HMGB1 与脂肪组织炎症①

张国俊　于莉莉　宋向凤

(新乡医学院基础医学院免疫学教研室；河南省分子诊断与医学检验技术协同创新中心，新乡453003)



HMGB1 与脂肪组织炎症①

张国俊于莉莉宋向凤

(新乡医学院基础医学院免疫学教研室；河南省分子诊断与医学检验技术协同创新中心，新乡453003)

①本文受国家自然科学基金项目(81500675)、河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A310016)和新乡医学院重点领域招标课题项目(2013ZD106)等资助。

高迁移率族蛋白 B1(High mobility group box 1，HMGB1)是20世纪70年代发现的一种蛋白质，因其在电泳时迁移率高而得名[1]。HMGB1是一种高度保守的单链多肽，含215个氨基酸残基，分子量约30 kD，普遍存在于哺乳动物细胞中。早期研究表明，HMGB1是一种非组蛋白核蛋白，在核内能够识别和结合DNA，参与DNA的转录、复制、修复以及细胞运动等[2]。近年来研究认为，HMGB1还是一种重要的胞外损伤相关分子(Damage-associated molecular pattern，DAMP)，在细胞外发挥细胞因子的功能[3]，可以启动固有和适应性免疫应答，参与神经系统炎症、肿瘤和自身免疫病等急慢性炎症的发生过程[4-6]。

近年来，全世界范围内肥胖及其相关疾病的发病率逐年增高。肥胖的发生是脂肪组织在机体皮下及内脏组织过度积蓄导致的。脂肪组织不仅是能量储存的重要器官，也是重要的内分泌器官和免疫器官，在炎症和免疫中发挥重要作用。脂肪组织或细胞可产生并释放几十种脂肪因子，包括HMGB1。这些脂肪因子广泛参与调节糖类和脂类代谢，因此可以认为是联系肥胖和代谢紊乱的桥梁，尤其是糖尿病的发生，目前认为和脂肪组织在内脏器官的过量集聚有着密切的联系。肥胖所诱导的脂肪组织局部甚至全身的慢性低度炎症状态已经得到公认，但其发生机制还未完全阐明。目前研究显示脂肪细胞可以产生HMGB1，在炎症的发生发展中发挥着至关重要的作用。本文综述近年来HMGB1与脂肪组织炎症的研究进展。

1　HMGB1的分布与释放

HMGB1最初是作为一类染色体相关核蛋白而被发现的，后来的研究认为这种保守的蛋白质几乎存在于所有真核细胞中。在细胞核内，HMGB1通过与DNA分子结合而参与DNA的重组和修复，从而维持和稳定核小体的结构，还可调控基因转录等。动物实验显示HMGB1基因被敲除后出生的小鼠仍能存活，但很快就会死亡，因为糖皮质激素受体的失调，不能有效利用肝糖原，这说明 HMGB1是动物生存所必需的[7]。当细胞受到损伤或者坏死后，HMGB1同样可以释放到细胞外环境中。研究发现，HMGB1释放到细胞外，主要通过两种方式：一是激活的巨噬细胞主动分泌，1999年 Wang等[8]用脂多糖(LPS)、TNFα、IL-1刺激巨噬细胞8～32 h，HMGB1从胞核内进入胞质，随后被乙酰化进入囊泡分泌到细胞外，从而发挥炎症因子的作用；二是由坏死的细胞被动释放，当细胞坏死后，HMGB1随着细胞的裂解而被动释放，作为一种DAMP发挥生物学作用[3]。

