高遷移率族蛋白B1翻譯后修飾與疾?、?/h1>
2020-05-13 10:04:38劉蔚婷石詠軍曹師榮
中國免疫學(xué)雜志 2020年7期
劉蔚婷 石詠軍 曹師榮
(惠州市中心人民醫(yī)院,惠州 516001)
高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein，HMGB1)是細(xì)胞核內(nèi)一種含量豐富的DNA結(jié)合非組蛋白，因其在聚丙烯酰胺凝膠電泳時的快速遷移而得名。生理狀態(tài)下，HMGB1在細(xì)胞核內(nèi)參與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯，在細(xì)胞應(yīng)激過程中，它經(jīng)翻譯后修飾(post-translational modifications，PTMs)，在細(xì)胞質(zhì)中及細(xì)胞外以一種“晚期炎癥介質(zhì)”和“損傷相關(guān)模式分子”的新角色與不同受體結(jié)合，從而介導(dǎo)疾病的炎癥發(fā)展及免疫應(yīng)答。HMGB1不同亞型也在腫瘤的發(fā)生、浸潤和轉(zhuǎn)移的生物學(xué)行為中發(fā)揮不同作用。本文就HMGB1的PTMs在一些炎癥、免疫及腫瘤疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
1 HMGB1及其翻譯后修飾
1.1HMGB1的結(jié)構(gòu)及功能 HMGB1是哺乳動物中表達(dá)最豐富和分布最普遍的核蛋白，其氨基酸序列同源性>98.5%[1]。人類HMGB1含有215個氨基酸殘基，主要由A-box、B-box和C-tail 3個結(jié)構(gòu)域組成。A-box和B-box為DNA結(jié)合域，而C-tail可增加A-box和B-box與DNA的親和力。此外，HMGB1含有核定位序列(nuclear localization sequences，NLSs)和核輸出序列(nuclear export sequences，NESs)，它們分別為核輸入蛋白復(fù)合物和核輸出蛋白復(fù)合物所識別。這些均是HMGB1能在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)不斷穿梭和發(fā)揮不同生物學(xué)作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。生理狀態(tài)下，細(xì)胞核內(nèi)HMGB1的A、B-box通過結(jié)合和彎曲DNA結(jié)構(gòu)共同參與DNA復(fù)制和穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄、重組以及促進(jìn)DNA損傷修復(fù)等。在感染、細(xì)胞應(yīng)激、免疫反應(yīng)等情況下，HMGB1發(fā)生翻譯后修飾，主要發(fā)生在A-box(含NLS1序列)和NLS2等結(jié)構(gòu)上(圖1)[2]，隨后HMGB1呈現(xiàn)出核轉(zhuǎn)運(yùn)，并主動釋放到細(xì)胞外，參與炎癥的發(fā)生或反饋性調(diào)節(jié)程序性細(xì)胞死亡。
圖1 HMGB1的結(jié)構(gòu)及其翻譯后修飾Fig.1 Structure of HMGB1 and its post-translatio-nal modifications
1.2HMGB1翻譯后修飾的形式和功能 HMGB1有數(shù)種PTM形式，包括乙?；DP-核糖基化、甲基化、磷酸化、糖基化和氧化(完全還原化、部分氧化、完全氧化)等。PTMs對HMGB1的亞細(xì)胞定位和生物學(xué)功能至關(guān)重要。不同的HMGB1亞型發(fā)揮不同的生物學(xué)活性。生理狀態(tài)下，NLSs位點完全還原化使HMGB1主要定位在細(xì)胞核，使其參與染色質(zhì)穩(wěn)定以及DNA復(fù)制等基本生命活動過程。而HMGB1在NLSs位點上的乙?；⒓谆土姿峄艽龠M(jìn)其從胞核到胞質(zhì)的易位并影響其生物學(xué)功能。在程序性細(xì)胞死亡(包括焦亡、壞死、凋亡、中性粒細(xì)胞胞外誘捕網(wǎng)等)或分泌溶酶體的介導(dǎo)下，細(xì)胞質(zhì)中的HMGB1釋放或分泌到細(xì)胞外。而HMGB1的氧化修飾決定了它在細(xì)胞外調(diào)節(jié)炎癥和細(xì)胞死亡方式的能力，對激活炎癥小體和細(xì)胞焦亡、促進(jìn)自噬、對抗細(xì)胞凋亡等活動有著重要影響[2-6]。本文重點敘述HMGB1的乙?；?、甲基化、磷酸化和氧化修飾。
