高迁移率族蛋白B1在神经系统疾病中的研究进展

邢槐杰，廖浩杰，余扬生综述周海红审校

(广东医科大学湛江校区，广东湛江524000)

·综述·

高迁移率族蛋白B1在神经系统疾病中的研究进展

邢槐杰，廖浩杰，余扬生综述周海红审校

(广东医科大学湛江校区，广东湛江524000)

高迁移率族蛋白B1是一种在哺乳动物中广泛表达的非组蛋白染色体结合蛋白，并通过晚期糖基化终产物受体和TOLL样受体参与炎症反应过程，而大多数神经系统疾病的发病机制与自身免疫或免疫炎性损伤相关。本文就高迁移率族蛋白B1在神经系统疾病中的研究进展进行综述。

高迁移率族蛋白B1；中枢神经系统损伤；RAGE受体；TOLL样受体

高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1，HMGB1)是一种在哺乳动物中广泛表达的非组蛋白染色体结合蛋白，最早提取于小牛胸腺，因其在聚丙烯酰氨凝胶电泳中快速迁移而命名[1]。HMGB1在中枢神经系统中的作用具有两面性，生理水平的HMGB1作为“建筑因子”在核内参与核小体的构建及促进基因的转录；此外，许多研究表明在中枢神经系统中，HMGB1可由炎症因子刺激多种不同类型的细胞(如单核巨噬细胞、星形胶质细胞、神经元细胞等)释放，并通过结合晚期糖基化终产物受体(receptors of advanced glacation end products，RAGE)和TOLL样受体(Toll-like receptors，TLRs)参与炎症反应[2-3]。神经系统疾病包括中枢神经系统和周围神经系统，主要症状为运动、感觉和反射障碍[4]，大多数神经系统疾病的发病机制与自身免疫或免疫炎性损伤相关，故研究HMGB1在神经系统疾病中的作用，对于理解神经系统相关疾病的发病机制，寻求有效的疾病干预靶点具有重要的意义。

1 HMGB1的结构及生物学特性

HMGB1是由215个氨基酸组成的单链多肽，位于人类基因的13q12染色体上，具有典型的双极结构。N端富含带正电荷的赖氨酸，C端富含带负电荷的谷氨酸和天冬氨酸。N端至C端的结构依次为两个DNA结合区域(HMG A box和HMG B box)及一个酸性末端组成[5]。目前，有关HMGB1两个DNA结构域功能的研究表明，HMG B box是促炎因子结构域，重组的B box可通过刺激免疫细胞，释放出炎症因子或炎症介质参与炎症反应，而A box则是与抗炎作用相关的一个结构域，可抑制炎症因子或炎症介质的释放起到抗炎作用[6]。

HMGB1主要分布于细胞核与细胞质中，受其他细胞因子刺激后可通过两种分泌途径至细胞外，分别为主动分泌和被动分泌。研究发现，小鼠巨噬细胞受内毒素及多种细胞因子刺激后，其核内的HMGB1经乙酰化转移至溶酶体。然而，由于缺少信号肽，HMGB1主动分泌至胞外并非通过经典的高尔基体-内质网途径，而是在溶血磷脂胆碱及ATP两种分泌信号下转移至胞外[7]。此外，Scaffidi等[8]发现，由于HMGB1与DNA的结合在乙酰化后较松散，胞内的HMGB1在细胞死亡后是以可溶性的形式被动分泌释放至胞外，但因凋亡细胞中组蛋白普遍乙酰化不足，导致其核内的HMGB1与染色质紧密结合而无法释放HMGB1。

研究表明，HMGB1信号传导主要是通过RAGE、TLR2、TLR4等通路诱导炎症因子产生，并参与免疫细胞的成熟、神经轴突的生长及肿瘤的增殖过程。TLRs在人类中的家族成员有11个，与HMGB1相关的主要是TLR2及TLR4。与RAGE不同的是，HMGB1与TLR结合使TLR受体二聚化，激活NF-κB信号通路并产生大量炎性因子，介导炎症发生[9-11]。

2 HMGB1与中枢神经系统损伤

2.1 HMGB1与脊髓损伤在中枢神经系统损伤中，HMGB1作为一种神经炎症介质，其分泌与神经元细胞的坏死和变性有关。在大鼠急性脊髓损伤模型中，脊髓神经元细胞死亡72 h后发现HMGB1表达增高，RAGE受体及肿瘤坏死因子的含量也随之上升，表明HMGB1在细胞坏死中参与了炎症的早期启动过程[12]。此外，在大鼠脊髓神经结扎模型的研究显示，结扎7 d后的大鼠背部神经元的HMGB1表达显著增强，且几乎所有HMGB1增高的非神经元细胞在病变部位均与胶质纤维酸性蛋白(GFAP)形成星状胶质细胞标志物，这提示神经胶质细胞分泌了HMGB1并促进了神经炎症的产生[13]。

