高遷移率族蛋白1 在缺血再灌注損傷中的研究進(jìn)展*1

劉 毅 高 君 唐哲明

( 柳州市工人醫(yī)院, 廣西 柳州 545001 )

在肢體或器官缺血再灌注后除了缺血期間發(fā)生的損傷外,還有額外數(shù)量的再灌注損傷。 缺血-再灌注過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一段“無再流”或“緩慢再流”的時期,這種再灌注不足可導(dǎo)致微血管和器官功能的持續(xù)惡化,這種缺血發(fā)作后發(fā)生的廣泛事件被稱為缺血-再灌注損傷(ischemia reperfusion injury,IRI)[1]。 斷指(肢)再植、器官移植、失血性休克、心肌梗死、腦卒中和局部創(chuàng)傷均存在缺血-再灌注損傷。 高遷移率族蛋白1(high - mobility group box1,HMGB1)被發(fā)現(xiàn)參與骨骼肌、心肌、肝組織、腦組織等器官的缺血再灌注損傷,與組織損傷后修復(fù)、炎癥反應(yīng)等方面密切相關(guān)。 本文對近年HMGB1 在缺血再灌注中的進(jìn)展進(jìn)行研究。 綜述如下。

1 高遷移率族蛋白1(high -mobility group box1, HMGB1)概述

1.1 高遷移率族蛋白1 的結(jié)構(gòu)

高遷移率族蛋白(high -mobility group, HMG)在20 世紀(jì)60 年代早期被分離出來,后來對其化學(xué)和物理性質(zhì)進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)其在聚丙烯酰胺凝膠上的快速電泳遷移率,因而得名[2]。 HMG 是真核生物中最普遍、最豐富、進(jìn)化上最保守的蛋白質(zhì)之一[3]。在HMG 超家族中,高遷移率族蛋白box1(HMGB1)是一種豐富的結(jié)構(gòu)性染色體蛋白,在真核生物物種中的表達(dá)普遍存在。 HMGB1 有215 個殘基,分子量約為24,894 Da,該蛋白質(zhì)被組織成2 個DNA 結(jié)合域(盒子A 和盒子B,跨越近75%的蛋白質(zhì)),由1 個短連接序列分開,然后是1 個帶高負(fù)電荷的、有30個谷氨酸和天冬氨酸殘基的C 端結(jié)構(gòu)域(圖1)[3]。該蛋白有3 個感位點(diǎn):80 ～96 位,脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)結(jié)合域[4],89 ～108 位,細(xì)胞因子刺激活性結(jié)合域[5]和150 ～183 位,晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products, RAGE)結(jié)合域。 此外,HMGB1 有2 個核定位信號(nuclear localization signals,NLS),分別位于27 ～43 位點(diǎn)的boxA 和178 ～184 位點(diǎn)的boxB 處。

1.2 HMGB1 定位和分泌

在生理?xiàng)l件下,HMGB1 由于其2 個NLS 而定位于細(xì)胞核,在正常的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中,它優(yōu)先在細(xì)胞核中積累。 然而,HMGB1 由于核孔復(fù)合體中的輸入蛋白和輸出蛋白的作用,不斷在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間雙向穿梭,它的核定位在發(fā)育、衰老和損傷過程中發(fā)生變化。 在損傷、凋亡、壞死或死亡的細(xì)胞中,細(xì)胞的質(zhì)膜和核膜發(fā)生損傷,HMGB1 被動釋放。 由于缺乏疏水分泌信號肽[6],HMGB1 通過被動和主動2 種機(jī)制分泌。 在主動分泌過程中由分泌溶酶體分泌,且位于2 個NLS 中的關(guān)鍵殘基的乙酰化阻止HMGB1重新進(jìn)入細(xì)胞核導(dǎo)致其在細(xì)胞質(zhì)中積累,并最終分泌到細(xì)胞外。

1.3 HMGB1 受體和細(xì)胞信號

HMGB1 能結(jié)合多種受體,包括RAGE、toll 樣受體[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-再灌注損傷中RAGE 和TLR4 占主導(dǎo)作用。 細(xì)胞外HMGB1 作為一種損傷相關(guān)的分子模式,通過與特定的細(xì)胞表面受體,包括toll 樣受體(TLRs)和晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(RAGE)結(jié)合,與鄰近細(xì)胞通信,啟動對感染和損傷的先天炎癥反應(yīng)[10]。

