HMGB1在肿瘤转移中的作用及其机制的研究进展

陈艳美 综述 贺福初,2 林成招 审校

1.复旦大学生物医学研究院系统生物学实验室，上海 200032；

2.军事医学科学院放射与辐射医学研究所北京蛋白质组研究中心，蛋白质组学国家重点实验室，北京 102206

侵袭和转移是恶性肿瘤的重要生物学特性，是威胁肿瘤患者生命的重要因素［1］。肿瘤转移是一个多步骤演进的复杂过程：首先肿瘤细胞脱离原发灶，侵袭邻近组织，而后进入血液和淋巴循环，通过转运，溢出血管驻留于靶器官，并生长增殖形成转移灶［2］。转移和肿瘤细胞的生物学特征密切相关，此外，还涉及细胞外基质水解、新生血管形成和炎性微环境等［3］。目前，出现的各种肿瘤相关分子指标因特异度和灵敏度的限制作为临床常规应用的并不多。因此，寻找新的肿瘤转移、复发标志物具有重要的临床意义。近年来，研究表明高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1，HMGB1)在多种肿瘤细胞和组织中高表达，增强肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移，促进肿瘤的发展及其转移，提示HMGB1有可能成为治疗肿瘤转移的潜在靶标。

1 HMGB1的结构与功能

HMGB1是细胞内一种含量丰富的非组蛋白染色体结合蛋白，由215个氨基酸组成，在进化过程中高度保守，含有2个同源性DNA结合区(box A和box B)及一个酸性C末端区，box B是其发挥促炎症作用的关键结构［4］。HMGB1自身不是转录因子，但与DNA有较高的非特异性亲和力，可以稳定核小体结构，参与DNA复制、转录和修饰，调节类固醇激素受体、核因子-kB (nuclear factor-kappa B，NF-kB)、p53等蛋白的转录［5］。

在一定条件下，HMGB1可以被分泌至细胞外参与信号调控，通过其box B与晚期糖基化终末产物受体(advanced glycation end productspecific receptor，RAGE)结合介导炎症反应［6］。HMGB1可成为一种控制炎性的靶标分子， 由损伤或坏死的细胞被动释放，启动早期炎症反应；由脂多糖(LPS)、肿瘤坏死因子α (TNFα)或白介素1β (IL-1β)刺激活化的免疫细胞(包括单核/巨噬细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞等)主动分泌，促进晚期炎症反应［7］。对小鼠巨噬细胞RAW264.7的分析发现，LPS首先活化p38/(MAPK)丝裂原活化蛋白激酶和NF-κB信号通路，之后活化CBP (CREB结合蛋白，CREB为cAMP反应元件结合蛋白：cAMP-response element binding protein)，CBP乙酰化HMGB1使之分泌，活化的NF-κB可以增强HMGB1的转录［8］。

早期对HMGB1的研究主要是作为一种重要的晚期炎症介质介导脓毒症的病理过程，此作用依赖于干扰素β(IFN-β)介导的JAK/STAT信号通路［9］。迄今发现HMGB1还参与自身免疫性疾病(如关节炎等)［10］、肿瘤［5］、缺血再灌注损伤［11］等多种非感染性炎症疾病的病理过程。此外，HMGB1具有抗凋亡作用，p53/HMGB1复合物可以调节肿瘤细胞的自噬和凋亡，介导肿瘤细胞自噬［12］。在正常细胞内HMGB1主要分布于细胞核，细胞质中含量很低，但在肿瘤细胞的胞质中表达量升高，还可分泌至细胞外，参与肿瘤的发生、发展［13］。

2 HMGB1与肿瘤

HMGB1在多种肿瘤细胞中高表达，尤其是上皮细胞源性肿瘤。研究证实，HMGB1在结肠直肠腺癌、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、宫颈癌、胃癌、肝癌、白血病等多种癌症中表达上调［5］。临床样本分析表明，HMGB1在肝细胞癌中的表达量高于肝炎、肝硬化和正常人肝组织，可能成为预测肝细胞癌和评估肿瘤进程的分子标志［14］。质谱分析显示，HMGB1在结肠癌细胞系HCT16胞质中的结合蛋白主要与细胞周期、增殖、抗凋亡、血管再生、转运以及分泌相关，说明其可能通过结合一系列与肿瘤进程相关的蛋白起作用［13］。

HMGB1通过多种机制影响肿瘤进程［5］：通过AKT(丝氨酸/苏氨酸激酶)、MAPKs和NF-κB通路使肿瘤细胞自给生长信号；调节pRb和细胞周期蛋白(cyclin)的表达使之不敏感于生长抑制信号；促进血管内皮生长因子(VEGF)的分泌维持血管生成；与RAGE相互作用，增强金属基质蛋白酶的表达而促进肿瘤的侵袭和转移；维持端粒的长度而保持无限的复制潜能；诱导TNF、IL-1和IL-6等炎性因子的释放，维持肿瘤炎性微环境；调节CD95、Caspase(半胱天冬酶)、C-IAP(C-凋亡抑制因子)和 Bcl-2(B细胞淋巴瘤蛋白2)等凋亡相关因子的表达使肿瘤细胞逃避凋亡；与p53、p76、Rb蛋白及Rel/NF-κB家族成员中的转录因子相互作用，增强其活性，加速肿瘤进程。

