高迁移率族蛋白1 在缺血再灌注损伤中的研究进展*1

刘 毅 高 君 唐哲明

( 柳州市工人医院, 广西 柳州 545001 )

在肢体或器官缺血再灌注后除了缺血期间发生的损伤外,还有额外数量的再灌注损伤。 缺血-再灌注过程中经常会出现一段“无再流”或“缓慢再流”的时期,这种再灌注不足可导致微血管和器官功能的持续恶化,这种缺血发作后发生的广泛事件被称为缺血-再灌注损伤(ischemia reperfusion injury,IRI)[1]。 断指(肢)再植、器官移植、失血性休克、心肌梗死、脑卒中和局部创伤均存在缺血-再灌注损伤。 高迁移率族蛋白1(high - mobility group box1,HMGB1)被发现参与骨骼肌、心肌、肝组织、脑组织等器官的缺血再灌注损伤,与组织损伤后修复、炎症反应等方面密切相关。 本文对近年HMGB1 在缺血再灌注中的进展进行研究。 综述如下。

1 高迁移率族蛋白1(high -mobility group box1, HMGB1)概述

1.1 高迁移率族蛋白1 的结构

高迁移率族蛋白(high -mobility group, HMG)在20 世纪60 年代早期被分离出来,后来对其化学和物理性质进行表征,发现其在聚丙烯酰胺凝胶上的快速电泳迁移率,因而得名[2]。 HMG 是真核生物中最普遍、最丰富、进化上最保守的蛋白质之一[3]。在HMG 超家族中,高迁移率族蛋白box1(HMGB1)是一种丰富的结构性染色体蛋白,在真核生物物种中的表达普遍存在。 HMGB1 有215 个残基,分子量约为24,894 Da,该蛋白质被组织成2 个DNA 结合域(盒子A 和盒子B,跨越近75%的蛋白质),由1 个短连接序列分开,然后是1 个带高负电荷的、有30个谷氨酸和天冬氨酸残基的C 端结构域(图1)[3]。该蛋白有3 个感位点:80 ～96 位,脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)结合域[4],89 ～108 位,细胞因子刺激活性结合域[5]和150 ～183 位,晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products, RAGE)结合域。 此外,HMGB1 有2 个核定位信号(nuclear localization signals,NLS),分别位于27 ～43 位点的boxA 和178 ～184 位点的boxB 处。

1.2 HMGB1 定位和分泌

在生理条件下,HMGB1 由于其2 个NLS 而定位于细胞核,在正常的细胞稳态中,它优先在细胞核中积累。 然而,HMGB1 由于核孔复合体中的输入蛋白和输出蛋白的作用,不断在细胞核和细胞质之间双向穿梭,它的核定位在发育、衰老和损伤过程中发生变化。 在损伤、凋亡、坏死或死亡的细胞中,细胞的质膜和核膜发生损伤,HMGB1 被动释放。 由于缺乏疏水分泌信号肽[6],HMGB1 通过被动和主动2 种机制分泌。 在主动分泌过程中由分泌溶酶体分泌,且位于2 个NLS 中的关键残基的乙酰化阻止HMGB1重新进入细胞核导致其在细胞质中积累,并最终分泌到细胞外。

1.3 HMGB1 受体和细胞信号

HMGB1 能结合多种受体,包括RAGE、toll 样受体[5]2/4/9(toll-like receptors,TLRs)、Mac -1[7]、酪氨酸磷酸化磷脂蛋白-ζ/β[8]和CD24[9]等。 缺血-再灌注损伤中RAGE 和TLR4 占主导作用。 细胞外HMGB1 作为一种损伤相关的分子模式,通过与特定的细胞表面受体,包括toll 样受体(TLRs)和晚期糖基化终末产物受体(RAGE)结合,与邻近细胞通信,启动对感染和损伤的先天炎症反应[10]。