2　HMGB1的受体与信号转导

目前已鉴定的HMGB1受体有10个以上，如RAGE(Receptor for advanced glycation end products)、TLR2、TLR4、TLR9、TIM-3(T-cell immunoglobulin mucin domain-3)、CXCR4、CD24、Integrin等[3]，其中对RAGE和TLR家族的研究最为深入(图1)。RAGE家族是第一个被鉴定的HMGB1受体，它是一类跨膜蛋白，在正常组织中低表达，与配体结合后会聚集表达[9]。RAGE与HMGB1的结合力较其他配体高7倍，与RAGE结合后不仅可以通过影响NF-κB、AP-1等转录因子的活性来直接影响炎症因子的表达与释放，还能通过促进免疫细胞的成熟和迁移间接调节免疫反应[10]。在狼疮性自身免疫病中，组织坏死和损伤导致HMGB1的释放，可以与血清中包含DNA的免疫复合物结合，通过 RAGE 和TLR9识别而导致自身反应性B细胞的扩展和促进浆细胞样树突状细胞干扰素的分泌，参与自身免疫的发生发展[11]。TLR家族在HMGB1信号通路中起着重要作用。TLR不仅可以识别病原相关分子模式(PAMP)，也能识别警报素家族。TLR2可识别脂蛋白、脂肽、磷壁酸(LTA)及酵母多糖，主要参与细菌和真菌引起的炎症，TLR4 是LPS的受体，TLR9位于胞内器室膜上，其配体为非甲基化的CpG DNA[12]。研究显示，TLR2、TLR4可以与细胞内外的HMGB1结合而发挥生物学作用。TLR2/TLR4 可以通过MAPK调节转录因子 NF-κB 的活性而发挥效应。坏死的细胞分泌HMGB1通过 Cys106 激活 TLR4而诱导炎症反应的发生；而凋亡的细胞释放的 HMGB1中Cys106处于氧化状态，TLR4不能被激活，因此不能诱导炎症反应的发生[13]。TIM-3是Ⅰ型膜受体，主要表达在终末分化的Th1细胞上，在其他的固有免疫细胞(如树突状细胞、NK细胞、肥大细胞、巨噬细胞和单核细胞等)上也有表达[14]。实际上DC表面的 TIM-3 被认为是一个关键的固有免疫识别受体，在核酸/疫苗介导的免疫应答中发挥着重要的调节作用，可负向调节Th1型免疫应答[15]。

3　HMGB1的生物学作用

起初发现HMGB1的主要生物学功能是在细胞核内与DNA结合，参与核小体的稳定与释放、DNA复制和修复、基因转录、VDJ基因重组等过程，在细胞分化成熟等基本生命活动中发挥重要的作用[16]。Tang等[17]的研究发现HMGB1在各种应激条件下，如细胞因子、趋化因子、低氧等，可以从胞核转位到胞浆中，作为一种自噬的正调控因子而发挥作用。胞浆的HMGB1与Beclin-1结合诱导自噬发生以降解受损的细胞器和未使用的蛋白质。目前研究发现HMGB1可以通过两种方式释放到细胞外，即炎症细胞在信号的刺激下主动分泌和坏死细胞的被动释放。这些释放到细胞外的HMGB1可以发挥多种生物学作用，在机体的细胞分化、细胞迁移、组织再生、血管形成、细胞增殖、细胞死亡、细胞衰老等过程中发挥重要的调节作用[18-20]。HMGB1也可以增强巨噬细胞的吞噬能力，促进中性粒细胞的趋化和吞噬作用，调控固有免疫应答杀伤细菌，起到免疫防御的作用。HMGB1可以与RAGE结合调控树突状细胞的成熟和迁移，进而使初始T 细胞活化、增殖和分化，调控适应性免疫应答[21，22]。

总之，HMGB1在机体正常的生理过程中发挥着重要的调节作用，除此之外，HMGB1与病理条件下不同组织不同疾病的发生发展也有着密切的关系[23-25]，如肥胖引起的脂肪组织炎症及胰岛素抵抗。