3 HMGB1与肿瘤转移

HMGB1的过表达可以促进多种恶性肿瘤的侵袭。坏死的肿瘤细胞能够释放HMGB1，诱导慢性炎症微环境，有利于肿瘤细胞的存活、生长与转移。对转移性结直肠癌细胞系的分析发现，E-选择素(E-selectin) 可以促进HMGB1释放，而释放的HMGB1又可活化内皮细胞表达E-选择素，进而形成一种循环机制，维持胞外高浓度的HMGB1［15］。T淋巴瘤侵袭转移因子1(Tiam1)在结直肠癌细胞系HT29中可以上调HMGB1的表达，这有助于阐释Tiam1促结肠癌转移的机制［16］。饮食中的亚油酸和葡萄糖可通过HMGB1的表达加强氧化偶氯甲烷诱导结肠癌及其转移［17］。

3.1 HMGB1促转移的相关受体

HMGB1的受体主要有RAGE、Toll-样受体 (TLR) 2、TLR-4和TLR-9［5］，其中RAGE在肝细胞癌、结直肠癌、前列腺癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤中表达量上调，参与肿瘤转移信号通路的主要有RAGE和TLR-4［6］。最新的实验表明在正常大鼠的各种组织中，HMGB1和RAGE蛋白以可溶形式存在，而在Guerin腹水肿瘤细胞中，主要形成不溶性的细胞膜结合复合物，说明在癌细胞中两者存在更强的相互作用［18］。在G6成神经瘤细胞中表达胞内结构域缺失型的RAGE或可溶性的RAGE能够阻断HMGB1-RAGE信号通路，抑制p44/p42、p38和胁迫相关蛋白(SAP)/JNK等MAPKs的活化，进而抑制肿瘤生长和转移［19］。HMGB1的C-端RAGE结合基序由150~183个氨基酸残基组成，在体外可竞争性结合RAGE，抑制HMGB1-RAGE相互作用，减弱肿瘤细胞侵袭和迁移能力；体内合成的相应肽段和B16-F1黑色素瘤细胞温育后注射裸鼠尾静脉，可减少肺转移节结数目［20］。组织缺氧环境下释放的HMGB1通过TLR4/RAGE信号通路产生IL-1β和IL-18等炎性介质，诱导炎症反应促进肝细胞癌的侵袭和转移［21］。

3.2 HMGB1改变细胞性能促转移

高表达的HMGB1能够影响肿瘤细胞的生物学特性。RNA和蛋白水平的验证均表明HMGB1和RAGE正调节肝癌细胞Huh7中NF-κB和p65的表达量，促进癌细胞增殖，干扰RAGE的表达可抑制Huh7细胞的生长［22］。研究表明沉默HMGB1基因可影响胃癌细胞MGC-803的增殖和凋亡。使用慢病毒转染技术特异性干扰HMGB1的表达，MGC-803细胞增殖能力减弱，停留在G0/G1期的细胞数目增加，cyclin D1的表达量降低，且caspase-3活性增强，对草酸铂诱导的凋亡更为敏感［4］。HMGB1-RAGE的相互作用可以激活NF-κB、磷脂酰肌醇3激酶 (PI3K)/Akt和MAPK信号通路［4］，NF-κB是cyclin D1的重要调节因子，HMGB1活化NF-κB后，还可以上调NF-κB的抗凋亡靶基因，如C-IAP2，促进肿瘤生长［23］。最新研究表明，p53/HMGB1复合物直接相互作用调节癌细胞自噬和凋亡水平［24］。

HMGB1是调节细胞迁移、侵袭的重要介质，在转移性肝癌细胞HCCLM3中干扰其表达后，可抑制细胞的生长、迁移和侵袭［25］。卵巢癌细胞系SKOV3的两个子细胞系S1和S21，在侵袭能力强的S1细胞系中HMGB1的表达量高于侵袭能力弱的S21细胞系，且在S1中稳定干扰HMGB1后，细胞G0/G1期阻滞增强，cyclin D1和增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)的表达量降低，上调Bax同时下调Bcl-2促进细胞凋亡［26］。人结肠癌细胞释放的HMGB1可抑制树突状细胞的活性，破坏宿主抗肿瘤免疫能力，进而促进结肠癌的淋巴结转移［27］。

3.3 HMGB1调节细胞外基质降解促转移

基质金属蛋白酶-9(MMP-9)是降解细胞外基质的关键酶。在肝癌细胞中RAGE与MMP-9的表达量及细胞的转移能力正相关，siRNA干扰RAGE，细胞的侵袭能力和MMP-9的表达量均受抑制［28］。沉默HMGB1，胃癌细胞系MGC-803的MMP-9表达量降低，细胞迁移能力减弱［4］。敲除HMGB1后卵巢癌细胞系S1的MMP-2和MMP-9表达量降低，抑制其侵袭和转移［26］。大多数细胞的MMP-9的基底水平较低，细胞因子处理可以活化胞内信号通路和转录因子NF-κB，诱导MMP-9的表达。在非小细胞肺癌细胞系中，HMGB1通过活化PI3K/Akt、NF-κB信号通路诱导MMP-9表达，促进侵袭，分别使用PI3K/Akt、NF-κB的抑制剂可抑制HMGB1对MMP-9的诱导作用；而干扰HMGB1，该细胞内MMP-9的表达量降低，细胞迁移能力减弱［29］。

