HMGB1在呼吸系統疾病中的作用及其機制

網絡出版時間：2014-12-4 13:45網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1001-1978.2015.01.004.html

HMGB1在呼吸系統疾病中的作用及其機制

李留成1,高建2,李俊1

(1.安徽醫科大學藥學院，安徽 合肥230032；2.安徽醫科大學第一附屬醫院，國家中醫藥管理局中藥化學三級實驗室，TCM-2009-202，安徽 合肥230022)

中國圖書分類號：R-05；R341.31；R562；R563；R734.2；R977.6

摘要：高遷移率族蛋白B1(high-mobility group box 1，HMGB1)是一種保守的核蛋白，對維持核小體穩定、DNA重組、復制、修復及轉錄有重要作用。其可由壞死的細胞被動釋放，或在適宜刺激下主動分泌至胞外。近年的研究顯示：HMGB1信號的活化與肺損傷、肺纖維化、肺癌等肺部疾病的發展密切相關，而阻斷HMGB1信號可抑制其病理進程，說明HMGB1的抑制對這類疾病有潛在治療價值。該文就HMGB1在呼吸系統疾病中的作用及其機制作一綜述，以期為上述疾病的診斷和治療提供新的理論依據。

關鍵詞：高遷移率族蛋白B1；肺損傷；慢性阻塞性肺??；哮喘；肺纖維化；肺癌；肺炎；肺動脈高壓

doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2015.01.004

文章編號：

文獻標志碼：A1001-1978(2014)01-0015-04

收稿日期:2014-08-20,修回日期:2014-09-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No 81274172，81473267，30801535)；“天然藥物活性組分與藥效”國家重點實驗室(中國藥科大學)開放課題(No sklnmkf201206)；安徽省衛生廳中藥研究項目(No 2012zy53)

作者簡介：李留成(1989-)，男，碩士生，研究方向：呼吸藥理學，E-mail：liliuchengayd@163.com；

通訊作者高建(1976-)，男，博士，副主任藥師，副教授，碩士生導師，研究方向：呼吸藥理學，，Tel/Fax：0551-62922423，E-mail：gaojianayfy@163.com； 李俊(1961-)，男，博士、教授、博士生導師，研究方向：抗炎免疫藥理學、臨床藥理學，，Tel/Fax：0551-65161001，E-mail：lijun@ahmu.edu.cn

Abstract:High-mobility group box 1 (HMGB1) is a conservative nuclear protein and plays an essential role in maintaining nucleosome stability, DNA recombination, replication, repair and transcription. It can be passively released by necrotic cells or actively secreted into extracellular under appropriate stimulus. Recent studies show that the activation of HMGB1 signaling is closely related to the progress of lung diseases including lung injury, pulmonary fibrosis and lung cancer, while blocking HMGB1 signaling inhibits the pathological process, indicating the therapeutic potential of HMGB1 inhibition in treating these diseases. This review summarizes the role and mechanisms of HMGB1 in such diseases, in order to provide novel evidence for the diagnosis and treatment.

高遷移率族蛋白B1(high-mobility group box 1，HMGB1)是一種保守的非組蛋白核蛋白，廣泛分布于淋巴、腦、肝、肺、心、腎等組織中，胞核HMGB1可調控核小體穩定、DNA的重組、復制、修復及轉錄。在脂多糖、白介素(IL)-1和腫瘤壞死因子(TNF)-α等刺激下，HMGB1可分泌至胞外，作為促細胞因子生成介質，參與膿毒癥、腫瘤、關節炎等病理進程[1-2]。胞外HMGB1與胞膜Toll樣受體(toll-like receptors，TLRs)和晚期糖基化終產物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)等結合，可激活胞內p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、細胞外信號調節激酶1/2(ERK1/2)、核因子(NF)-κB等下游信號通路，或上調轉化生長因子(TGF)-β1和血小板源性生長因子(PDGF)的分泌，誘發細胞及組織損傷[3-6]。近年的研究發現，HMGB1相關信號的活化與急性肺損傷(acute lung injury，ALI)、哮喘、肺纖維化(pulmonary fibrosis，PF)等呼吸系統疾病的發展密切相關，而阻斷HMGB1信號可抑制其病理進程，因此HMGB1可能是上述疾病的潛在治療靶點。本文就HMGB1的結構、功能及其在呼吸系統疾病中的作用和機制進行相關綜述。