2 高遷移率族蛋白1 相關(guān)性信號通路在缺血-再灌注損傷中的研究進(jìn)展

2.1 在骨骼肌缺血-再灌注中的研究進(jìn)展

高遷移率族蛋白1 在骨骼肌缺血-再灌注中的研究進(jìn)展。 骨骼肌缺血再灌注損傷常見于創(chuàng)傷、手外科手術(shù)及斷指或斷肢再植、游離皮瓣移植、肢體/軀干部位擠壓傷等,這些損傷可以導(dǎo)致嚴(yán)重的骨骼肌缺血再灌注損傷,嚴(yán)重者甚至還會引發(fā)全身炎癥反應(yīng)綜合征、急性肺損傷甚至多器官功能衰竭。 高遷移率族蛋白1 相關(guān)性信號通路在骨骼肌缺血-再灌注損傷中扮演重要角色。 在一項(xiàng)針對大鼠IR 和細(xì)胞缺氧和再氧合(HR)模型的研究中發(fā)現(xiàn),HMGB1與RAGE 結(jié)合,促進(jìn)血管炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,從而介導(dǎo)急性肢體IR 時的血管損傷,這提示HMGB1/RAGE 促炎軸促進(jìn)肢體缺血/再灌注損傷中血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[11]。 在對骨骼肌缺血- 再灌注損傷小鼠模型中損傷相關(guān)分子模式釋放的差異調(diào)節(jié)研究中發(fā)現(xiàn),HMGB1 而非組蛋白H3 在骨骼肌缺血期間易位至細(xì)胞質(zhì),并釋放到I / R 損傷小鼠再灌注后的全身循環(huán)。 在使用抗HMGB1 抗體治療后能提高部分小鼠的生存率[12]。 丁基苯酞(Dl - 3 - n - Butylphthalide,NBP)通過HMGB1/TLR4/NF -κB 通路抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激,減輕小鼠肢體缺血-再灌注引起的肌肉損傷, 為肢體I/R 驅(qū)動的肌肉組織損傷提供新的策略[13]。 在大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)HMGB1 在急性I/R 期間促進(jìn)血管結(jié)構(gòu)重塑和血管舒縮功能障礙,而阻斷HMGB1 保留了血管穩(wěn)態(tài)并改善了灌注單元。 同時發(fā)現(xiàn)TNF - α、IL -6、ICAM、VCAM、MMP-2、MMP -9、α -SM 肌動蛋白表達(dá)升高與HMGB1 呈正相關(guān)。 這些結(jié)果提示HMGB1 通過在I/R 期間啟動炎癥級聯(lián)反應(yīng)來促進(jìn)血管重塑和功能障礙,而阻斷HMGB1 可以保持血管穩(wěn)態(tài)并改善急性肢體缺血/再灌注大鼠的血液灌注[14]。 諸多研究證實(shí)HMGB1 在骨骼肌缺血-再灌注損傷中的重要作用。

