2. 安徽医科大学第一附属医院,国家中医药管理局 中药化学三级实验室,TCM-2009-202,安徽合肥 230022
2.Third-Grade Pharmaceutical Chemistry Laboratory of State Administration of Traditional Chinese Medicine,TCM-2009-202,the First Affiliated Hospital of Anhui Medical University,Hefei 230022,China
高迁移率族蛋白B1(high-mobility group box 1,HMGB1)是一种保守的非组蛋白核蛋白,广泛分布于淋巴、脑、肝、肺、心、肾等组织中,胞核HMGB1可调控核小体稳定、DNA的重组、复制、修复及转录。在脂多糖、白介素(IL)-1和肿瘤坏死因子(TNF)-α等刺激下,HMGB1可分泌至胞外,作为促细胞因子生成介质,参与脓毒症、肿瘤、关节炎等病理进程[1, 2]。胞外HMGB1与胞膜Toll样受体(toll-like receptors,TLRs)和晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation end products,RAGE)等结合,可激活胞内p38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)、核因子(NF)-κB等下游信号通路,或上调转化生长因子(TGF)-β1和血小板源性生长因子(PDGF)的分泌,诱发细胞及组织损伤[3, 4, 5, 6]。近年的研究发现,HMGB1相关信号的活化与急性肺损伤(acute lung injury,ALI)、哮喘、肺纤维化(pulmonary fibrosis,PF)等呼吸系统疾病的发展密切相关,而阻断HMGB1信号可抑制其病理进程,因此HMGB1可能是上述疾病的潜在治疗靶点。本文就HMGB1的结构、功能及其在呼吸系统疾病中的作用和机制进行相关综述。
1 HMGB1的结构与功能HMGB1属于HMG蛋白超家族,相对分子质量约25 ku,由215个氨基酸组成[7]。其中,氨基端由185个氨基酸组成,是富含赖氨酸的DNA结合区域,由A盒和B盒组成,A盒有特异拮抗B盒的作用[7, 8];羧基末端是由30个谷氨酸和天冬氨酸构成的负电荷区域,具有调节DNA结合及其损伤修复的作用[9]。HMGB1能通过旁分泌和自分泌方式分泌至胞外,作为一种关键的晚期炎症因子,单独或与RAGE、TLR等受体结合促进多种疾病的发展[1, 2, 3, 4, 5, 6]。
2 HMGB1与呼吸系统疾病大量研究证实,HMGB1信号参与脓毒症、肿瘤、关节炎等疾病的发生[1,2 3]。HMGB1表达的高低与呼吸系统疾病的严重程度存在一定的正相关,而给予HMGB1信号阻断剂可抑制其病理进程,提示HMGB1信号对肺部疾病的发展有重要调节作用。
2.1 肺损伤肺损伤是一个延迟的、复杂的危急性肺病,多发生在外伤或重度传染后,可致死亡率增加。已有研究证实:HMGB1气管内滴注可致小鼠肺内中性粒细胞积聚和肺水肿,增加肺中IL-1β、TNF-α和巨噬细胞炎症蛋白(MIP)-2的水平;而抗HMGB1抗体可减少内毒素诱导的小鼠中性粒细胞迁移和肺水肿,而不影响上述炎症因子水平[10]。Achouiti等[11]发现,抗HMGB1抗体和RAGE基因敲除均可减轻金黄色葡萄球菌所致小鼠肺损伤,而TLR4基因敲除对其并无影响。此后,Wang等[12]报道过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)激动剂罗格列酮可通过下调脂多糖诱导的HMGB1、RAGE表达和促进血红素氧合酶(HO)-1生成,抑制小鼠ALI,说明PPARγ激动剂可抑制HMGB1/RAGE信号治疗ALI[13]。综上所述,HMGB1不仅可诱导NF-κB、IL-1β等炎症因子释放,诱发ALI,还提示HMGB1/RAGE (或TLR4)信号参与了ALI,且在不同模型中作用不同。而抑制HMGB1信号可减轻ALI,有可能作为ALI临床治疗的新策略。
2.2 COPD慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseases,COPD)是呼吸系统常见病和多发病,具有慢性炎症、不可逆的气流受限和肺气肿等特点。吸烟的COPD患者BALF中HMGB1水平高于不吸烟的COPD患者及吸烟的非COPD患者,肺段内肺泡巨噬细胞的数目较多;在吸烟者的BALF及休眠的肺泡巨噬细胞中检测出HMGB1-IL-1β复合物,且TNF-α的表达增加;RAGE在COPD患者的气道上皮和平滑肌高表达,且与HMGB1共定位,而在不吸烟者中未发现[14]。Hou等[15]在COPD患者痰中发现HMGB1浓度的增加与COPD严重性正相关,血浆HMGB1浓度亦明显增加;吸烟的COPD患者外周气道中HMGB1水平明显高于非COPD的吸烟者及不吸烟者,且与气流阻塞的程度密切相关[16]。提示我们可以通过减少吸烟并尝试抑制HMGB1活性对COPD患者进行治疗。