1HMGB1的結構與功能

HMGB1屬于HMG蛋白超家族，相對分子質量約25 ku，由215個氨基酸組成[7]。其中，氨基端由185個氨基酸組成，是富含賴氨酸的DNA結合區域，由A盒和B盒組成，A盒有特異拮抗B盒的作用[7-8]；羧基末端是由30個谷氨酸和天冬氨酸構成的負電荷區域，具有調節DNA結合及其損傷修復的作用[9]。HMGB1能通過旁分泌和自分泌方式分泌至胞外，作為一種關鍵的晚期炎癥因子，單獨或與RAGE、TLR等受體結合促進多種疾病的發展[1-6]。

2HMGB1與呼吸系統疾病

大量研究證實，HMGB1信號參與膿毒癥、腫瘤、關節炎等疾病的發生[1-3]。HMGB1表達的高低與呼吸系統疾病的嚴重程度存在一定的正相關，而給予HMGB1信號阻斷劑可抑制其病理進程，提示HMGB1信號對肺部疾病的發展有重要調節作用。

2.1肺損傷肺損傷是一個延遲的、復雜的危急性肺病，多發生在外傷或重度傳染后，可致死亡率增加。已有研究證實： HMGB1氣管內滴注可致小鼠肺內中性粒細胞積聚和肺水腫，增加肺中IL-1β、TNF-α和巨噬細胞炎癥蛋白(MIP)-2的水平；而抗HMGB1抗體可減少內毒素誘導的小鼠中性粒細胞遷移和肺水腫，而不影響上述炎癥因子水平[10]。Achouiti等[11]發現，抗HMGB1抗體和RAGE基因敲除均可減輕金黃色葡萄球菌所致小鼠肺損傷，而TLR4基因敲除對其并無影響。此后，Wang等[12]報道過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)激動劑羅格列酮可通過下調脂多糖誘導的HMGB1、RAGE表達和促進血紅素氧合酶(HO)-1生成，抑制小鼠ALI，說明PPARγ激動劑可抑制HMGB1/RAGE信號治療ALI[13]。綜上所述，HMGB1不僅可誘導NF-κB、IL-1β等炎癥因子釋放，誘發ALI，還提示HMGB1/RAGE(或TLR4)信號參與了ALI，且在不同模型中作用不同。而抑制HMGB1信號可減輕ALI，有可能作為ALI臨床治療的新策略。

2.2COPD慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)是呼吸系統常見病和多發病，具有慢性炎癥、不可逆的氣流受限和肺氣腫等特點。吸煙的COPD患者BALF中HMGB1水平高于不吸煙的COPD患者及吸煙的非COPD患者，肺段內肺泡巨噬細胞的數目較多；在吸煙者的BALF及休眠的肺泡巨噬細胞中檢測出HMGB1-IL-1β 復合物，且TNF-α的表達增加；RAGE在COPD患者的氣道上皮和平滑肌高表達，且與HMGB1共定位，而在不吸煙者中未發現[14]。Hou等[15]在COPD患者痰中發現HMGB1濃度的增加與COPD嚴重性正相關，血漿HMGB1濃度亦明顯增加；吸煙的COPD患者外周氣道中HMGB1水平明顯高于非COPD的吸煙者及不吸煙者，且與氣流阻塞的程度密切相關[16]。提示我們可以通過減少吸煙并嘗試抑制HMGB1活性對COPD患者進行治療。