4　HMGB1在脂肪组织炎症中的作用

4.1肥胖组织中HMGB1的表达肥胖是在机体皮下及内脏组织周围过多地集聚脂肪组织，集聚的脂肪组织可产生及释放多种脂肪因子，这些脂肪因子是联系肥胖与代谢紊乱的桥梁。2010年Lappalainen等[26]首先报道，在人类皮下脂肪组织中，HMGB1基因表达与FTO(Fat mass and obesity-associated gene)表达呈显著正相关，提示HMGB1与肥胖之间有潜在的关联。2013年，Gunasekaran等[27]进一步发现肥胖者与正常体重的个体相比，脂肪组织内HMGB1的表达高出2倍多，与BMI(Body mass index)呈正相关。Wang等[28]同样发现肥胖个体血清中的HMGB1水平升高，而且在糖尿病患者中，肥胖者与非肥胖者相比血清中HMGB1的水平也有显著的差别，这提示脂肪组织的多少可以影响HMGB1的水平。Arrigo等[29]的研究显示肥胖儿童血清中HMGB1的水平是正常组儿童的5倍多，且HMGB1的水平与BMI呈正相关，独立于肥胖相关的炎症因子IL-6之外，因此可作为肥胖及相关的代谢性疾病的诊断标记。最近，Guzmán-Ruiz等[30]的报道中显示肥胖者血液中HMGB1的浓度是正常个体的1.6倍，且与BMI、腰围和CRP呈正相关，与内脏脂肪素和胰岛素敏感性呈负相关。随着肥胖的发生，HMGB1在脂肪细胞中的定位也由细胞核主动转移到细胞浆。

4.2脂肪组织HMGB1的来源利用体外原代培养人体脂肪组织模型检测HMGB1的产生，结果发现在基础状态下脂肪组织可分泌低水平的 HMGB1，而用LPS处理后，HMGB1表达水平升高，炎症因子IL-6和MCP-1的表达同时显著升高，但时间上先于HMGB1。进一步检测发现HMGB1的升高不是由脂肪细胞产生，而是脂肪组织基质细胞产生，且这种产生是由炎症引起而非组织细胞坏死释放，因乳酸脱氢酶(LDH)并无变化[27]。乳酸脱氢酶是机体能量代谢过程中重要的酶，此酶存在于几乎所有的组织中，当组织坏死发生时，该酶即被释放入血，因此检测LDH的含量可以反映组织细胞坏死的程度。进一步用免疫荧光检测发现脂多糖刺激的脂肪组织基质细胞内可见HMGB1核转位现象，从细胞核转移至细胞质，这提示脂多糖诱导HMGB1 表达水平的增高是一个主动分泌的过程。另一研究报道则显示成熟的脂肪细胞被MCM-LPS刺激后能主动释放HMGB1，是对照组的3.1倍，HMGB1从胞核转位到胞浆，但前脂肪细胞则不能产生HMGB1[30]。

4.3HMGB1与胰岛素抵抗胰岛素抵抗是指胰岛素作用的靶器官(肝脏、肌肉和脂肪组织)对胰岛素作用的敏感性降低，导致葡萄糖的摄取和利用效率下降。产生胰岛素抵抗的机制目前尚未完全阐明，但多数学者认为肥胖尤其是中心性肥胖(即脂肪组织在内脏器官如肝脏、肌肉和胰腺等的沉积)是导致胰岛素抵抗的主要原因之一，其可能的机制是脂肪组织局部的炎症导致多种免疫细胞募集，包括巨噬细胞、中性粒细胞、CD4+Th1 细胞、CD8+T 细胞、B细胞、DC细胞、肥大细胞等，这些细胞产生和分泌炎症性细胞因子如TNFα，干扰胰岛素受体的信号转导，从而产生对胰岛素的低反应性。同时，当炎症发生时，细胞可能主动分泌HMGB1或被动死亡导致HMGB1的释放[31，32]。反过来，高浓度的胰岛素又可通过增加胞外HMGB1的浓度而促进细胞的凋亡[33]。这可能会形成一个恶性循环，进一步加重炎症的发生。