2.2 在肝臟缺血-再灌注損傷中的研究進(jìn)展

高遷移率族蛋白1 在肝臟缺血-再灌注損傷中的研究進(jìn)展。 HMGB1 在急性肝損傷中與肝臟缺血-再灌注損傷有密切關(guān)系。 肝臟的缺血-再灌注損傷常發(fā)生于肝切除和肝移植術(shù)中。 肝切除、肝損傷時創(chuàng)傷期間低血流量引起的I/R 稱為暖缺血-再灌注損傷(warm ischemia - reperfusion injury),在肝移植時,移植肝在再灌注前置于保存液中形成的缺血-再灌注損傷稱為冷缺血再灌注損傷(cold ischemia-reperfusion injury)。 HMGB1 在暖I/R 及冷I/R中均發(fā)揮重要作用。 干擾素調(diào)節(jié)因子1(IRF -1)和高遷移率族蛋白1(HMGB1)已被獨(dú)立確定為肝缺血-再灌注損傷(IRI)的關(guān)鍵因素。 在C57BL/6 小鼠肝臟IRI 模型中發(fā)現(xiàn)干擾素調(diào)節(jié)因子1(IRF -1)通過增加HMGB1 的釋放,激活自噬,加重肝缺血-再灌注損傷[15];在針對Annexin A1 的活性N 末端肽Ac2 -26預(yù)處理是否可以通過調(diào)節(jié)高遷移率族蛋白1(HMGB1)/Toll 樣受體4(TLR4)/NFκB 信號通路來抑制中性粒細(xì)胞浸潤,從而保護(hù)肝細(xì)胞免受急性I/R損傷的研究中發(fā)現(xiàn),Ac2 -26 可以通過抑制HMGB1/TLR4/NFκB/中性粒細(xì)胞的正反饋回路,減輕肝缺血-再灌注損傷[16];右美托咪定(Dex)通過調(diào)節(jié)MALAT1/miR-126 -5p/HMGB1 軸減輕肝臟缺血-再灌注損傷[17];HMGB1 相關(guān)的壞死性凋亡和Kupffer 細(xì)胞M1 極化是大鼠腸道缺血/再灌注誘導(dǎo)的遠(yuǎn)程肝損傷的基礎(chǔ),壞死抑制和HMGB1 中和/抑制可能作為有效的藥物治療方法出現(xiàn),以最大程度地減少腸道I / R引起的急性遠(yuǎn)端器官功能障礙[18]。奧曲肽和褪黑激素通過抑制肝缺血-再灌注損傷中的TLR4 -NF -κB -NLRP3 通路減輕炎癥小體誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡從而減輕肝臟的缺血-再灌注損傷[19]。負(fù)載小檗堿的納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體通過調(diào)節(jié)HMGB1/TLR4/NF-κB 炎癥信號傳導(dǎo)、自噬和細(xì)胞凋亡,提供了合理的屏蔽機(jī)制并減少了與暖肝缺血-再灌注損傷同時發(fā)生的事件從而減輕暖肝缺血-再灌注誘導(dǎo)的損傷[20]。 與骨骼肌I/R 損傷結(jié)果一致,在肝臟的I/R 損傷的研究中發(fā)現(xiàn)在損傷相關(guān)性分子模式(damage- associate molecular pattern ,DAMP) 中,HMGB1 可能是臨床肝 I/R 損傷中最相關(guān)的DAMP[21]。 D - 香芹酮預(yù)處理的大鼠通過下調(diào)HMGB1、TLR4、NF-κB、NLP3、相關(guān)炎癥介質(zhì)和凋亡標(biāo)志物,對肝臟I/R 誘導(dǎo)的損傷表現(xiàn)出保肝作用[22]。二肽基肽酶4 (DPP4) 抑制劑維達(dá)列汀通過TLR4 / NF-κB 信號通路減輕肝臟缺血-再灌注損傷[23]。 重組血栓調(diào)節(jié)蛋白通過抑制大鼠的HMGB1預(yù)防肝臟缺血-再灌注損傷,可以用作預(yù)防IR 引起的肝損傷和相關(guān)不良事件的有效治療劑[23]。 針對HMGB1 在肝臟缺血- 再灌注損傷中的研究發(fā)現(xiàn),HMGB1 可通過不同的途徑加重缺血-再灌注損傷,而針對其信號通路及影響因素,可能開發(fā)出有意義的減輕缺血-再灌注損傷的藥物。

