明了HMGB1与CXCR4之间的联系。

2.3.2黏蛋白结构域(TIM)-3：TIM-3是TIM家族的一员，于2002年正式被发现，最初发现它在Th1表面表达，后来陆续发现在其他免疫细胞中也有表达。TIM-3作为负性调节因子，与配体半乳糖凝集素-9结合，可以介导Th1细胞凋亡[16]。TIM-3配体包括磷脂酰丝氨酸、HMGB1及最新的癌胚抗原相关细胞黏附分子。有研究表明，脓毒症诱导的免疫抑制患者CD4+ T淋巴细胞上免疫球蛋白和TIM-3的表达显著升高；此外，脓毒症患者中TIM-3 CD4+T淋巴细胞的百分比与脓毒症诱导的免疫抑制病死率相关，CD4+T淋巴细胞中TIM-3条件缺失和全身性TIM-3缺失都能降低小鼠脓毒症的病死率[17]。因此，通过阻断TIM-3可能会为自身免疫性疾病、慢性病毒感染和肿瘤治疗提供一条新的思路[18]。

2.3.3热稳定抗原24(CD24)：CD24是一种糖基化的糖基磷脂酰肌醇锚定表面蛋白，于1978年首次被发现，其与多种损伤相关分子模式相关，如HMGB1和核仁蛋白等。现关于CD24的报道较少，在SONG等[19]的研究中，可溶性CD24可以通过与细胞外HMGB1和热休克蛋白结合减轻损伤相关分子模式诱导的广泛炎症反应，并帮助其恢复免疫稳态，从而促进严重急性呼吸系统综合征治疗的进一步发展。

2.3.4结合珠蛋白(HP)：HP是一种分子量为100 kDa的酸性糖蛋白，分子由2对肽链(α链与β链)共同形成α2β2的四聚体。HP首先在肝脏中产生，随后作为急性期蛋白分泌到循环中，与HMGB1形成复合物刺激巨噬细胞血红素氧合酶-1释放，并以CD163依赖的方式诱导IL-10的产生，同时对HMGB1在脓毒症中的致死性具有显著保护作用[20]。此外，脓毒症诱发的高血清 HMGB1 水平和低血清HP水平的患者可能具有较差的长期预后[21]。因此，抑制HP水平可能代表了一种新方法，用于治疗由HMGB1过度释放引发的各种炎症性疾病。综上，加深对参与HMGB1相关信号通路受体的理解，有助于进一步研究HMGB1在多种疾病中的作用，以便后期对疾病进行进一步研究及治疗。

3 HMGB1与脓毒症及其相关急性肾损伤

3.1脓毒症 有研究发现，靶向给予HMGB1抗体的小鼠，内毒素血症、盲管结扎和穿刺诱导脓毒症模型生存率均明显提升，其对二次感染也表现出一定的抵抗力，表现出先天免疫细胞表型和细胞因子反应，阻断HMGB1可能有助于抑制脓毒症中炎症信号的强度，使患者对进一步的治疗性免疫调节更敏感，同时靶向给予HMGB1抗体治疗也对早期炎性因子有一定的影响[22]。HMGB1抗体治疗脓毒症可能通过控制疾病急性炎症期及通过恢复免疫稳态和功能来进行，从而提高短期生存率。现阶段靶向给予HMGB1抗体治疗脓毒症的策略主要用于革兰阴性菌感染，在革兰阳性菌脓毒症的研究中，部分研究表明HMGB1抗体在革兰阳性菌引起的脓毒症条件下也能获得成功[23-24]。靶向给予HMGB1抗体的方法已经证明在革兰阴性菌引起的脓毒症模型中降低了病死率，但HMGB1阻断对复杂的脓毒症和革兰阳性菌引起的脓毒症炎症微环境影响仍然需进一步的研究。

3.2脓毒症相关急性肾损伤

3.2.1炎症风暴：肾脏为脓毒症最常见的累及器官之一，脓毒症相关急性肾损伤具有较高的致死率。脓毒症引起急性肾损伤的主要机制是细菌内毒素释放到循环中，激活肾脏中相关的炎症级联反应，最终导致肾损伤。NF-κB作为一种经典的炎症信号传导途径，通过多种炎性因子和趋化因子产生和分泌，在炎症和免疫的调节网络中发挥关键作用。WEI等[25]研究表明，通过沉默信息调节因子1介导的HMGB1脱乙酰化可降低血清尿素和肌酐水平、减轻肾脏细胞凋亡等，随后抑制下游炎症信号传导，增加脓毒症模型小鼠的存活时间。一方面，通过HMGB1自身的拮抗可以改善其存活率；另一方面，通过抑制HMGB1相关炎症通路(RAGE/TLR)也能改善其存活率。