4.4干预HMGB1对肥胖的影响HMGB1在急性和慢性炎症中发挥着重要的作用，以HMGB1及其受体为靶点进行干预来调节炎症性疾病的发生发展越来越引起人们的重视[34]。目前的研究发现HMGB1与肥胖有着密切的关系，那么以HMGB1为靶点进行干预会对肥胖产生什么样的影响呢？Montes等[35]对C57BL/6小鼠每周腹腔注射抗HMGB1抗体同时给予高脂饮食16周，结果发现小鼠体重的增加低于对照组，附睾脂肪组织的重量也显著低于对照组，肝脏组织中炎症因子TNF-α和MCP-1的表达明显减少，但对脂肪组织的炎症没有改善。RAGE是HMGB1的一个主要受体，为了探讨RAGE在高脂饮食诱导肥胖及相关性疾病的作用，有研究将RAGE基因敲除，结果发现RAGE的敲除能抵抗高脂饮食诱导的小鼠肥胖，腹腔注射可溶性的sRAGE(100 mg/d)也可抵抗高脂饮食诱导的小鼠肥胖，这提示高脂饮食诱导的肥胖是RAGE依赖型的。进一步的检测发现其机制可能是通过对巨噬细胞极化的影响，RAGE的敲除可以抵抗巨噬细胞向炎症性表型的转变[36]。肥胖是心血管疾病发生的风险因子之一，肥胖的人群有较高的冠状动脉疾病的发生率和死亡率。内皮细胞功能失调是动脉粥样硬化一个早期的事件，但不清楚肥胖是怎样引起内皮细胞功能失调的。肥胖过程中，脂肪组织可以产生多种脂肪因子，内脏脂肪素(简称内脂素)是其中之一。高脂饮食所诱导的肥胖小鼠发现内脂素是增高的，引起HMGB1的释放，进一步引起血管内皮细胞炎症应答，且这种改变是通过RAGE 而不是TLR4起作用。在用HMGB1的抑制剂glycyrrhizin处理后则可阻止内脂素诱导的单层内皮细胞连接蛋白的破坏[37]。Kanellakis等[38]用高脂饮食对ApoE-/-小鼠饲养，同时给予HMGB1抗体，结果发现HMGB1抗体可以减少动脉粥样硬化的形成达55%，其机制是抑制巨噬细胞聚集，减少VCAM-1和MCP-1的表达，同时CD4+细胞和CD11c+的树突状细胞也明显减少。

5　小结和展望

HMGB1作为一种核蛋白和DAMP，在生理和病理条件下的细胞内外均发挥重要的调控作用。近几年的研究提示，HMGB1与肥胖、胰岛素抵抗及其他相关代谢性疾病的发生发展有着密切的联系，目前的研究虽然取得了一定的成果，但仍然存在许多未解决的问题：肥胖如何导致局部甚至全身慢性低度炎症的发生？在脂肪组织中HMGB1诱导产生的分子机制是什么？其发挥作用的受体是什么？有无组织特异性？干预或抑制HMGB1或其受体及信号通路能否在一定程度上来预防或治疗肥胖及相关疾病？因此，HMGB1距离将其作为相关疾病的诊断靶标和干预治疗的手段应用于临床仍任重而道远。

[1]Goodwin GH,Johns EW.The isolation and purification of the high mobility group(HMG) nonhistone chromosomal proteins [J].Methods Cell Biol,1977,16:257-267.

[2]Ueda T,Yoshida M.HMGB proteins and transcriptional regulation [J].Biochim Biophys Acta,2010,1799(1-2):114-118.

[3]Yang H,Wang H,Chavan SS,etal.High mobility group box protein 1(HMGB1):the prototypical endogenous danger molecule [J].Mol Med,2015,21(Suppl 1):S6-S12.

