HMGB1/TLR4 信號通路-細胞凋亡在腦缺血再灌注損傷中的作用及研究進展#

蔡樂 李想 王勇,

（1.廣西腫瘤免疫與微環境調控重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林醫學院，廣西 桂林 541004）

腦卒中已成為威脅全世界人類健康的首位病因，其中80%是由于供應大腦血流突然減少或中斷導致的缺血性腦卒中。腦卒中及其并發癥不僅降低了卒中患者的生活質量，同時也給家庭和社會帶來了巨大的經濟負擔[1]。及時恢復血流灌注一定程度上可以減輕缺血后腦組織損傷，但也會造成更為嚴重的腦組織結構功能受損，導致腦缺血再灌注損傷[2]。研究發現凋亡是缺血性腦卒中神經細胞損傷的主要形式之一，與炎癥、氧化應激、自噬等多種發病機制共同促進了腦缺血再灌注損傷[3,4]。

近年來研究表明，HMGB1/TLR4 信號通路與調節細胞炎癥、凋亡、自噬等密切相關，是細胞重要的存活通路之一[5,6]。HMGB1/TLR4 信號通路的激活可導致細胞凋亡，參與了腦缺血再灌注損傷的病理生理過程。基于近幾年的研究，本文就HMGB1/TLR4 信號通路與腦缺血再灌注細胞凋亡研究方面綜述如下。

1 HMGB1/TLR4 信號通路

HMGB1 因其在聚丙烯酰胺凝膠電泳中的高遷移能力而得名，是真核細胞內僅次于組蛋白外含量最為豐富的高遷移率族蛋白。分布于細胞核內的HMGB1 可作為一種DNA 結合蛋白，通過參與DNA 復制、轉錄、修復等過程以維持核小體結構穩定；分泌至胞外的HMGB1 可作為一種重要的損傷相關分子模式（Damage associated molecular patterns，DAMPs）與糖基化終末產物受體（RAGE）、Toll 樣受體（TLRs）相互作用，參與調控多種炎癥性疾病及腫瘤生長、遷移等病理生理過程，與動脈粥樣硬化形成、腦卒中發生、糖尿病等疾病密切相關[7,8]。

TLR4 是位于人9 號染色體上，同源于果蠅Toll 蛋白的I 型跨膜受體蛋白。TLR4 與其他Toll樣受體同源分子一樣，包括能識別各種外源性病原體相關分子或毒素、富含亮氨酸重復序列的胞外區；富含半胱氨酸螺旋結構的跨膜區和與人的白介素-1 受體（Interleukin-1-receptors，IL-IR）高度同源的胞內區（TIR 結構域）三部分[9]。

TLR4 是HMGB1 識別的下游主要靶蛋白之一。當識別分子與配體結合后，TLR4 同源或異源二聚體激活細胞內TIR 結構域，TIR 結構域招募髓樣分化因子88（Myeloid differentiation factor 88，MyD88）或含有TIR 結構域的配體蛋白誘導β 干擾素產生轉錄因子等其他銜接蛋白激活MyD88依賴性和非MyD88 依賴性主要信號通路，這些信號通路激活下游核轉錄因子（Nuclear factor kappa-B，NF-κb）和干擾素調節因子（Interferon regulation factor，IRF），隨后誘導促炎細胞因子和干擾素（interferon,IFN）的產生，參與調控細胞免疫炎癥、生長、存活等重要生物過程[10,11]。在最近一些研究中，發現TLR4 和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（Phosphatidylinositol 3 kinase/ protein kinase B，PI3K/Akt）信號通路也存在著相互調節。

2 腦缺血再灌注與細胞凋亡

1972 年John Kerr 等人在《英國癌癥雜志》上發表的開創性文章—《APOPTOSIS:a basic biological phenomenon with wide-ranging implication in tissue kinetics》中首次引出“凋亡”一詞，指出細胞凋亡是不同于急性損傷導致細胞壞死的一種“程序性細胞死亡”[12]。細胞凋亡是一系列復雜、精準的依賴含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）的分子級聯反應過程，包括外源性途徑（死亡受體介導）和內源性途徑（線粒體途徑和內質網應激途徑）[13]。研究發現外源性途徑和內源性途徑并非獨立存在，兩者通過B 細胞淋巴瘤-2 基因（B-cell lymphoma-2，BCL-2）家族存在著交叉聯系，并能通過激活Caspase-3 誘導細胞凋亡。

凋亡的異常與人類多種疾病相關[14]。大腦是機體對缺氧反應最為敏感的器官，在大腦缺血發作后的幾分鐘，由于能量和氧氣供應的突然減少，缺血核心出現不可逆的損傷導致神經細胞壞死，數天或數小時后引發缺血半暗帶出現細胞凋亡，因此，凋亡參與了腦缺血再灌注損傷的重要病理生理過程[15,16]。通過檢測大鼠大腦中動脈阻塞/再灌注損傷(Middle cerebral artery occlusion/reperfusion，MCAO/R)模型中皮質區凋亡相關蛋白的表達，進一步證實凋亡參與了腦缺血再灌注損傷的重要病理生理過程[17]。