3.2.2组织细胞凋亡及自噬：脓毒症相关急性肾损伤是由免疫增强到免疫抑制的过程，往往伴随着组织细胞凋亡和自噬。众多药物研究表明，托达洛内酯、乌利司他汀、血栓调节素等药物能通过靶向抑制HMGB1/TLR/NF-κB通路缓解脓毒症相关急性肾损伤中炎症及凋亡指数，包括Bax/Bcl-2比值降低、Caspase3指标上调，明显减轻脓毒症引起的急性肾损伤[26-28]。此外，有文献报道，重整注射液及其有效成分叶黄酮苷通过抑制HMGB1的分泌和易位，以及HMGB1介导的TLR4/NF-κB/MAPKs信号通路的激活来预防脓毒症，并表现出显著的保护作用[29]。自噬方面，丙酮酸乙酯在CaCl2条件下通过抑制HMGB1与Beclin-1的结合下调细胞自噬水平，从而减轻肾小管上皮细胞损伤[30]。综上，HMGB1可通过调节细胞凋亡和自噬水平改善肾细胞损伤程度以及预防和延缓肾损伤。

3.2.3免疫调节：尽管引起脓毒症的病因不尽相同，但重症患者均表现为严重免疫抑制状态，然而其诱导免疫抑制的机制现仍未阐明。起初CHEADLE等[31]研究报道，脓毒症创伤患者出现了显著淋巴细胞减少。后续脓毒症患者淋巴细胞减少开始引起越来越多的关注[32-33]。有学者报道脓毒症诱导凋亡导致B细胞和CD4+T淋巴细胞的耗竭[33]。而HMGB1可通过与免疫细胞表面受体结合影响其增殖、分化和成熟。有研究显示，HMGB1刺激人外周血T淋巴细胞48 h后，能明显抑制T淋巴细胞增殖，同时能诱导T淋巴细胞免疫功能出现Th1优势向Tp优势偏移[34]。此外，有研究发现脓毒症患者中TIM-3 CD4+T淋巴细胞的百分比与脓毒症诱导免疫抑制的病死率相关[19]。HMGB1作为其配体，可能参与其调控。有学者进一步研究RAGE在Treg上的表达，发现RAGE表达明显高于常规T淋巴细胞，HMGB1和RAGE相互作用后Treg功能明显增强，但HMGB1对不同T淋巴细胞亚群功能的影响仍不明确[35]。免疫细胞凋亡方面，有学者发现抑制HMGB1-PTEN信号传导可有效降低T淋巴细胞凋亡率，增加T淋巴细胞增殖活性，增强脓毒症患者单核细胞功能[36]。另有研究显示，脓毒症大鼠中血清HMGB1水平升高对细胞免疫功能障碍有显著影响，其机制尚不明确[37]。综上，脓毒症患者体内存在长期的免疫功能紊乱，HMGB1及其受体能否有效调节免疫细胞功能和凋亡，通过检测相关下游通路探索其调控机制将是现阶段的研究热点。

4 小结

HMGB1是一种丰富的结构染色体蛋白，具有多种生物学功能，在细胞核内参与DNA复制、转录和翻译等,还参与维持核小体的完整性，对生命活动不可或缺[38-41]。脓毒症是一种由感染引起的危及生命的免疫障碍和器官功能障碍[42-44]，脓毒症引起的急性肾损伤最为常见，脓毒症患者体内长期持续的炎症反应及免疫功能紊乱是其病死率较高的最主要因素。现大多数学者对其研究方向聚集于下调HMGB1水平或抑制其相关信号通路，减轻炎症风暴、改善组织受损程度，但单一减轻脓毒症患者炎症反应，对其致死率影响相对较小，现有的研究虽表明HMGB1对免疫细胞具有调控作用，但机制却不明确。因此，从免疫紊乱角度出发，探索HMGB1对脓毒症患者免疫功能的调节机制可能会是将来的研究热点之一。