2.3 哮喘哮喘是另一类难治性慢性肺病。虽然遗传和环境因素可能与哮喘发病相关,但其确切发病机制尚未明了。在哮喘患者中,HMGB1、RAGE水平与哮喘的严重性、中性粒细胞的百分比呈正相关[17],而痰中HMGB1浓度与肺功能呈负相关[15]。在卵清蛋白诱导的哮喘模型中,TLR2和TLR4而非RAGE被激活,给予抗HMGB1抗体或丙酮酸乙酯(EP)治疗可减轻小鼠气道炎症和重塑[18, 19]。提示HMGB1/RAGE和HMGB1/TLRs信号均可能参与了哮喘的发生发展。在小鼠模型中未观察到RAGE被激活,而在哮喘患者中RAGE水平与哮喘的严重程度呈正相关,这可能是由于样本来源不同,且模型研究与临床实际存在差异所致。但是,这些证据均表明HMGB1信号的异常活化是哮喘的发病机制之一,而阻断该信号的激活将有助于哮喘的治疗。
2.4 PFPF是肺部多种疾病或肺损伤发展到晚期的一种常见的病理过程,其病理特征包括肺泡上皮细胞(AEC)损伤,成纤维细胞(FB)过度增殖及转化,细胞外基质(ECM)异常沉积等[20, 21]。在PF患者的BALF和肺中HMGB1水平亦明显升高,主要在AEC、巨噬细胞和侵袭性炎症细胞中表达[22]。在PF患者急性加重期,HMGB1水平亦明显升高,并伴有肺泡毛细血管病变增加和HMGB1固有抑制剂血栓调节蛋白减少,这可能进一步增强了肺损伤和PF[23]。进一步研究发现,小鼠经RAGE基因敲除后,BLM所诱导的TGF-β和PDGF水平的增加被抑制[24],且抗HMGB1抗体和EP能减弱PF程度[22]。另外,HMGB1可诱导肺FB增殖和AECII发生上皮-间质转化(EMT),如间质细胞标志物α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)表达增加,AEC标志物E-钙黏蛋白、表面活性蛋白C (SP-C)表达减少,而HMGB1不能诱导RAGE基因敲除的AECII发生EMT[22, 24]。表明HMGB1/RAGE信号通路促PF的机制可能是诱导TGF-β、PDGF等产生,从而促进FB增殖和EMT。然而,是否有HMGB1的其它受体参与PF进程尚不清楚。进一步证明HMGB1信号抑制剂对PF的干预作用有望为PF的治疗提供新思路。
肺癌是目前导致人类癌性死亡的首位疾病,其中80%~90%的患者为非小细胞肺癌(NSCLC),该病的靶向药物治疗一直是研究热点和临床难题[25]。近年来发现[26]HMGB1与肺癌的发生亦相关。检测NSCLC患者血清时发现HMGB1水平异常增加,肿瘤的分期越高,HMGB1表达水平越高,且与肿瘤大小呈正相关;在肺癌组织中,HMGB1、NF-κB的阳性表达均升高并呈正相关[27]。Zhang等[28]发现过表达HMGB1能促进A549、H1299肺癌细胞的迁移、侵袭,而miRNA-218或基因沉默HMGB1能有效抑制其作用。结合上述研究,我们推测HMGB1信号可能与NF-κB等因子协同增强肺癌细胞的生长、侵袭或迁移,联合检测除HMGB1之外的其它因子可能协助评估肺癌预后,且HMGB1可能成为肿瘤的潜在治疗靶点。
2.6 其他HMGB1信号的异常活化也参与肺炎、肺动脉高压等呼吸系统疾病的发生。Angus等[29]在社区获得性肺炎患者的血浆中检测到HMGB1的浓度明显高于健康人,且高浓度HMGB1与死亡率存在相关性。另外,HMGB1水平在肺动脉高压患者血清中也明显增加,循环HMGB1的增加与平均肺动脉压相关;在慢性缺氧诱导的肺动脉高压小鼠模型中,同样检测到HMGB1的易位与释放,给予HMGB1中和抗体可减弱肺动脉高压[30]。Bauer等[30]还证实HMGB1可使慢性缺氧诱导的肺动脉高压小鼠病情恶化,而TLR4基因敲除可减轻小鼠肺动脉高压及HMGB1的作用。提示抑制HMGB1/TLR4信号可能为肺动脉高压的防治提供新策略,进一步阐明该信号调控的下游通路将使肺动脉高压的发生机制更明确。
3 针对HMGB1的干预措施大量研究表明,HMGB1信号的活化不仅参与了多种呼吸系统疾病的发病过程,抑制其活性还能一定程度上限制相关疾病的发展(Tab1)。目前的研究显示:罗格列酮[12]可通过抑制HMGB1的活性或释放减轻肺损伤,抗HMGB1抗体和EP可抑制小鼠气道炎症和重塑,减轻哮喘[18, 19];抗HMGB1抗体、EP能通过抑制HMGB1的表达,减轻PF[22];miRNA-218能通过抑制HMGB1信号,抑制肺癌细胞的生长、迁移和侵袭[28];HMGB1中和抗体可减弱小鼠肺动脉高压的发展[30]。这些证据说明抑制异常活化的HMGB1信号可能有助于呼吸系统疾病的临床治疗。
4 展望呼吸系统疾病是全球性的严重的公共卫生问题。临床上可选用抗胆碱药、糖皮质激素及肾上腺素受体激动剂等药物治疗此类疾病,但其长期应用有不同程度的毒副作用且效果不佳。因此,迫切需要寻找新的治疗靶点及开发新的治疗药物。HMGB1不仅参与了COPD、哮喘和PF等疾病的发展,抑制HMGB1相关信号的激活还能减少炎症细胞聚集、抑制炎症因子分泌、减少促纤维化因子释放及抑制肺癌细胞迁移、侵袭等,对多种呼吸系统疾病具有潜在的治疗作用。然而,HMGB1信号在肺损伤患者中活化状态需要进一步的临床观察,且HMGB1信号抑制剂在COPD和肺炎等疾病中的作用研究仍为空白。进一步阐明HMGB1相关信号通路参与呼吸系统疾病的作用机制并验证HMGB1信号抑制剂的疗效和安全性,对其临床治疗研究具有理论和现实意义。
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