乙?；篐MGB1乙酰化可發(fā)生在NLS的賴氨酸位點2(lysine，Lys2)和Lys11上。HMGB1的NLSs位點乙?；悄壳把芯孔疃嗟恼{(diào)控HMGB1從胞核轉(zhuǎn)向胞質(zhì)的PTM[3]。脂多糖或干擾素等刺激因子通過JAK/STAT1信號通路誘導(dǎo)HMGB1的NLSs位點乙酰化，從而促進(jìn)核HMGB1向細(xì)胞質(zhì)易位[3]。乙?；疕MGB1可能通過與NLRP3受體結(jié)合，活化IL-1β和IL-18 等炎癥因子，參與觸發(fā)細(xì)胞焦亡，促進(jìn)炎癥發(fā)生[4,5]。
甲基化：髓細(xì)胞終末分化的過程中,中性粒細(xì)胞中的HMGB1在Lys42上發(fā)生單甲基化[7]。甲基化修飾通過改變A-box的構(gòu)象，顯著降低HMGB1的DNA結(jié)合活性,使HMGB1從中性粒細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)并成為抗中性粒細(xì)胞胞漿抗體(ANCA)的新抗原[7]。
磷酸化：在脊椎動物中，HMGB1磷酸化由PKC、酪蛋白激酶Ⅰ等介導(dǎo)[8]。磷酸化對HMGB1結(jié)合和彎曲DNA的親和力、核質(zhì)分布和釋放均有影響[8-10]。TNF-α通過依賴鈣調(diào)蛋白依賴激酶IV的鈣信號通路可使巨噬細(xì)胞中HMGB1的NLSs上多個絲氨酸殘基(35、39、42、46、53和181)發(fā)生磷酸化，這降低了HMGB1與核輸入蛋白復(fù)合物的結(jié)合力，從而促進(jìn)其向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移及其最終的釋放[10-12]。磷酸化HMGB1作為致炎因子參與一些炎癥和免疫疾病過程，如缺血再灌注損傷[13]。
氧化：細(xì)胞外HMGB1的氧化修飾發(fā)生在它的三個關(guān)鍵半胱氨酸殘基(cysteine，Cys)上，即Cys23、Cys45和Cys106位點。Cys23、Cys45和Cys106位點的氧化還原程度影響了HMGB1在細(xì)胞外調(diào)節(jié)炎癥的能力：完全還原化HMGB1(SH-SH-SH)在Cys23、Cys45、Cys106 位點均連接硫醇側(cè)鏈，它與趨化因子CXCL12形成復(fù)合物，通過趨化因子受體4(C-X-C chemokine receptor type 4，CXCR4)通路發(fā)揮趨化作用[14]。部分氧化HMGB1在Cys23和Cys45之間形成二硫橋，因此又稱二硫化HMGB1(S-S-SH)，作為一個強(qiáng)力促炎因子通過Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)通路引發(fā)炎癥反應(yīng)[15-17]。完全氧化HMGB1的Cys23、Cys45、Cys106位點全被氧化，又稱磺化HMGB1(R-SO3H)，它處于一種免疫惰性狀態(tài)，不與CXCR4或TLR4結(jié)合，既無趨化活性也無促炎活性。由此可見，完全還原化和二硫化HMGB1有促進(jìn)炎癥發(fā)生的功能，而磺化HMGB1則可能起著抑制炎癥發(fā)生的作用。
HMGB1的各種翻譯后修飾既可獨(dú)自發(fā)揮作用又有相互聯(lián)系。如乙酰化、甲基化、磷酸化等修飾通過不同的信號通路各自促進(jìn)HMGB1從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。氧化修飾中，具有趨化活性的完全還原化HMGB1和具有促炎活性的二硫化HMGB1相互協(xié)同促進(jìn)炎癥的發(fā)生發(fā)展，而不具免疫活性的磺化HMGB1則對完全還原化、二硫化HMGB1起拮抗作用[18]。