2 高迁移率族蛋白1 相关性信号通路在缺血-再灌注损伤中的研究进展

2.1 在骨骼肌缺血-再灌注中的研究进展

高迁移率族蛋白1 在骨骼肌缺血-再灌注中的研究进展。 骨骼肌缺血再灌注损伤常见于创伤、手外科手术及断指或断肢再植、游离皮瓣移植、肢体/躯干部位挤压伤等,这些损伤可以导致严重的骨骼肌缺血再灌注损伤,严重者甚至还会引发全身炎症反应综合征、急性肺损伤甚至多器官功能衰竭。 高迁移率族蛋白1 相关性信号通路在骨骼肌缺血-再灌注损伤中扮演重要角色。 在一项针对大鼠IR 和细胞缺氧和再氧合(HR)模型的研究中发现,HMGB1与RAGE 结合,促进血管炎症和内皮细胞凋亡,从而介导急性肢体IR 时的血管损伤,这提示HMGB1/RAGE 促炎轴促进肢体缺血/再灌注损伤中血管内皮细胞凋亡[11]。 在对骨骼肌缺血- 再灌注损伤小鼠模型中损伤相关分子模式释放的差异调节研究中发现,HMGB1 而非组蛋白H3 在骨骼肌缺血期间易位至细胞质,并释放到I / R 损伤小鼠再灌注后的全身循环。 在使用抗HMGB1 抗体治疗后能提高部分小鼠的生存率[12]。 丁基苯酞(Dl - 3 - n - Butylphthalide,NBP)通过HMGB1/TLR4/NF -κB 通路抑制炎症反应和氧化应激,减轻小鼠肢体缺血-再灌注引起的肌肉损伤, 为肢体I/R 驱动的肌肉组织损伤提供新的策略[13]。 在大鼠的研究中发现HMGB1 在急性I/R 期间促进血管结构重塑和血管舒缩功能障碍,而阻断HMGB1 保留了血管稳态并改善了灌注单元。 同时发现TNF - α、IL -6、ICAM、VCAM、MMP-2、MMP -9、α -SM 肌动蛋白表达升高与HMGB1 呈正相关。 这些结果提示HMGB1 通过在I/R 期间启动炎症级联反应来促进血管重塑和功能障碍,而阻断HMGB1 可以保持血管稳态并改善急性肢体缺血/再灌注大鼠的血液灌注[14]。 诸多研究证实HMGB1 在骨骼肌缺血-再灌注损伤中的重要作用。

2.2 在肝脏缺血-再灌注损伤中的研究进展

高迁移率族蛋白1 在肝脏缺血-再灌注损伤中的研究进展。 HMGB1 在急性肝损伤中与肝脏缺血-再灌注损伤有密切关系。 肝脏的缺血-再灌注损伤常发生于肝切除和肝移植术中。 肝切除、肝损伤时创伤期间低血流量引起的I/R 称为暖缺血-再灌注损伤(warm ischemia - reperfusion injury),在肝移植时,移植肝在再灌注前置于保存液中形成的缺血-再灌注损伤称为冷缺血再灌注损伤(cold ischemia-reperfusion injury)。 HMGB1 在暖I/R 及冷I/R中均发挥重要作用。 干扰素调节因子1(IRF -1)和高迁移率族蛋白1(HMGB1)已被独立确定为肝缺血-再灌注损伤(IRI)的关键因素。 在C57BL/6 小鼠肝脏IRI 模型中发现干扰素调节因子1(IRF -1)通过增加HMGB1 的释放,激活自噬,加重肝缺血-再灌注损伤[15];在针对Annexin A1 的活性N 末端肽Ac2 -26预处理是否可以通过调节高迁移率族蛋白1(HMGB1)/Toll 样受体4(TLR4)/NFκB 信号通路来抑制中性粒细胞浸润,从而保护肝细胞免受急性I/R损伤的研究中发现,Ac2 -26 可以通过抑制HMGB1/TLR4/NFκB/中性粒细胞的正反馈回路,减轻肝缺血-再灌注损伤[16];右美托咪定(Dex)通过调节MALAT1/miR-126 -5p/HMGB1 轴减轻肝脏缺血-再灌注损伤[17];HMGB1 相关的坏死性凋亡和Kupffer 细胞M1 极化是大鼠肠道缺血/再灌注诱导的远程肝损伤的基础,坏死抑制和HMGB1 中和/抑制可能作为有效的药物治疗方法出现,以最大程度地减少肠道I / R引起的急性远端器官功能障碍[18]。奥曲肽和褪黑激素通过抑制肝缺血-再灌注损伤中的TLR4 -NF -κB -NLRP3 通路减轻炎症小体诱导的细胞焦亡从而减轻肝脏的缺血-再灌注损伤[19]。负载小檗碱的纳米结构脂质载体通过调节HMGB1/TLR4/NF-κB 炎症信号传导、自噬和细胞凋亡,提供了合理的屏蔽机制并减少了与暖肝缺血-再灌注损伤同时发生的事件从而减轻暖肝缺血-再灌注诱导的损伤[20]。 与骨骼肌I/R 损伤结果一致,在肝脏的I/R 损伤的研究中发现在损伤相关性分子模式(damage- associate molecular pattern ,DAMP) 中,HMGB1 可能是临床肝 I/R 损伤中最相关的DAMP[21]。 D - 香芹酮预处理的大鼠通过下调HMGB1、TLR4、NF-κB、NLP3、相关炎症介质和凋亡标志物,对肝脏I/R 诱导的损伤表现出保肝作用[22]。二肽基肽酶4 (DPP4) 抑制剂维达列汀通过TLR4 / NF-κB 信号通路减轻肝脏缺血-再灌注损伤[23]。 重组血栓调节蛋白通过抑制大鼠的HMGB1预防肝脏缺血-再灌注损伤,可以用作预防IR 引起的肝损伤和相关不良事件的有效治疗剂[23]。 针对HMGB1 在肝脏缺血- 再灌注损伤中的研究发现,HMGB1 可通过不同的途径加重缺血-再灌注损伤,而针对其信号通路及影响因素,可能开发出有意义的减轻缺血-再灌注损伤的药物。