2.3哮喘哮喘是另一類難治性慢性肺病。雖然遺傳和環境因素可能與哮喘發病相關，但其確切發病機制尚未明了。在哮喘患者中，HMGB1、RAGE水平與哮喘的嚴重性、中性粒細胞的百分比呈正相關[17]，而痰中HMGB1濃度與肺功能呈負相關[15]。在卵清蛋白誘導的哮喘模型中，TLR2和TLR4而非RAGE被激活，給予抗HMGB1抗體或丙酮酸乙酯(EP)治療可減輕小鼠氣道炎癥和重塑[18-19]。提示HMGB1/RAGE和HMGB1/TLRs信號均可能參與了哮喘的發生發展。在小鼠模型中未觀察到RAGE被激活，而在哮喘患者中RAGE水平與哮喘的嚴重程度呈正相關，這可能是由于樣本來源不同，且模型研究與臨床實際存在差異所致。但是，這些證據均表明HMGB1信號的異?；罨窍陌l病機制之一，而阻斷該信號的激活將有助于哮喘的治療。

2.4PFPF是肺部多種疾病或肺損傷發展到晚期的一種常見的病理過程，其病理特征包括肺泡上皮細胞(AEC)損傷，成纖維細胞(FB)過度增殖及轉化，細胞外基質(ECM)異常沉積等[20-21]。在PF患者的BALF和肺中HMGB1水平亦明顯升高，主要在AEC、巨噬細胞和侵襲性炎癥細胞中表達[22]。在PF患者急性加重期，HMGB1水平亦明顯升高，并伴有肺泡毛細血管病變增加和HMGB1固有抑制劑血栓調節蛋白減少，這可能進一步增強了肺損傷和PF[23]。進一步研究發現，小鼠經RAGE基因敲除后，BLM所誘導的TGF-β和PDGF水平的增加被抑制[24]，且抗HMGB1抗體和EP能減弱PF程度[22]。另外，HMGB1可誘導肺FB增殖和AECII發生上皮-間質轉化(EMT)，如間質細胞標志物α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)表達增加，AEC標志物E-鈣黏蛋白、表面活性蛋白C(SP-C)表達減少，而HMGB1不能誘導RAGE基因敲除的AECII發生EMT[22,24]。表明HMGB1/RAGE信號通路促PF的機制可能是誘導TGF-β、PDGF等產生，從而促進FB增殖和EMT。然而，是否有HMGB1的其它受體參與PF進程尚不清楚。 進一步證明HMGB1信號抑制劑對PF的干預作用有望為PF的治療提供新思路。

Tab 1　Role and mechanisms of HMGB1 in respiratory diseases

Abs, antibodies; AEC Ⅱ, type Ⅱ alveolar epithelial cells; α-SMA, α-smooth muscle actin; BALF, bronchoalveolar lavage fluid; BLM,bleomycin; E-cad, E-cadherin; EMT, epithelial-mesenchymal transition; EP, ethyl pyruvate; FB, fibroblasts; HO-1, heme oxygenase-1; ICAM-1, intercellular adhesion molecule-1; IL, interleukin; LPS, lipopoly-saccharide; MIP-2, macrophage inflammatory protein-2; MMP-9, matrix metalloproteinase-9; NF-κB, nuclear factor-κB; NSCLC, non-small-cell lung cancer; PDGF, platelet derived growth factor; SP-C, surfactant protein-C; TGF-β, transforming growth factor-β; TNF-α, tumor necrosis factor-α.

2.5肺癌肺癌是目前導致人類癌性死亡的首位疾病，其中80%～90%的患者為非小細胞肺癌(NSCLC)，該病的靶向藥物治療一直是研究熱點和臨床難題[25]。近年來發現[26]HMGB1與肺癌的發生亦相關。檢測NSCLC患者血清時發現HMGB1水平異常增加，腫瘤的分期越高，HMGB1表達水平越高，且與腫瘤大小呈正相關；在肺癌組織中，HMGB1、NF-κB的陽性表達均升高并呈正相關[27]。Zhang等[28]發現過表達HMGB1能促進A549、H1299肺癌細胞的遷移、侵襲，而miRNA-218或基因沉默HMGB1能有效抑制其作用。結合上述研究，我們推測HMGB1信號可能與NF-κB等因子協同增強肺癌細胞的生長、侵襲或遷移，聯合檢測除HMGB1之外的其它因子可能協助評估肺癌預后，且HMGB1可能成為腫瘤的潛在治療靶點。