2.2 HMGB1与缺血性脑损伤在正常情况下，HMGB1主要存在于神经元细胞的胞核内，而Wang等[14]在脑梗死的动物模型中发现，中枢神经系统的血脑屏障受到损害时，HMGB1由神经元细胞的胞核转移至胞质，并透过破坏的血脑屏障，导致模型动物的脑脊液及血清中HMGB1水平显著升高。Kim等[15]将起抑制HMGB1分泌作用的编码质粒HMGB1 shRNA注入大脑中动脉阻塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)的成年大鼠模型中，发现在注射HMGB1 shRNA的动物模型中脑梗死的体积明显少于未注射组。同样，在缺血性脑卒中的患者血清中，HMGB1的含量较同年龄、同性别的对照组升高[16-17]。在小鼠MCAO模型中，Muhammad等[16]观察到小鼠脑脊液及血清中的HMGB1浓度在梗死发生4 h后明显上升；其脑组织切片的免疫组化结果显示，在梗死中心部位及梗死周围水肿带的细胞核中，HMGB1的含量明显减少，这是由于神经细胞受损后HMGB1被动分泌至细胞外所引起的。以上研究结果表明，在缺血性脑损伤的早期，神经细胞受损后被动释放的HMGB1通过结合特异性受体RAGE及TLRs，参与缺血性脑损伤后的炎症级联反应并促进了脑水肿及脑梗塞的发生；而在缺血性脑损伤的后期，有研究表明，HMGB1诱导的炎症反应可刺激血管内皮生长因子的释放以促进神经血管的重塑[18]。随着对缺血性脑损伤中HMGB1生物学效应的深入研究，将为缺血-再灌注损伤的治疗提供新的靶点。

2.3 HMGB1与出血性脑损伤研究表明，脑出血(intracerebral hemorrhage，ICH)发生后，HMGB1通过与TLR4结合使星形胶质细胞及神经元细胞中的基质金属蛋白酶-9(matrixmetallopr oteinase，MMP-9)表达增加[19]，诱发血脑屏障破坏，引起早期炎症级联反应造成继发性脑组织损伤，导致ICH进一步发展。最新实验研究表明，在急性ICH动物模型中，血肿周围组织及动物血清中的HMGB1明显增高，且与损伤程度呈正相关。HMGB1在ICH的损伤刺激下由胞核被动释放至胞质中，导致神经元的凋亡及脑水肿的发生[20]。此外，在免疫组化的结果显示，脑出血30 min后在出血中心的胞浆中即可检测到HMGB1水平的升高，说明HMGB1参与了早期出血后的炎症反应[18]。Hayakawa等[21]发现，在ICH小鼠模型中给予中和HMGB1的抗体，可明显减轻小鼠脑水肿及血脑屏障破坏的程度。Li等[22]则在ICH的大鼠模型中给予HMGB1的拮抗剂及特异性受体RAGE抑制剂，结果表明大鼠急性ICH发生后血肿周围炎性细胞的浸润程度减轻；而在ICH发生的后期，HMGB1则起到了促进神经轴突生长、刺激血管内皮细胞增殖的作用，有利于神经功能的恢复。由上述HMGB1在ICH中的作用研究提示，早期进行HMGB1干预可能成为治疗ICH的新靶点。

3 HMGB1与神经退行性疾病

3.1 HMGB1与亨廷顿病研究表明，HMGB1的水平会随着神经系统疾病的不同时期而改变。在小鼠大脑不同的功能分区(皮层、海马、小脑和纹状体)中，HMGB1在小鼠成年时的表达水平达高峰，并随着年龄的增长而逐渐降低。在老化的神经元细胞中，HMGB1的表达水平明显低于正常神经元细胞；然而，在星形胶质细胞中，老化的星形胶质细胞的HMGB1水平表达则高于低龄组[23]。DNA双链断裂介导的亨廷顿病中，神经元的损伤随着年龄增长而加重，特别集中在海马区及纹状体中；HMGB1在神经元中的表达水平亦随着年龄增长而下降，与此同时，DNA双链断裂损伤则增加；因此，研究表明细胞核中HMGB1水平的下调可能使DNA损伤积累并最终引起老年性脑神经功能障碍的发生[23]。

在亨廷顿病的疾病模型中发现，纹状体神经元中的HMGB1表达减少，有研究者认为这是由于其参与了突变蛋白的聚集，而导致神经功能障碍[24]。Qi等[25]在果蝇的poly Q模型中发现，HMGB1表达的上调降低了转录抑制和突变poly Q蛋白诱导的基因毒性应激信号，同时提高了轴突的长度及降低了原代皮层神经元细胞的死亡率。脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶(Apurinic/Apyrimidinic endonuclease，APE1)通过切割嘌呤/嘧啶位点协助碱基切除修复，5-片状核酸内切酶(flap endonuclease-1，FEN1)则可防止CAG重复序列的扩增，而这两种生物酶与亨廷顿病的缓解有关，可有效阻止亨廷顿病的进展。Prasad等[26]提出新的证据，表明HMGB1是碱基切除修复的辅因子，且APE1和FEN1活性的增高与HMGB1表达水平的上调有关。为进一步证实HMGB1可改善亨廷顿病的症状，有研究者利用R6/1小鼠，即亨廷顿病的转基因小鼠模型进行了实验。研究发现，在小鼠小脑(稳定的CAG重复序列)中的HMGB1水平是纹状体(不稳定的CAG重复序列)的两倍；而在R6/1小鼠的小脑中，APE1和FEN1含量则更高，提示HMGB1可能通过激活APE1和FEN1参与了小脑功能的稳定[27]。

