HMGB1：从发现到临床应用

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前言

1973年，高迁移率族蛋白B1（HMGB1）首次在小牛胸腺中被发现并鉴定出来，其作为染色质的结构蛋白，有助于将DNA包装到染色体中。目前，根据其特征功能序列基序将HMG蛋白分为三个亚家族——HMGA（HMG-14和HMG-17）、HMGB（HMG-1和HMG-2）和HMGN（HMG-I和HMG-Y）。许多HMG蛋白现在已知在不同的位置具有不同的功能。

其中研究最广泛的是HMGB1，其参与了许多重要的生理和病理过程。这些功能包括促进细胞核中的DNA损伤修复、感应核酸和诱导胞质中的先天免疫反应和自噬以及细胞外环境中的结合蛋白伴侣和刺激免疫受体。此外，HMGB1是一种广泛的细胞应激传感器，它平衡细胞死亡和存活反应，这对细胞稳态和组织维持至关重要。HMGB1也是免疫细胞分泌的重要介质，参与一系列病理状况，包括感染性疾病、缺血再灌注损伤、自身免疫、心血管和神经变性疾病、代谢紊乱和癌症。HMGB1作为人类疾病的生物标志物和药物靶点，具有极大的应用潜力。

HMGB1的功能

HMGB1的亚细胞定位在决定其功能及其与其他细胞成分的相互作用方面起着关键作用。这里总结了HMGB1在细胞核、胞质、细胞膜和细胞外空间的功能。

核HMGB1

人HMGB1是一种包含215个氨基酸的蛋白质，由三个结构域组成：两个带正电荷的DNA结合结构域（A-box和B-box）和一个带负电荷的C末端（酸性尾部）。HMGB1在生理条件下主要存在于细胞核中，通过与DNA和组蛋白结合，HMGB1有助于维持核小体的结构，并限制诱变剂和光子进入DNA，从而防止DNA损伤。此外，HMGB1调节组蛋白与DNA相互作用的强度，从而影响DNA在染色质中的包装。此外，HMGB1可以通过促进核小体滑动来调节基因表达。

细胞外HMGB1

1999年，HMGB1被确定为小鼠内毒素致死的介质，开启了HMGB1细胞外功能研究的新篇章。细胞外HMGB1在应激条件下作为损伤相关分子模式或危险信号发挥作用，并通过与各种受体相互作用介导免疫反应，包括Toll样受体4（TLR4）和晚期糖基化终产物特异性受体（AGER）。此外，细胞外HMGB1具有促进细胞生长和组织再生的活性，在某些情况下，还限制细菌增殖。

胞内HMGB1

HMGB1生物学中一个长期悬而未决的问题是胞质HMGB1的功能。2010年，研究发现胞质HMGB1促进小鼠成纤维细胞或人类癌细胞的自噬，以应对各种环境应激，包括饥饿和氧化损伤。HMGB1依赖性自噬与几种炎症性疾病有关。例如，在患有炎症性肠病的小鼠中，自噬减少了炎症和相关的组织损伤；在这种情况下，胞质HMGB1与BECN1和ATG5形成复合物，以保护这些蛋白质免受钙蛋白酶介导的促凋亡切割。肠上皮细胞中HMGB1的缺失会损害自噬并加速实验性炎症性肠病的发展。HMGB1依赖性自噬也通过维持肿瘤微环境中的炎症和免疫抑制参与肿瘤病理过程。例如，HMGB1通过诱导自噬促进骨髓源性抑制细胞（MDSCs）的存活，自噬也促进了肿瘤细胞的转化和生长。

胞质HMGB1的另一个重要功能是与游离核酸形成复合物，进而激活先天免疫的TLR和cGAS-STING途径，促进核酸介导的先天免疫反应。

膜HMGB1

HMGB1不常见于大多数细胞的膜中，除了参与轴突生长和血小板激活。在感染期间，HMGB1可以响应氧化应激信号转移到血小板膜上，并与中性粒细胞上的TLR4或AGER结合，以促进中性粒细胞外陷阱（NETs）的形成。HMGB1诱导的NETs通过各种机制加剧脑、肺和心脏内的炎症损伤。类似于细胞外HMGB1，膜HMGB1可以调节各种细胞类型之间的通讯以响应炎症刺激。

HMGB1涉及的信号通路

HMGB1在炎症和免疫反应中具有广泛的作用。一旦从细胞中释放，HMGB1可以以各种方式单独或与不同的免疫介质组合激活各种受体。

TLR4和AGER是HMGB1研究最深入的两种受体，它们通过激活NF-κB和干扰素调节因子3（IRF3）途径介导HMGB1在多个免疫细胞中的活性，从而产生促炎细胞因子和趋化因子。HMGB1与巨噬细胞和中性粒细胞上表达的髓细胞触发受体1（TREM1）结合也可以通过NF-κB途径诱导细胞因子的产生，而CD24和甲型肝炎病毒细胞受体2（HAVCR2）可以减弱HMGB1诱导的细胞因子的产生。CXC趋化因子受体4（CXCR4）在介导HMGB1与CXCL12复合物诱导的细胞迁移中具有特异性作用。

HMGB1可以结合来自病原体或宿主细胞的核酸来激活各种DNA传感途径或受体，包括内体中的TLR3、TLR7和TLR9，以及胞质中的cGAS-STING1通路，从而导致细胞因子的产生。HMGB1介导的脂多糖（LPS）通过AGER递送到胞质激活胱天蛋白酶11（CASP11）依赖性炎症小体，导致IL-1家族细胞因子（IL-1β和IL-18）的成熟、细胞焦亡和损伤相关分子模式的释放。此外，HMGB1通过AGER激活PI3KC3途径诱导自噬，自噬可以通过选择性降解炎症小体复合体的成分来负调控炎症小体的激活。