2.3 在心脏缺血-再灌注中的研究进展

高迁移率族蛋白1 在肝脏缺血-再灌注损伤中的研究进展。 在糖尿病鼠模型的研究中发现糖尿病可加重心肌缺血- 再灌注损伤(MI/RI),可能与HMGB1 释放增加和自噬激活有关,在抑制HMGB1后,可通过抑制自噬减轻糖尿病小鼠心肌缺血-再灌注损伤[24]。 在SD 大鼠模型中发现被广泛用于治疗心血管疾病的传统降脂药氟伐他汀预处理可改善左心室功能障碍,减少梗死面积,减少对心脏结构的损伤,通过下调HMGB1/ TLR4 信号通路减弱缺血-再灌注诱导的心肌细胞自噬和凋亡,对心脏缺血损伤有保护作用[25]。 在新生大鼠的研究中发现,HMGB1 显著增加了IL -17A 的表达。 重组HMGB1(rHMGB1)和重组IL -17A(rIL -17A)处理的心肌细胞显著降低了Bcl - 2 蛋白的表达,提示HMG B1/IL-17A 轴通过调节心肌细胞凋亡和自噬参与缺氧/复氧损伤[26]。 在大鼠和大鼠心肌细胞(H9C2细胞)的研究中发现,山楂酸通过调节HMGB1/TLR4轴作用减轻缺血-再灌注损伤诱导的心肌炎症和细胞凋亡[27]。 MiR -25 通过靶向高迁移率族蛋白1,在心肌缺血-再灌注损伤大鼠模型中发挥心脏保护作用[28]。 LncRNA TUG1 通过抑制HMGB1 来保护心肌细胞减轻缺血- 再灌注损伤[29]。 丙酮酸乙酯通过保留对HMGB1 的抑制作用,减轻高血糖加重的心肌缺血- 再灌注损伤[30]。 远端缺血后处理通过抑制RAGE-HMGB1 通路来减轻心肌缺血-再灌注损伤[31]。 虽然大部分研究证实HMGB1 在心肌缺血-再灌注损伤中为有害因子,然而有研究发现HMGB1在心脏病中具有Janus 双面神样的作用:在心肌缺血-再灌注损伤、心肌炎、机械应激、糖尿病、细菌感染或化疗药物诱导的心肌病的实验模型中,抑制细胞外HMGB1 可减少炎症,并具有保护作用。 相反,永久性冠状动脉结扎诱导的心肌梗死后给予HMGB1 可通过促进组织再生从而改善心脏功能。HMGB1 可降低心肌细胞的收缩力,诱导心肌细胞的肥大和凋亡,刺激心脏成纤维细胞的活性,促进心脏干细胞的增殖和分化。 然而有趣的是,维持适当的核HMGB1 水平可以通过防止DNA 氧化应激来保护心肌细胞免于凋亡,而HMGB1 心肌细胞特异性过表达的小鼠可以部分保护心肌细胞免受心脏损伤[32]。

3 结语

在PubMed 上搜索相关文献时, 我们发现2017—2023 年针对HMGB1 在骨骼肌缺血-再灌注损伤中研究的文献量较少(关键词:HMGB1 and skeletal muscle ischemia -reperfusion injury, 搜索结果4篇),而关于HMGB1 在肝脏、心肌缺血-再灌注损伤中研究的文献量相对较多(关键词:HMGB1 and hepatic muscle ischemia - reperfusion injury, HMGB1 and cardiac ischemia -reperfusion injury,相关性文献检索结果分别为43 及34)。 其中研究较多的为HMGB1/TLR4/NF-κB 信号通路(骨骼肌缺血再灌注损伤1 篇,肝脏缺血-再灌注损伤16 篇,心肌缺血再灌注损伤9 篇)。 通过检索近5 年相关文献发现损伤相关分子模式的研究在3 种缺血-再灌注损伤中均被报道。 重组血栓调节蛋白、右美托咪定、小檗碱、甘草甜素、丹参酮ⅡA、七氟醚后处理被报道在肝脏和心肌的缺血-再灌注损伤中有保护作用。 长链非编码RNA(lncRNA)、微小RNA(miRNA)及环状RNA(circRNA)近年来成为肝脏和心肌缺血-再灌注损伤的研究热点分子,而焦亡、自噬是受欢迎的相关机制研究方向。 肝脏、心肌缺血-再灌注损伤相关研究的热门信号通路、分子热点、热门研究机制或许可成为骨骼肌缺血-再灌注损伤的研究方向。