[4]Frank MG,Adhikary S,Sobesky JL,etal.The danger-associated molecular pattern HMGB1 mediates the neuroinflammatory effects of methampheta mine [J].Brain Behav Immun,2016,51:99-108.

[5]Xu Y,Chen Z,Zhang G,etal.HMGB1 overexpression correlates with poor prognosis in early-stage squamous cervical cancer [J].Tumour Biol,2015,36(11):9039-9047.

[6]Pilzweger C,Holdenrieder S.Circulating HMGB1 and RAGE as clinical biomarkers in Malignant and Autoimmune diseases [J].Diagnostics(Basel),2015,5(2):219-253.

[7]Calogero S,Grassi F,Aguzzi A,etal.The lack of chromosomal protein Hmg1 does not disrupt cell growth but causes lethal hypoglycaemia in newborn mice [J].Nat Genet,1999,22(3):276-280.

[8]Wang H,Bloom O,Zhang M,etal.HMG-1 as a late mediator of endotoxin lethality in mice [J].Science,1999,285(5425):248-251.

[9]Huttunen HJ,Fages C,Rauvala H.Receptor for advanced glycation end products(RAGE)-mediated neurite outgrowth and activation of NF-kappaB require the cytoplasmic domain of the receptor but different downstream signaling pathways [J].J Biol Chem,1999,274:19919-19924.

[10]Todorova J,Pasheva E.High mobility group B1 protein interacts with its receptor RAGE in tumor cells but not in normal tissues [J].Oncol Lett,2012,3(1):214-218.

[11]Tian J,Avalos AM,Mao SY,etal.Toll-like receptor 9-dependent activation by DNA-containing immune complexes is mediated by HMGB1 and RAGE [J].Nat Immunol,2007,8(5):487-496.

[12]Trinchieri G,Sher A.Cooperation of toll-like receptor signals in innate immune defence [J].Nat Rev Immunol,2007,7:179-190.

[13]Janko C,Filipovic M,Munoz LE,etal.Redox modulation of hmgb1-related signaling [J].Antioxid Redox Sign,2014,20:1075-1085.

[14]Koh HS,Chang CY,Jeon SB,etal.The HIF-1/glial TIM-3 axis controls inflammation-associated brain damage under hypoxia [J].Nat Commun,2015,6:6340.

[15]Chiba S,Baghdadi M,Akiba H,etal.Tumor-infiltrating DCs suppress nucleic acid-mediated innate immune responses through interactions between the receptor TIM-3 and the alar min HMGB1[J].Nat Immunol,2012,13(9):832-842.

[16]Kang R,Chen R,Zhang Q,etal.HMGB1 in health and disease [J].Mol Aspects Med,2014,40:1-116.

[17]Tang D，Kang R，Livesey KM,etal.Endogenous HMGB1 regulates autophagy[J].J Cell Biol,2010,190(5):881-892.

[18]Jia L,Clear A,Liu FT,etal.Extracellular HMGB1 promotes differentiation of nurse-like cells in chronic lymphocytic leukemia [J].Blood,2014,123(11):1709-1719.

[19]Wang WK,Wang B,Lu QH,etal.Inhibition of high-mobility group box 1 improves myocardial fibrosis and dysfunction in diabetic cardiomyopathy [J].Int J Cardiol,2014,172(1):202-212.

[20]Davalos AR,Kawahara M,Malhotra GK,etal.p53-dependent release of Alar min HMGB1 is a central mediator of senescent phenotypes [J].J Cell Biol,2013,201(4):613-629.

[21]Lee SA,Kwak MS,Kim S,etal.The role of high mobility group box 1 in innate immunity[J].Yonsei Med J,2014,55(5):1165-1176.

[22]Tadie JM,Bae HB,Jiang S,etal.HMGB1 promotes neutrophil extracellular trap formation through interactions with Toll-like receptor 4 [J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2013,304(5):L342-L349.