HMGB1的病理作用

在各种实验性感染模型中，HMGB1的抑制降低了全身炎症反应并提高了存活率；HMGB1还通过促进NET的形成对许多病原体具有杀伤活性。因此，HMGB1在病原体感染中具有双重功能，既杀菌又促进组织损伤，这取决于病原体的免疫病理学阶段和性质。

各种无菌刺激，如创伤、缺血、毒素、异物、化学物质、抗原和器官移植，也可以通过释放DAMP引发炎症，而HMGB1在这方面具有特别重要的意义。常见的调节性细胞死亡形式（凋亡、细胞焦亡、坏死性凋亡和铁死亡）都可以导致HMGB1的释放，从而引发无菌炎症。HMGB1被充分证明是组织I/R损伤、自身免疫、心血管和神经退行性疾病以及代谢紊乱等疾病中无菌炎症的介质。

衰老增加了人类对大多数疾病的易感性，尤其是癌症、心血管疾病和神经变性。衰老过程中发生的主要变化之一是出现慢性、低度全身炎症。HMGB1的异常表达和释放参与了这一过程。衰老细胞具有专门的衰老相关分泌表型（SASP），包括以自分泌和/或旁分泌方式分泌HMGB1。HMGB1还可以进入循环系统调节远处器官的活动，从而促进与年龄相关的免疫病理学，包括肿瘤发生和神经退行性疾病。

此外，HMGB1过表达在多种形式的癌症中普遍存在，并通过增强抗凋亡机制、炎症、免疫系统逃避和有氧糖酵解而具有致癌作用。肿瘤微环境中的细胞外HMGB1以多种方式促进肿瘤发展。另一方面，细胞外HMGB1可以介导免疫原性细胞死亡（ICD）并增强抗肿瘤免疫；HMGB1还可以通过其他机制激活或增强抗肿瘤免疫。

HMGB1的靶向治疗

由于HMGB1参与炎症并在细胞应激反应中释放，其已被广泛研究为疾病的潜在生物标志物。阻断HMGB1的释放和活性在广泛的临床前炎症疾病模型中获得了巨大成功，证实了HMGB1是急性感染性和无菌性炎症条件下有吸引力的治疗靶点。抑制HMGB1的策略可分为直接抑制和间接抑制：直接抑制包括与HMGB1结合以干扰其免疫活性的小分子或中和抗体；间接抑制主要通过药物或非药物方法破坏HMGB1的转运和释放来实现。

例如甘草酸是一种天然三萜，是第一个报道的HMGB1的直接抑制剂。甘草酸具有广泛的抗炎特性，并在动物模型中防止了败血症和I/R损伤；二甲双胍可以直接与HMGB1的C端结构域结合，以抑制HMGB1对小鼠巨噬细胞的细胞外促炎作用。这些发现可能促进开发出更有效、更直接、更高特异性的HMGB1抑制剂。另一大类化合物可以抑制HMGB1的释放。这种抑制剂可以来源于天然产物或者可以化学合成。其中，丙酮酸乙酯通常用于抑制HMGB1的释放，在实验性败血症或无菌组织损伤的小鼠模型中抑制促炎途径。

小结

在50年前，HMGB1被发现作为DNA伴侣在维持染色质结构和功能中的发挥重要作用。在随后的几十年中，研究更多地集中于鉴定细胞外和胞质HMGB1在细胞应激和免疫反应中的功能。在炎症的早期阶段，HMGB1的释放可能刺激免疫和炎症反应，有助于微生物清除和伤口愈合。然而，慢性炎症和HMGB1的释放会引发细胞因子风暴，随后导致免疫细胞死亡和免疫抑制。

最近的研究表明，HMGB1拮抗剂在广泛的临床前疾病模型中显示出巨大的成功，特别是感染性和无菌性炎症疾病，这表明HMGB1是一个有吸引力的治疗靶点。然而未来， HMGB1的临床应用仍然面临着一些挑战：首先，我们如何区分每个HMGB1受体在形成免疫反应中的具体贡献？目前报道的HMGB1受体似乎被各种细胞类型广泛表达，包括免疫细胞、内皮细胞和成纤维细胞，但HMGB1在体内结合这些受体的能力及其时间依赖性和细胞选择性仍然未知。

其次，HMGB1在不同细胞死亡信号刺激的各种细胞死亡过程中的释放是否介导了相同的免疫反应？死亡或垂死的细胞不仅释放HMGB1，还释放其他非免疫原性和免疫原性分子。与报道的HMGB1和其他DAMP的协同作用相反，细胞死亡产生的非免疫原性DAMP对HMGB1炎症调节功能的影响仍知之甚少。

第三，仍然缺乏高效和选择性的HMGB1抑制剂。HMGB1抑制剂的设计可以考虑对特定细胞内或细胞外功能的选择性抑制。总体而言，选择性抑制细胞内HMGB1的自噬和核稳态功能可能有利于肿瘤治疗，干扰细胞外HMGB1活性可能有助于治疗炎症性疾病。HMGB1有几个结合伴侣，设计一种能破坏HMGB1与某一个结合伴侣的相互作用而不影响其他的抑制剂可能非常具有挑战性。

总之，针对这些问题进一步探索HMGB1的病理生理学将非常重要。我们期待着HMGB1发现的新时代，可以进入到实际的临床应用，解决更多患者未满足的临床需求。

参考文献：

1. The multifunctional protein HMGB1: 50 years of discovery. Nat Rev Immunol. 2023 Jun 15.

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