高迁移率族蛋白1在抑郁症发病机制中的作用及临床应用进展

徐张扬,潘子筠,唐佳玲综述,苏文君审校

0 引 言

抑郁症是一类常见的心境障碍,其主要临床表现为持久而显著的情绪低落、兴趣缺乏、意志减退等,严重时可导致自杀[1]。据世界卫生组织报道,抑郁症是当今世界首要致残原因,是构成全球疾病负担的主要因素。流行病学资料表明,目前全球抑郁症患者约2.8亿,我国人群的抑郁症终生患病率约为3.4%,并且呈现持续攀升态势[2]。然而,抑郁症的发病机制仍未明确,诊疗现状不容乐观,约有2/3患者在首次接受经典抗抑郁药治疗后无法获得临床缓解。近来研究表明,神经炎症可能在抑郁症的病理生理机制中发挥重要作用,多种炎症因子被证实与抑郁症的发生发展及诊疗预后密切相关[3-4]。高迁移率族蛋白1(high mobility group box-1,HMGB1)是一种非组蛋白染色体结合蛋白,已被报道在多种中枢神经系统疾病的神经免疫机制中发挥重要作用[5-7],提示其可能参与抑郁症的发生发展。本文就HMGB1在抑郁症炎性发病机制及临床诊疗应用研究中的进展作一综述。

1 HMGB1

1.1 HMGB1的结构与功能1973年,Goodwin等[8]首次在牛胸腺中发现了高迁移率族蛋白(high mobility group,HMG)。2001年,Bustin[9]根据其功能将HMG家族分为三类:HMGA、HMGB和HMGN。其中,HMGB进一步分为HMGB1、HMGB2和HMGB3。HMGB1序列高度保守,几乎存在于所有真核细胞的细胞核中。人HMGB1是一种含有215个氨基酸残基的非组蛋白的核蛋白,其结构主要由三部分组成:两个带正电荷的DNA结构域,分别为A区(9-79)和B区(95-163),以及一个酸性C末端(186-215)[10]。其中,A区和B区由三个α螺旋和两个呈“L”形环组成,B区主要发挥促炎作用,而A区可以竞争性拮抗HMGB1与受体结合,起到抑制炎症因子释放的作用[11];此外当A区与酸性C末端融合时,抑炎作用得到增强。

HMGB1分子包含三个半胱氨酸残基C23、C45、C106,均为转录后修饰位点,这三个位点不同的氧化还原状态在炎症的激活中发挥不同的作用[12]。具体如下:①当三个位点完全还原时,即胞内完全还原型的HMGB1(fully reduced high mobility group box 1,fr-HMGB1),可与CXC趋化因子配体12(CXC chemokine ligand 12,CXCL12)形成复合物后,再与CXC趋化因子受体4(CXC chemokine receptor 4,CXCR4)结合,促进免疫细胞迁移[13];②当C23和C45之间的二硫键部分还原时,即为二硫键型HMGB1(disulfide high mobility group box 1, ds-HMGB1),可与Toll样受体4(Toll like receptor 4,TLR4)结合触发炎症反应[14];③一般认为,完全氧化的HMGB1不具有趋化因子或细胞因子活性,是HMGB1的失活状态[15]。

1.2 HMGB1的分泌一般而言,正常生理状态下,HMGB1作为分子伴侣在细胞核内对基因组的稳定和正常的重组、修复、调节、转录起到重要作用。病理状态下,HMGB1则出胞发挥促炎作用。其分泌途径主要有主动分泌和被动分泌两种。当固有免疫细胞受到应激因素刺激时,可激活赖氨酸残基经酪氨酸激酶/转录活化蛋白1(janus tyrosine kinase/Signal transducer and activator of transcription 1,JAK/STAT1)通路,从而乙酰化HMGB1上NLS的赖氨酸残基,进而使得HMGB1通过分泌性溶酶体、微粒和外泌体等胞吐作用分泌出胞,同时也阻止HMGB1重新进入细胞核内,此过程大约历时8 h[16]。相较于历时较长的主动释放过程,被动释放则相对较快,当细胞发生坏死、凋亡、程序性死亡时,细胞内质膜和细胞膜破裂,从而使得HMGB1被动释放出胞。通过上述主动和被动途径分泌到胞外的HMGB1,作为损伤相关分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)的重要成分,可进一步结合Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)或晚期糖基化终产物受体(receptor of advanced glycation endproducts,RAGE),产生炎症反应的级联放大效应,引起更多炎症因子和炎性介质的释放[16]。

