HMGB1在调节骨关节炎软骨细胞功能中的作用机制

齐 鑫，张晓刚，于海洋，陈 欣，安文博，王志鹏，王多贤，罗鹏飞，陈一新，马姣姣，齐 伟，胡紫阳，刘建军

1甘肃中医药大学，兰州 730000 2甘肃中医药大学附属医院，兰州 730000

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种慢性退行性关节疾病，是导致身体疼痛和残疾的最重要因素[1]。OA可由多种病因诱发，而关节软骨的病理改变被认为是该类疾病的关键驱动因素之一。软骨细胞是关节软骨中最重要的成分，也是其唯一的细胞类型[2]。由于关节软骨缺乏血管、淋巴管和神经支配，而软骨细胞能够参与整个关节软骨的代谢过程，从而维持其正常生长、分布和生物状态，且可通过分泌一系列细胞和生长因子对关节软骨相关成分进行调控。软骨细胞功能损伤会破坏细胞外基质合成与分解代谢平衡，导致关节软骨受损[3]。而高迁移率族蛋白1(high mobility group box-1 protein，HMGB1)可参与调节软骨细胞炎症及凋亡过程，从而导致关节软骨受损，诱发OA[4]。本文就HMGB1在OA软骨细胞中的作用机制进行综述，以期为临床防治骨关节炎提供新思路。

1 HMGB1概述

HMGB1是一种高度保守的非组蛋白核蛋白，在哺乳动物真核细胞中广泛表达，参与维持核小体完整性和调节DNA复制、转录、重组及修复[5]。HMGB1分布位置是其功能发挥的关键，正常情况下，HMGB1主要位于细胞核中并与染色质结合，但在应激条件下可从细胞核穿梭至细胞质，再进入细胞外空间以执行更复杂的功能。HMGB1已被重新评估为一种损伤相关分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)蛋白，并与其外源性对应物病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)共同完成机体的警报系统，以应对内稳态的紊乱[6]。HMGB1的易位使其能够利用各种膜受体形成一系列信号级联反应，参与细胞间相互作用，例如产生促炎细胞因子和参与细胞增殖、分化、侵袭及自噬等。HMGB1的易位方式主要包括主动分泌和被动释放两种，其主动分泌不能通过内质网的经典途径实现，而是被包裹在囊泡中，经溶酶体途径释放至细胞外[7]。此外，当细胞经历不同形式的死亡或病理损伤时，可导致细胞核内大量的HMGB1被动释放[8]。然而，无论是HMGB1的主动分泌还是从受损或坏死细胞的细胞核被动释放，细胞外的HMGB1均会导致多种病理改变，如包括OA在内的各类关节炎、脓毒症、动脉粥样硬化、神经变性、脑膜炎和癌症等[9]。基于HMGB1潜在的重要功能，其在各类疾病中的作用已被广泛研究，开发靶向调控HMGB1、抑制其表达/释放以及相关信号传导的治疗策略，将对防治OA等临床疾病具有重要意义。

2 HMGB1在OA软骨细胞炎症中的作用机制

OA的病理机制已由最初的软骨退化导致关节解剖和功能性受损发展为由滑膜、软骨和软骨下骨的炎症反应介导的一类骨与关节退行性改变[10]。通常将该类炎症反应定义为无感染的情况下由内源性信号驱动的慢性、无菌性、低度炎症状态，且与年龄具有相关性。软骨细胞是关节软骨的独特驻留细胞类型，对OA的发展至关重要[11]。软骨细胞炎症反应可促使炎性细胞因子释放，加剧细胞外基质和软骨降解，推动OA病理进程。研究发现，HMGB1是基因转录的调节因子，能够刺激软骨细胞炎症反应的发生，进而促进OA的病理进程[12]。Zhang等[13]研究表明，白杨素能够呈剂量依赖性地抑制HMGB1，降低软骨细胞炎症介质的表达，从而对OA具有潜在治疗作用。Wang等[14]研究发现，miR-140-5p可通过靶向抑制HMGB1抑制白细胞介素(interleukin，IL)-1β诱导的软骨细胞炎症和细胞因子上调。另有研究表明，HMGB1在调节软骨细胞炎症中具有双重作用，在软骨细胞炎症早期，胞质中的HMGB1通过促进细胞自噬和防止细胞凋亡以减弱炎症反应，而在软骨细胞炎症晚期，细胞外的HMGB1可刺激炎症反应，并导致OA中的软骨破坏[15]。HMGB1可显著增强OA软骨细胞的炎症反应，加速软骨及软骨细胞损伤，但目前对其致病过程的认识尚不充分。因此，深入探索HMGB1在调节软骨细胞炎症中的作用机制，有助于完善OA的防治策略。