2.3 在心臟缺血-再灌注中的研究進(jìn)展

高遷移率族蛋白1 在肝臟缺血-再灌注損傷中的研究進(jìn)展。 在糖尿病鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)糖尿病可加重心肌缺血- 再灌注損傷(MI/RI),可能與HMGB1 釋放增加和自噬激活有關(guān),在抑制HMGB1后,可通過抑制自噬減輕糖尿病小鼠心肌缺血-再灌注損傷[24]。 在SD 大鼠模型中發(fā)現(xiàn)被廣泛用于治療心血管疾病的傳統(tǒng)降脂藥氟伐他汀預(yù)處理可改善左心室功能障礙,減少梗死面積,減少對心臟結(jié)構(gòu)的損傷,通過下調(diào)HMGB1/ TLR4 信號通路減弱缺血-再灌注誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞自噬和凋亡,對心臟缺血損傷有保護(hù)作用[25]。 在新生大鼠的研究中發(fā)現(xiàn),HMGB1 顯著增加了IL -17A 的表達(dá)。 重組HMGB1(rHMGB1)和重組IL -17A(rIL -17A)處理的心肌細(xì)胞顯著降低了Bcl - 2 蛋白的表達(dá),提示HMG B1/IL-17A 軸通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞凋亡和自噬參與缺氧/復(fù)氧損傷[26]。 在大鼠和大鼠心肌細(xì)胞(H9C2細(xì)胞)的研究中發(fā)現(xiàn),山楂酸通過調(diào)節(jié)HMGB1/TLR4軸作用減輕缺血-再灌注損傷誘導(dǎo)的心肌炎癥和細(xì)胞凋亡[27]。 MiR -25 通過靶向高遷移率族蛋白1,在心肌缺血-再灌注損傷大鼠模型中發(fā)揮心臟保護(hù)作用[28]。 LncRNA TUG1 通過抑制HMGB1 來保護(hù)心肌細(xì)胞減輕缺血- 再灌注損傷[29]。 丙酮酸乙酯通過保留對HMGB1 的抑制作用,減輕高血糖加重的心肌缺血- 再灌注損傷[30]。 遠(yuǎn)端缺血后處理通過抑制RAGE-HMGB1 通路來減輕心肌缺血-再灌注損傷[31]。 雖然大部分研究證實(shí)HMGB1 在心肌缺血-再灌注損傷中為有害因子,然而有研究發(fā)現(xiàn)HMGB1在心臟病中具有Janus 雙面神樣的作用:在心肌缺血-再灌注損傷、心肌炎、機(jī)械應(yīng)激、糖尿病、細(xì)菌感染或化療藥物誘導(dǎo)的心肌病的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?抑制細(xì)胞外HMGB1 可減少炎癥,并具有保護(hù)作用。 相反,永久性冠狀動脈結(jié)扎誘導(dǎo)的心肌梗死后給予HMGB1 可通過促進(jìn)組織再生從而改善心臟功能。HMGB1 可降低心肌細(xì)胞的收縮力,誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的肥大和凋亡,刺激心臟成纖維細(xì)胞的活性,促進(jìn)心臟干細(xì)胞的增殖和分化。 然而有趣的是,維持適當(dāng)?shù)暮薍MGB1 水平可以通過防止DNA 氧化應(yīng)激來保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡,而HMGB1 心肌細(xì)胞特異性過表達(dá)的小鼠可以部分保護(hù)心肌細(xì)胞免受心臟損傷[32]。

3 結(jié)語

在PubMed 上搜索相關(guān)文獻(xiàn)時, 我們發(fā)現(xiàn)2017—2023 年針對HMGB1 在骨骼肌缺血-再灌注損傷中研究的文獻(xiàn)量較少(關(guān)鍵詞:HMGB1 and skeletal muscle ischemia -reperfusion injury, 搜索結(jié)果4篇),而關(guān)于HMGB1 在肝臟、心肌缺血-再灌注損傷中研究的文獻(xiàn)量相對較多(關(guān)鍵詞:HMGB1 and hepatic muscle ischemia - reperfusion injury, HMGB1 and cardiac ischemia -reperfusion injury,相關(guān)性文獻(xiàn)檢索結(jié)果分別為43 及34)。 其中研究較多的為HMGB1/TLR4/NF-κB 信號通路(骨骼肌缺血再灌注損傷1 篇,肝臟缺血-再灌注損傷16 篇,心肌缺血再灌注損傷9 篇)。 通過檢索近5 年相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)損傷相關(guān)分子模式的研究在3 種缺血-再灌注損傷中均被報(bào)道。 重組血栓調(diào)節(jié)蛋白、右美托咪定、小檗堿、甘草甜素、丹參酮ⅡA、七氟醚后處理被報(bào)道在肝臟和心肌的缺血-再灌注損傷中有保護(hù)作用。 長鏈非編碼RNA(lncRNA)、微小RNA(miRNA)及環(huán)狀RNA(circRNA)近年來成為肝臟和心肌缺血-再灌注損傷的研究熱點(diǎn)分子,而焦亡、自噬是受歡迎的相關(guān)機(jī)制研究方向。 肝臟、心肌缺血-再灌注損傷相關(guān)研究的熱門信號通路、分子熱點(diǎn)、熱門研究機(jī)制或許可成為骨骼肌缺血-再灌注損傷的研究方向。