2 HMGB1参与抑郁症的病理生理机制

抑郁症的经典发病机制假说主要包括单胺神经递质紊乱、素质-应激模型、下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴功能紊乱、神经营养因子缺乏等,但基于这些假说的相应疗法目前仍然无法取得满意疗效。此后有研究报道,接受干扰素-α(Interferon-α,IFN-α)治疗的肝病患者常伴心情沮丧、意志减退、疲倦感强等类似抑郁症的临床表现[17]。该现象引发学者关注,继而提出抑郁症发病的“细胞因子假说”,认为中枢及外周炎性细胞因子紊乱与抑郁症的病理生理机制密切相关[18-20]。前文已述,当机体细胞受到应激刺激或死亡时,将以主动或被动的方式释放HMGB1,进而引发炎症反应,介导相关疾病的发生。有研究报道,无论是在LPS诱导的急性应激致抑郁模型还是在CUMS构建的慢性应激致抑郁模型中,小鼠海马组织中HMGB1从细胞核向细胞质的易位增加,细胞外HMGB1表达增多[21]。此外,在小鼠侧脑室注射ds-HMGB1和fr-HMGB1可诱导抑郁样行为,而HMGB1的天然抑制剂甘草酸可缓解实验鼠的抑郁样行为[22]。依据现有的研究结果,本文总结了HMGB1介导抑郁症的三种可能的作用机制,见图1。

图1 HMGB1参与抑郁症的病理生理机制假说图Figure 1 Schematic representation of the main pathophysiological mechanisms of HMGB1 involvement in depression

2.1 HMGB1-TLR在抑郁症发病中的作用Toll样受体是先天性免疫系统的模式识别受体,主要结构为富含亮氨酸的重复序列(leucine rich repeat,LRR)组成的N-末端胞外配体结合结构域、单个跨膜片段和C-末端Toll/白细胞介素-1受体(Toll/Interleukin-1 receptor,TIR)同源结构域[23]。当胞外LRR结构域识别到病原体相关分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)或DAMPs时,胞内TIR结构域通过与衔接蛋白,主要为髓样分化应答蛋白88、含TIR结构域的衔接诱导干扰素β相互作用,激活下游信号通路,产生白细胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)等炎性细胞因子[24]。大量研究表明TLR在抑郁症的发生发展中起到了重要的作用[25]。临床研究发现,相较于健康人群,抑郁症患者血液中TLR表达上升[26-27],尤其是TLR3和TLR4;在接受抗抑郁治疗后,TLR表达有所下调的同时抑郁症状显示得到改善[28]。另有研究报道,LPS和CUMS致抑郁动物模型中,HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路相关分子均明显上调,进而促进下游相关炎性介质释放,与抑郁样行为的产生相关[29-30]。Xu等[31]发现,牛蒡甙可通过抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路缓解CUMS诱发的抑郁样行为,体外实验进一步证实其降低了小胶质细胞中HMGB1和TNF-α的含量。

2.2 HMGB1-RAGE途径在抑郁症发病中的作用RAGE是晚期糖基化终产物的一种特征性细胞表面受体,属于免疫球蛋白超家族中的一员。RAGE的配体众多,功能广泛,活化后可引起细胞内氧化应激反应,调节蛋白激酶和核因子活性,促进神经系统、心血管系统等疾病发生。Franklin等[32]发现,在CUMS诱发的小鼠抑郁模型中,海马区小胶质细胞中HMGB1 和RAGE的信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRNA)表达上调;流式细胞术结果显示RAGE蛋白在海马区小胶质细胞表面表达增加,且TLR4受体表达无明显变化。此外,在Rage基因敲除小鼠中,注射HMGB1无法产生抑郁样行为。Xie[33]等报道,在CUMS诱导的慢性抑郁动物模型中,HMGB1、RAGE、NF-κB表达均明显上调,且磷酸二酯酶4抑制剂能够有效缓解HMGB1/RAGE介导的抑郁样行为。

2.3 色氨酸-犬尿氨酸代谢(tryptophan-kynurenine,TPR-KYN)途径早在1973年,Lapin等[34]首次报道了TPR-KYN途径在抑郁症病理生理机制中的作用。之后也有相关临床研究报道,抑郁症患者中的犬尿氨酸/色氨酸(KYN/TPR)比例升高[35]。目前,研究人员认为犬尿氨酸途径功能障碍是抑郁症发展中的关键过程,其中吲哚胺-2,3-双加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase,IDO)的激活起到了重要作用[36]。色氨酸在IDO或色氨酸-2,3-双加氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase,TDO)的作用下生成犬尿氨酸,随后通过两条代谢分支在相关酶的作用下生成喹啉酸(quinolinic acid,QUIN)。QUIN作为N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受体的激动剂,能够直接刺激突触末梢释放谷氨酸,同时抑制星形胶质细胞对突触间隙谷氨酸的再摄取,从而产生神经毒性[37]。在CUMS诱发的抑郁模型中,应激模型小鼠海马小胶质细胞中HMGB1去乙酰化作用增加,HMGB1和sirtuin 1(SIRT1)发生解离,进而导致HMGB1出核量增加,从而干扰KP代谢通路,下游犬尿氨酸单加氧酶(kynurenine-3-monooxygenase,KMO)和犬尿氨酸酶(kynureninase,KYNU)的表达也有所增加[38]。此外,经由丙酮酸乙酯(ethylpyruvate,EP)处理后,HMGB1的释放受到抑制,小鼠抑郁样行为有所改善,且KP通路相关酶活化减少[39]。