3.4 HMGB1调节血管新生促转移

肿瘤的快速生长常伴随着微血管密度的降低，导致组织缺氧和区域性坏死，促进血管生长因子的表达，诱导血管生成，促使肿瘤恶化。研究发现，HMGB1可以作为一种促血管生长因子，通过受体RAGE、TLR2和TLR4活化NF-κB，上调白细胞黏附分子，并诱导造血细胞和内皮细胞产生促炎症细胞因子和血管生成因子，进而促进炎症反应和血管生成［30］。最新研究发现， HMGB1过表达能够增强内皮细胞的血管生成能力，HMGB1在体内外均可促进VEGF和血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF) 信号通路分子的表达，同时伴随着MMP、整合素(integrins)和NF-κB表达量的增加，而通过敲除或抗体介导的HMGB1功能缺失，可以抑制癌细胞的迁移和内皮细胞的生长［31］。在HCCLM3肝癌细胞中干扰HMGB1的表达，可以降低NF-κB和VEGF-C的表达量［25］。在伤口愈合的过程中，HMGB1介导TLR4依赖的血管生成［32］。HMGB1可能通过促进一些血管生成因子，如VEGF、TNF的生成与分泌诱导血管新生，加速肿瘤转移。

3.5 HMGB1调节炎性微环境促转移

2009年，Mantovani［1］提出炎症微环境为肿瘤的新特征，炎症微环境为肿瘤细胞的侵袭和转移创造了有利的条件，转移不仅依赖于肿瘤细胞的固有特征，还有赖于肿瘤微环境中的各种因子。活化的白细胞可释放HMGB1至微环境，NK和T细胞等免疫效应器对人黑素瘤细胞的降解依赖于HMGB1［33］。HMGB1可以促进内皮细胞的活化、树突状细胞的成熟、基质生成，募集和活化天然免疫细胞，刺激炎症因子的释放，最终导致慢性炎症反应［34］。研究表明，巨噬细胞中HMGB1通过RAGE活化p38和NF-κB促进Pro-IL-1β和Pro-IL-18的合成［35］。另有研究表明，肿瘤组织中的缺氧环境可诱导HMGB1的释放，而后通过TLR4/RAGE受体通路活化caspase-1，产生包括IL-1β和IL-18在内的活性炎性介质，诱导炎症反应，促进小鼠肝细胞癌Hepa1-6的侵袭和转移；采用裸鼠尾静脉注射表达荧光蛋白的肝癌细胞建立肝癌肺转移模型，结果表明稳定干扰HMGB1的细胞株侵袭和转移能力减弱［21］。

以上研究均已证实HMGB1是一种促肿瘤因子，但是部分抗肿瘤药物的治疗作用却也依赖于HMGB1，这主要表现在其免疫调节作用。DNA烷基化治疗依赖于HMGB1活化的天然免疫系统使肿瘤衰减，HMGB1缺陷肿瘤不能募集巨噬细胞、中性粒细胞、NK细胞等天然免疫细胞至治疗的靶向肿瘤组织，且IL-4、IL-10和IL-13表达升高。在对荷瘤裸鼠的抗肿瘤治疗中发现，有效的化疗及放疗反应依赖于HMGBl诱导的TLR4信号通路［36］。此外，最近的研究表明HMGB1作为白血病细胞自噬作用的内源性调节因子，可增强血癌细胞的化疗抵制性［37］。由此可见，HMGB1在肿瘤的发生、发展和治疗中具有双重效应，这主要依赖于其不同的功能。

4 结语

肿瘤侵袭和转移的分子机制是当今肿瘤研究的热点之一，HMGB1是近年发现的与肿瘤侵袭、转移密切相关的非组蛋白染色体结合蛋白，在多种易转移性肿瘤中高表达，并促进转移。但其促肿瘤发生、发展的机制尚未明确。

综上所述，HMGB1作用具有双向性：一方面，HMGB1调控肿瘤相关基因的表达，影响肿瘤组织局部微环境，促进肿瘤血管新生，为肿瘤的生长、转移提供有利条件，调节癌细胞的自噬作用改变其抗药性；另一方面，被抗肿瘤药物处理濒死的肿瘤细胞会分泌HMGB1，由其与TLR2或者TLR4相互作用激发抗肿瘤免疫反应，增强抗肿瘤药物的疗效。HMGB1在肿瘤的不同阶段表现出不同的功能特征，其作用如何转换，在肿瘤治疗中如何把握好这一双重功能，都有赖于对其作用机制的深入探讨。随着这些问题的明晰，HMGB1将可能成为预测和评估肿瘤进程的分子标志以及治疗靶点。

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