2.1 HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路

HMGB1释放后通过激活先天免疫反应在细胞外发挥作用，其受体主要包括晚期糖基化终末产物受体(receptor of advanced glycation end product，RAGE)和Toll样受体4(Toll-Like receptor 4，TLR4)[16]。核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是OA相关炎症介质的主要调节剂，对于诱导产生促炎因子和分解因子是必需的[17]。TLR4/NF-κB信号通路是炎症反应的经典通路，也是炎症信号传导的主要因素。研究发现，HMGB1能够与细胞表面受体TLR4结合，加快炎性细胞因子的转录和分泌，调节其下游转录因子NF-κB产生易位以发挥作用[18]。HMGB1是DAMPs中的一员，由其介导的HMGB1/TLR4/NF-κB信号通路在软骨细胞炎症中具有重要调节作用。研究表明，脂多糖能够促进软骨细胞炎症反应，抑制其活性，升高炎症细胞因子IL-6、IL-1β和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosisfactor-α，TNF-α)的水平，而miR-93-5p可阻断HMGB1/TLR4/NF-κB信号传导通路，逆转这一过程[19]。基于此，通过抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路活性，能够减轻软骨细胞炎症，有望改善OA患者的临床症状。

2.2 HMGB1-RAGE/TLR4-NF-κB/AKT信号通路

蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)途径对维持软骨细胞稳态具有重要作用，并参与细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的分解与合成代谢。研究表明，抑制AKT信号传导通路可缓解OA大鼠软骨细胞的炎症反应，提示AKT途径在OA的发生过程中发挥重要作用[20]。炎症状态下细胞外HMGB1的释放增多，且RAGE和TLR4的表达增加。HMGB1通过与RAGE或TLR4结合，能够激活NF-κB或AKT信号通路，导致信号级联反应发生，提高炎症和分解代谢介质的释放水平。Hu等[21]研究发现，甘草酸通过调节HMGB1-RAGE/TLR4-NF-κB/AKT信号通路可减轻OA的病理改变，并可与HMGB1直接结合阻断其与受体的相互作用，降低软骨细胞促炎因子活性，抑制软骨ECM降解，从而有效延缓OA进程。由此可见，探索靶向干预HMGB1信号传导的药物分子，是阻断炎症级联反应，减轻软骨细胞损害的潜在途径。

2.3 HMGB1/TLR4/SDF-1信号通路

HMGB1可产生持续的炎症生态位，为TLR4与DAMPs相互作用激活炎症反应提供相应位点[22]。近年来，基质细胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)作为与炎症相关的趋化因子，其在OA发病机制中的作用逐渐被关注[23]。研究表明，当SDF-1在关节滑囊中的表达显著增加时，其受体在软骨细胞中的表达也相应升高，这与OA的发生发展密切相关[24]。HMGB1可通过细胞外信号传导途径调节TLR4介导的SDF-1表达。Liang等[25]证实，HMGB1会导致SDF-1释放增加，且抑制HMGB1/TLR4/SDF-1信号通路能够减轻软骨细胞炎症反应，降低TLR4和SDF-1的表达，并减弱TLR4与HMGB1的相互作用，以保护软骨细胞及拮抗OA。因此，通过直接或间接靶向作用于SDF-1，改善软骨细胞炎症状态，具有较高的临床研究价值。

3 HMGB1在OA软骨细胞凋亡中的作用机制

软骨细胞存在于关节软骨中，对于维持软骨代谢稳态具有重要作用，其凋亡能够诱发关节软骨变性，是导致OA发展的主要原因[26]。近年来，HMGB1参与调控软骨细胞凋亡备受关注，研究发现，HMGB1能够调节凋亡相关信号通路参与OA的进展，且由其介导的相关信号通路能够在一定程度上增加软骨细胞凋亡率[27]。此外，随着生物信息学的发展，HMGB1与软骨细胞凋亡基因或蛋白之间的靶向作用关系也被逐步揭示[28]。Pan等[29]研究表明，miR-410-3p可靶向干预HMGB1并通过下游信号通路参与调节软骨细胞凋亡。因此，系统阐述HMGB1及其相关信号通路在软骨细胞凋亡中的调节作用，有助于深入理解OA的病理机制并制定相应的治疗措施。