3.2 HMGB1与阿尔茨海默病在阿尔茨海默病中，胞外的HMGB1发挥着抑制小胶质细胞的吞噬作用和稳定Aβ42低聚体的作用。Mazarati等[28]和Fujita等[29]将HMGB1加入存在Aβ42的小胶质细胞培养基中，发现HMGB1通过紧密结合Aβ42，使Aβ42处于稳定的寡聚体状态，以减少小胶质细胞对Aβ42的吞噬；随后，研究人员将HMGB1从侧脑室注入小鼠的脑室中，与对照组相比发现，处理组的编码长时程记忆功能的区域发生损害；若在HMGB1侧脑室给药前注射LPS-RS(TLR-4受体拮抗剂)，可明显阻断HMGB1介导的记忆功能损害[28]。这些数据说明了HMGB1可能通过与特异性受体结合引发记忆功能障碍。

3.3 HMGB1与帕金森病在帕金森病相关的动物模型研究中发现，大鼠脑部的HMGB1可与路易小体中的聚集α突触核蛋白特异性结合，可能会促进疾病进展[30]。在小鼠神经元和神经胶质细胞的原代培养中发现，HMGB1与MAC1相互作用后与小胶质细胞膜上的受体结合，可激活NF-κB信号转导通路和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶(NADPH)，从而诱导慢性持续性神经炎症及黑质致密部多巴胺能神经元的变性缺失[31]。

3.4 HMGB1与多发性硬化多发性硬化(multiple sclerosis，MS)是一种慢性炎症性脱髓鞘疾病。在多发性硬化患者的脑白质及自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)的小鼠模型中发现，HMGB1的表达上调[29]。在多发性硬化小鼠模型中发现，小鼠脑脊液中单核细胞数量增加且脊髓组织中HMGB1与其特异性受体(RAGE、TLR-2及TLR-4)的结合水平均有上调，考虑可能是HMGB1与特异性受体的结合放大了炎症反应并促进了脱髓鞘病理变化中神经炎症的进展[32]。

3.5 其他在放射性脑损伤的相关动物模型研究中，发现在SD大鼠照射后的24～72 h之间HMGB1在外周血的表达水平明显增高。这可能是HMGB1通过损害的血脑屏障及其介导的炎症效应参与了急性期放射性脑损伤的致病过程[33]。在其他神经系统疾病中，有研究发现HMGB1中TLR-4信号通路与持续性癫痫的发作相关[34]。另外在人类肌萎缩侧索硬化症中，HMGB1可能通过TLR/RAGE信号转导通路诱导了神经炎症反应及运动神经元的退行性病变[35]。HMGB1在神经系统中扮演着双面性的角色，一方面是促进生物个体的发展，另一方面是介导损伤后的炎症反应。然而，HMGB1在炎症中发挥主要致病作用的受体仍有待确认。此外，HMGB1在参与神经系统损伤中的作用也需要更加深入的研究。

目前，HMGB1在神经退行性病变中被认为起到加重疾病进展的作用，但其在神经急性和持续性损伤后促进神经再生的作用亦不应该被否定。HMGB1及TLR/RAGE通路拮抗剂已经在不同神经系统疾病的动物模型试验中取得了一定疗效，随着进一步对CNS中HMGB1与其信号转导通路机制的研究，将更加深入地阐明HMGB1对神经系统疾病的重要性，而以HMGB1为靶点的具有创新性的治疗策略亦有望运用于临床神经系统的疾病治疗中。

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Research progress of high mobility group box-1 in nervous system diseases.

XING Huai-jie,LIAO Hao-jie,YU Yang-sheng,ZHOU Hai-hong.
Zhanjiang Campus of Guangdong Medical University,Zhanjiang 524000,Guangdong, CHINA

High mobility group box-1(HMGB1)is widely expressed in mammalian with a non-histone chromosomal binding protein,which is involved in the process of inflammatory by the receptors of advanced glycation end products and Toll-like receptors,while the most of the nervous system diseases are related to autoimmunity or immune inflammation injury.This article reviews the research progress of HMGB1 in the pathogenesis of nervous system diseases.

High mobility group box 1(HMGB1);Central nervous system injury;RAGE receptor;Toll-like receptors

R741

A

1003—6350（2017）11—1810—04

2016-11-14)

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.11.030

国家自然科学基金（编号：81501040）

周海红。E-mail：doctorzhh1201@126.com