[23]Gangemi S,Casciaro M,Trapani G,etal.Association between HMGB1 and COPD:a systematic review[J].Mediators Inflamm,2015,2015:164913.

[24]Wang X,Xiang L,Li H,etal.The role of HMGB1 signaling pathway in the development and progression of hepatocellular carcinoma:a review[J].Int J Mol Sci,2015,16(9):22527-22540.

[25]Hu Z,Wang X,Gong L,etal.Role of high-mobility group box 1 protein in inflammatory bowel disease[J].Inflamm Res,2015,64(8):557-563.

[26]Lappalainen T,Kolehmainen M,Schwab U,etal.Gene expression of FTO in human subcutaneous adipose tissue，peripheral blood mononuclear cells and adipocyte cell line [J].J Nutrigenet Nutrigenomics,2010,3(1):37-45.

[27]Gunasekaran MK,Viranaicken W,Girard AC,etal.Inflammation triggers high mobility group box 1(HMGB1) secretionin adipose tissue，a potential link to obesity [J].Cytokine,2013,64(1):103-111.

[28]Wang H,Qu H,Deng H.Plasma HMGB-1 levels in subjects with obesity and type 2 diabetes:a cross-sectional study in China [J].PLoS One,2015,10(8):e0136564.

[29]Arrigo T,Chirico V,Salpietro V,etal.High-mobility group protein B1:a new biomarker of metabolic syndrome in obese children [J].Eur J Endocrinol,2013,168(4):631-638.

[30]Guzmán-Ruiz R,Ortega F,Rodríguez A,etal.Alarmin high-mobility group B1(HMGB1) is regulated in human adipocytes in insulin resistance and influences insulin secretion in β-cells [J].Int J Obes(Lond),2014,38(12):1545-1554.

[31]Lee BC,Lee J.Cellular and molecular players in adipose tissue inflammation in the development of obesity-induced insulin resistance[J].Biochim Biophys Acta,2014,1842(3):446-462.

[32]Wagner M.A dangerous duo in adipose tissue:high-mobility group box 1 protein and macrophages[J].Yale J Biol Med,2014,87(2):127-133.

[33]Ni XR,Sun ZJ,Hu GH,etal.High concentration of insulin promotes apoptosis of primary cultured rat ovarian granulosa cells via its increase in extracellular HMGB1[J].Reprod Sci,2015,22(3):271-277.

[34]Andersson U,Tracey KJ.HMGB1 is a therapeutic target for sterile inflammation and infection [J].Annu Rev Immunol,2011,29:139-162.

[35]Montes VN,Subramanian S,Goodspeed L,etal.Anti-HMGB1 antibody reduces weight gain in mice fed a high-fat diet[J].Nutr Diabetes,2015,5:e161.

[36]Song F,Hurtado del Pozo C,Rosario R,etal.RAGE regulates the metabolic and inflammatory response to high-fat feeding in mice [J].Diabetes,2014,63(6):1948-1965.

[37]Chen Y,Pitzer AL,Li X,etal.Instigation of endothelial Nlrp3 inflammasome by adipokine visfatin promotes inter-endothelial junction disruption:role of HMGB1 [J].J Cell Mol Med,2015,19(12):2715-2727.

[38]Kanellakis P,Agrotis A,Kyaw TS,etal.High-mobility group box protein 1 neutralization reduces development of diet-induced atherosclerosis in apolipoprotein e-deficient mice [J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2011,31:313-319.

[收稿2016-03-16修回2016-05-18]

(编辑倪鹏)

10.3969/j.issn.1000-484X.2016.08.034

R392.11R364.5G353.11文献标志码A

1000-484X(2016)08-1233-04

张国俊(1980年-)，男，硕士，讲师，主要从事炎症与免疫方向的研究，E-mail：zgj003@126.com。

及指导教师：宋向凤(1970年-)，女，博士，教授，主要从事代谢与免疫方向的研究， E-mail：xfsong@xxmu.edu.cn。