2.6其他HMGB1信號的異常活化也參與肺炎、肺動脈高壓等呼吸系統疾病的發生。Angus等[29]在社區獲得性肺炎患者的血漿中檢測到HMGB1的濃度明顯高于健康人，且高濃度HMGB1與死亡率存在相關性。另外，HMGB1水平在肺動脈高壓患者血清中也明顯增加，循環HMGB1的增加與平均肺動脈壓相關；在慢性缺氧誘導的肺動脈高壓小鼠模型中，同樣檢測到HMGB1的易位與釋放，給予HMGB1中和抗體可減弱肺動脈高壓[30]。Bauer等[30]還證實HMGB1可使慢性缺氧誘導的肺動脈高壓小鼠病情惡化，而TLR4基因敲除可減輕小鼠肺動脈高壓及HMGB1的作用。提示抑制HMGB1/TLR4信號可能為肺動脈高壓的防治提供新策略，進一步闡明該信號調控的下游通路將使肺動脈高壓的發生機制更明確。

3針對HMGB1的干預措施

大量研究表明，HMGB1信號的活化不僅參與了多種呼吸系統疾病的發病過程，抑制其活性還能一定程度上限制相關疾病的發展(Tab 1)。目前的研究顯示：羅格列酮[12]可通過抑制HMGB1的活性或釋放減輕肺損傷，抗HMGB1抗體和EP可抑制小鼠氣道炎癥和重塑，減輕哮喘[18-19]；抗HMGB1抗體、EP能通過抑制HMGB1的表達，減輕PF[22]；miRNA-218能通過抑制HMGB1信號，抑制肺癌細胞的生長、遷移和侵襲[28]； HMGB1中和抗體可減弱小鼠肺動脈高壓的發展[30]。這些證據說明抑制異?；罨腍MGB1信號可能有助于呼吸系統疾病的臨床治療。

4展望

呼吸系統疾病是全球性的嚴重的公共衛生問題。臨床上可選用抗膽堿藥、糖皮質激素及腎上腺素受體激動劑等藥物治療此類疾病，但其長期應用有不同程度的毒副作用且效果不佳。因此，迫切需要尋找新的治療靶點及開發新的治療藥物。HMGB1不僅參與了COPD、哮喘和PF等疾病的發展，抑制HMGB1相關信號的激活還能減少炎癥細胞聚集、抑制炎癥因子分泌、減少促纖維化因子釋放及抑制肺癌細胞遷移、侵襲等，對多種呼吸系統疾病具有潛在的治療作用。然而，HMGB1信號在肺損傷患者中活化狀態需要進一步的臨床觀察，且HMGB1信號抑制劑在COPD和肺炎等疾病中的作用研究仍為空白。進一步闡明HMGB1相關信號通路參與呼吸系統疾病的作用機制并驗證HMGB1信號抑制劑的療效和安全性，對其臨床治療研究具有理論和現實意義。

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Role and mechanisms of HMGB1 in respiratory diseases

LI Liu-cheng1, GAO Jian2, LI Jun1

(1.SchoolofPharmacy,AnhuiMedicalUniversity,Hefei230032,China; 2.Third-GradePharmaceuticalChemistryLaboratoryofState

AdministrationofTraditionalChineseMedicine,TCM-2009-202,theFirstAffiliatedHospitalofAnhuiMedicalUniversity,Hefei230022,China)

Key words: high-mobility group box 1; lung injury; chronic obstructive pulmonary disease; asthma; pulmonary fibrosis; lung cancer; pneumonia; pulmonary hypertension