3 HMGB1/TLR4 信號通路與腦缺血再灌注細胞凋亡

3.1 HMGB1/TLR4 信號通路激活加劇腦缺血再灌注細胞凋亡

HMGB1 廣泛表達于神經系統的神經元、膠質細胞及血管內皮細胞中，HMGB1 從壞死神經細胞主動或被動釋放到胞外，參與炎癥級聯放大反應，引起血管痙攣、血腦屏障破壞和神經細胞凋亡[18]。研究發現在缺血性腦卒中患者的血清中HMGB1 水平顯著高于對照組[19]。Dan-Dan Liu[20]等研究發現用原代皮層神經元構建體外氧糖剝奪/ 復 氧（Oxygen and glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）模型，上清液中HMGB1的濃度呈時間依賴性升高，并在24 小時達高峰，HMGB1 迅速升高，并作為促炎細胞因子，誘導神經元炎癥及凋亡，加重腦損傷。Bolanle M Famakin[21]等研究發現TLR4 的表達和信號轉導不僅發生在急性局灶性腦缺血半影內的星形膠質細胞中，而且也發生在慢性局灶性腦缺血中，用重組HMGB1 蛋白體外刺激培養的星形膠質細胞可導致TLR4 和下游介質表達增加，誘導神經細胞凋亡。邱燕英[22]等研究發現在腦缺血再灌注體內、體外模型中TLR4 表達都明顯上調，通過直接作用于TLR4 的表達或抑制TLR4 介導的有關信號通路，具有神經保護作用。因此，HMGB1/TLR4 信號通路與腦缺血再灌注后神經細胞凋亡關系密切，激活HMGB1/TLR4 信號通路可能會加劇腦缺血再灌注細胞凋亡。

HMGB1 廣泛表達于神經系統的神經元、膠質細胞及血管內皮細胞中，HMGB1 從壞死神經細胞主動或被動釋放到胞外，參與炎癥級聯放大反應，引起血管痙攣、血腦屏障破壞和神經細胞凋亡[18]。研究發現在缺血性腦卒中患者的血清中HMGB1 水平顯著高于對照組[19]。Dan-Dan Liu[20]等研究發現用原代皮層神經元構建體外氧糖剝奪/復氧（Oxygen and glucose deprivation/reoxygenation，OGD/R）模型，上清液中HMGB1 的濃度呈時間依賴性升高，并在24 小時達高峰，HMGB1 迅速升高，并作為促炎細胞因子，誘導神經元炎癥及凋亡，加重腦損傷。Bolanle M Famakin[21]等研究發現TLR4 的表達和信號轉導不僅發生在急性局灶性腦缺血半影內的星形膠質細胞中，而且也發生在慢性局灶性腦缺血中，用重組HMGB1 蛋白體外刺激培養的星形膠質細胞可導致TLR4 和下游介質表達增加，誘導神經細胞凋亡。邱燕英[22]等研究發現在腦缺血再灌注體內、體外模型中TLR4 表達都明顯上調，通過直接作用于TLR4 的表達或抑制TLR4 介導的有關信號通路，具有神經保護作用。因此，HMGB1/TLR4 信號通路與腦缺血再灌注后神經細胞凋亡關系密切，激活HMGB1/TLR4 信號通路可能會加劇腦缺血再灌注細胞凋亡。

在其他組織缺血再灌注損傷中，Chuan-Bao Chen[23]等研究發現在小鼠腎缺血再灌注損傷中激活HMGB1/TLR4 信號通路可以刺激炎癥和免疫反應，進一步加重腎臟損傷。

3.2 抑制HMGB1/TLR4 信號通路可減輕腦缺血再灌注細胞凋亡

一些研究發現使用相關的拮抗劑或藥物抑制HMGB1/TLR4 信號通路，可以減輕腦缺血再灌注細胞凋亡，發揮神經保護作用。田青[24]等研究發現薯蕷皂苷可能通過抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路減輕老年大鼠神經細胞的凋亡和炎癥反應,從而減輕急性腦出血損傷。Weijie Xie[25]等研究發現中草藥三七葉皂甙可以降低MCAO/R 模型大鼠海馬和皮質區HMGB1 水平、減少促炎癥介質的產生，通過抑制絲裂原活化蛋白激酶(Mitogenactivated protein kinase，MAPK)和核轉錄因子(NFκB)信號通路的激活，從而抑制神經炎癥和減少神經細胞凋亡，減輕腦缺血再灌注損傷。Gu Gong[26]等研究發現中草藥甘草甜素通過拮抗HMGB1 細胞因子活性抑制炎癥反應、氧化應激和凋亡損傷對大鼠腦缺血再灌注損傷具有保護作用。在HMGB1/TLR4 信號調節阻塞性睡眠呼吸暫停（Obstructive sleep apnea syndrome,OSA）合并2型糖尿病（Diabetes mellitus type 2，T2DM）模型中，HMGB1 siRNA 可顯著降低海馬神經元的HMGB1 和TLR4 蛋白的表達，逆轉神經元凋亡[27]。同樣在其他缺血再灌注組織中，金蓮錦[28]等研究發現右美托咪定通過抑制HMGB1/TLR4 信號通路減輕大鼠心肌缺血再灌注損傷；Shilong Zhang[29]等研究發現桃葉珊瑚甙通過抑制HMGB1/TLR4/NF-κB 信號通路、氧化應激和細胞凋亡減輕肝臟缺血再灌注損傷。因此，通過抑制HMGB1/TLR4 信號通路的激活可能減輕腦缺血再灌注細胞凋亡。

4 小結

HMGB1、Toll 樣受體因其介導炎癥反應受到廣泛關注，以往HMGB1/TLR4 信號通路常作為一種炎癥信號參與調節各種急慢性炎癥疾病。然而，目前有關于HMGB1/TLR4 信號通路與誘導神經細胞凋亡在腦缺血再灌注損傷中的實驗研究仍比較少。因此，HMGB1/TLR4 與腦缺血再灌注損傷的關系，特別是誘導腦缺血再灌注損傷后神經細胞凋亡有望作為一個新研究方向，成為治療缺血性腦卒中的重要靶點。