3 HMGB1是抑郁症的潜在诊疗靶点

目前,抑郁症的临床治疗以药物治疗、物理治疗和心理行为治疗等为主。对于轻度抑郁障碍的患者,依靠心理行为治疗能够缓解抑郁症状。然而,在中重度抑郁障碍患者中,药物治疗与物理治疗仍是目前无法替代的主要手段[40-41]。

如前所述,以HMGB1为核心的无菌性炎症反应参与抑郁症的病理生理过程,因此靶向HMGB1的拮抗剂可作为抑郁症抗炎药物的研究方向之一。Hisaoka等[42]发现抗HMGB1单克隆抗体能够减少小鼠海马小胶质细胞的激活,并且缓解由慢性疼痛导致的抑郁样行为。Lian等[43]发现GZA可改善由中枢直接注射ds-HMGB1引起的抑郁样行为,同时降低TNF-α等炎性细胞因子的表达。Wang等[39]发现EP和GZA可通过阻断HMGB1的活性与释放,从而下调IDO、KMO和KYNU的表达,最终改善HMGB1介导的小鼠抑郁样行为。笔者所在的课题组开展了GZA抗抑郁效果的临床试验,发现在随机对照临床试验中对抑郁症患者进行炎症筛查、分型并联用GZA等广谱抗炎药物,可在一定程度上提升经典抗抑郁药的治疗效果[44]。

临床实践中,抑郁障碍往往和其他疾病共同发生或者伴随发生,作为一种关键的炎症相关生物标志物,HMGB1在抑郁症或与其他疾病共病的患前预测中起到重要的提示作用。无论是否接受过药物干预,重度抑郁症(major depression disorder,MDD)患者血清中HMGB1的含量均较健康人群显著升高,ROC曲线下面积(area under curve,AUC)的分析结果提示:HMGB1可作为有效的MDD诊断生物标志物,且其含量与抑郁症状的严重程度呈正相关[45]。Sharafkhah等[46]发现,多发性硬化症患者的抑郁水平和血清HMGB1含量呈正相关,提示血清HMGB1含量能够有效预测多发性硬化症和抑郁症的共病率。Shan等[47]研究发现急性缺血性卒中后患者循环HMGB1水平可预测卒中后3个月的抑郁发生。

4 结语与展望

综上所述,当机体遭遇应激刺激后,小胶质细胞处于激活态,通过JAK/STAT1通路上调STRT1促进HMGB1乙酰化出核,后者主要通过主动分泌方式经由神经免疫细胞释放。此时,HMGB1作为DAMP,一方面通过PRRs(RAGE,TLR4,CXCR4)反作用于神经免疫细胞或神经元内相关信号分子(ERK,MAPK,MyD88),进而激活NF-kB信号通路,产生更多的炎性因子(TNF-a,IL-1b,IL-6),形成体内慢性炎症状态。另一方面,HMGB1可以通过干扰KP上游代谢通路,增强IDO的活性,使得Trp倾向于转化为KYN、中枢5-HT含量不足,从而诱发抑郁样行为。此外,HMGB1还通过增强小胶质细胞中KMO、3-HAO等KP下游代谢酶活性,造成小胶质细胞和星形胶质细胞内KYN代谢途径失衡使得具有神经毒性的QUIN增加,导致抑郁症的发生。

然而,上述通路仍有一些上下游环节尚未明确。例如,应激刺激是通过何种机制诱发HMGB1出核并发挥生物学功能的,以及HMGB1的氧化还原状态是如何受应激刺激调控的。与此同时,在针对HMGB1进行抗抑郁治疗方面,尽管有部分天然化合物和祖国医药的研究报道,但高等级临床证据匮乏,鲜有的临床试验还存在样本量不够大、随访时间较短、未获得多中心验证等不足。未来,除应用现有的HMGB1抑制剂,或许还可从HMGB1单克隆抗体、HMGB1受体拮抗剂,以及研发可调节HMGB1氧化还原状态及出核出胞的小分子药物等方面着手,探索靶向HMGB1进行抗抑郁治疗的“最优解”。总之,HMGB1在抑郁症发生发展的病理生理机制中发挥关键作用,对完善和改进当前临床诊疗方案具有重要意义,值得相关学者进一步研究和关注。