3.1 HMGB1/GSK-3β/β-Catenin信号通路

糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一种进化保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，参与细胞凋亡、增殖、DNA修复和信号转导等细胞过程及多种疾病的发生发展[30]。GSK-3β在接受上游信号刺激后通过调节自身活性从而影响下游底物表达。研究表明，GSK-3β可通过内质网和线粒体等多种途径参与软骨细胞凋亡[31]。β-连环蛋白(recombinant beta catenin，β-Catenin)是Wnt信号通路的重要组成部分，可被Wnt家族蛋白激活，加速OA软骨细胞凋亡[32]。GSK-3β作为β-Catenin的上游分子，其磷酸化增加导致β-Catenin在细胞质中积聚并易位到细胞核内，从而活化下游靶基因的表达[33]。HMGB1被认为是软骨细胞凋亡正调节因子，介导OA的发生发展。研究发现，HMGB1能够参与GSK-3β/β-Catenin通路的调节，上调磷酸化的GSK-3β和β-Catenin的表达水平[34]。此外，GSK-3β/β-Catenin通路的调节也有助于HMGB1诱导的软骨细胞凋亡和软骨基质降解基因的表达。因此，阻断HMGB1/GSK-3β/β-Catenin信号传导，能够减少软骨细胞凋亡，对于延缓OA进程具有重要作用。

3.2 HMGB1/PI3K/AKT信号通路

磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B，PI3K/AKT)参与了OA关节软骨的退行性改变，包括软骨细胞凋亡和ECM降解[35]。Shi等[36]研究发现，PI3K/AKT信号通路活化会加剧软骨细胞凋亡和炎症反应，而抑制该通路可有效发挥软骨保护作用，这为OA的防治提供了参考依据。持续的氧化应激反应是OA发生的病理因素之一，当PI3K受到来自细胞膜的各种信号刺激时，能够激活处于下游的AKT发生磷酸化改变，进而介导细胞内凋亡程序的启动，使得细胞内的关键蛋白被降解而导致细胞发生不可逆性损害[37]。因此，PI3K/AKT信号通路在OA中被激活，从而能够影响软骨细胞功能。随着对HMGB1的深入研究，研究者发现PI3K/AKT作为HMGB1的下游信号通路同样受到HMGB1的调节。一项生物信息学分析表明，HMGB1在OA组织中高表达，并通过激活PI3K/AKT信号通路，影响其下游的细胞凋亡及基质降解功能，进而加重了OA的病变程度[38]。基于此，靶向抑制HMGB1或HMGB1/PI3K/AKT信号通路是实现防治OA的潜在有效策略。

3.3 HMGB1/MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)是真核生物中的保守蛋白激酶，可建立信号模块参与多种环境压力下的信号传递[39]。MAPK信号通路作为细胞功能的调节剂影响众多生物过程，包括细胞凋亡、分化和蛋白质合成等。由于其具有高度保守特性，因此，严格控制MAPK的活性至关重要。MAPK信号通路在无刺激时保持静止状态，当受到外界刺激时通过磷酸化的方式被激活，进而逐级传递相关信号，最后进入到细胞核内发挥其生物活性。细胞内信号传导途径MAPK已被证明能够在OA中激活，且在OA发病机制中扮演关键角色。此外，抑制MAPK通路的磷酸化水平能够起到抑制软骨细胞凋亡和减轻OA软骨破坏的作用。随着HMGB1在OA病程中逐渐积累并在细胞外过表达，打破了软骨细胞内原有的合成与分解代谢平衡，导致软骨细胞不受限制地发生凋亡。而HMGB1也被认为是MAPK信号通路的上游分子，介导了该通路的磷酸化启动，故探索调节HMGB1/MAPK信号通路的新方法也将有利于阻断软骨细胞凋亡和减轻OA进展。HMGB1及其相关信号通路在OA软骨细胞炎症和凋亡中的具体调节作用机制见图1。

4 小结与展望

软骨细胞是关节软骨中的独特驻留细胞，对维持软骨代谢稳态至关重要。软骨细胞活力和数量的降低及炎症程度与OA的发生和进展密切相关，同时软骨细胞功能受损将会加重患者临床症状。随着对OA发病机制研究的不断深入，研究者发现HMGB1可参与软骨细胞炎症反应与凋亡，其在细胞内过度积聚并释放到细胞外是软骨细胞发生炎症反应和凋亡的诱因，且这一过程是在HMGB1介导的信号级联下完成的，会加速软骨细胞损伤，且各级信号通路之间也存在串扰关系。鉴于目前OA的治疗药物主要在于缓解疼痛、改善功能和限制残疾，进行性关节损害尚无法恢复，因此，迫切需要治疗OA的新型药物或修饰剂。未来可尝试通过靶向干预HMGB1及其相关信号通路，以恢复软骨细胞功能，减轻软骨细胞炎症及凋亡的发生。

作者贡献：齐鑫负责论文撰写；陈一新、马姣姣、齐伟、胡紫阳负责查阅文献；张晓刚、于海洋、陈欣、刘建军负责论文指导；安文博、王志鹏、王多贤、罗鹏飞负责论文修订。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突