2 HMGB1翻譯后修飾與疾病的關(guān)系
2.1HMGB1翻譯后修飾與炎癥
2.1.1膿毒癥 膿毒癥發(fā)生時,巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞中HMGB1的NLSs位點廣泛乙酰化，使得HMGB1向細(xì)胞質(zhì)移動并進(jìn)一步被特異性分泌溶酶體包裹，隨后乙?；疕MGB1即以胞吐的方式主動釋放到胞外[19]。細(xì)胞外乙?；疕MGB1反過來刺激巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的遷移和吞噬[20]，并激活一系列促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和分泌，如TNF、IL-1、IL-6、IL-8，進(jìn)而發(fā)揮炎癥介質(zhì)效應(yīng)[4]。
另有研究表明，給予急性期膿毒癥存活者抗HMGB1單克隆抗體對學(xué)習(xí)和記憶能力有顯著的保護(hù)作用，而給予二硫化HMGB1可誘導(dǎo)認(rèn)知障礙[21]。雖然二硫化HMGB1導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的機(jī)制尚不明確，但這些結(jié)果已經(jīng)提示二硫化HMGB1對發(fā)生認(rèn)知功能衰退的膿毒癥后遺癥患者有神經(jīng)性炎癥致病作用，為在臨床上應(yīng)用HMGB1單克隆抗體以改善疾病預(yù)后提供了重要的實驗依據(jù)。
2.1.2創(chuàng)傷 有研究證實，二硫化HMGB1是參與創(chuàng)傷后全身炎癥的重要介質(zhì)。重度創(chuàng)傷患者在創(chuàng)傷后3～6 h表達(dá)了第二個全身性HMGB1波峰，其中的二硫化HMGB1與全身炎癥嚴(yán)重程度顯著相關(guān)。這些結(jié)果為進(jìn)一步探索二硫化HMGB1在創(chuàng)傷后炎癥反應(yīng)中的作用機(jī)制提供了實驗基礎(chǔ)，并為抑制二硫化HMGB1釋放提供了時間窗[22]。
2.1.3藥物性肝損傷 HMGB1與對乙酰氨基酚(acetaminophen，APAP)中毒的發(fā)生機(jī)制有密切關(guān)系，HMGB1參與APAP所致的急性肝損傷在人類和動物模型中都有廣泛研究[23,24]。Daniel等[23]為了解HMGB1的PTMs對APAP肝毒性的影響，首次在臨床研究中對活化免疫細(xì)胞產(chǎn)生的血液循環(huán)乙?；疕MGB1進(jìn)行了定性和定量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比肝損傷患者血清總HMGB1的變化，血清乙酰化HMGB1僅在肝衰竭等預(yù)后差或死亡的患者中才升高。這表明，血乙?；疕MGB1的水平可能反映了肝炎癥細(xì)胞浸潤和活化的程度，而且比HMGB1更具有提示預(yù)后不良的特異性。
2.1.4缺血再灌注損傷 最近研究表明，HMGB1作為一種損傷相關(guān)模式分子，可在心臟、肝臟、腎臟、大腦等多個器官中引發(fā)缺血再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)損傷的炎癥反應(yīng)[13,25-27]。Tsung等[13]研究表明，細(xì)胞外的乙?；?、磷酸化和甲基化HMGB1可能通過刺激TNF和IL-6的生成觸發(fā)肝臟I/R損傷的炎癥反應(yīng)。Liu等[28]研究卻發(fā)現(xiàn)HMGB1的氧化修飾減弱了其在肝損傷過程的促炎活性，但該研究并未指出是HMGB1的部分氧化亦是完全氧化減弱了其促炎活性。而肝I/R損傷是一個以促炎活動為主的過程，是否乙?；⒘姿峄图谆疕MGB1的促進(jìn)炎癥作用超越了氧化HMGB1的抑制炎癥作用，尚待進(jìn)一步研究。Yang等[29]研究提出β-石竹烯可通過抑制 HMGB1/ccTLR4/NK-κB通路減輕小鼠局灶性腦缺血再灌注損傷，而二硫化HMGB1正是通過TLR4通路發(fā)揮促炎活性的。β-石竹烯是否通過抑制二硫化HMGB1減輕缺血再灌注損傷尚有待進(jìn)一步研究。
2.1.5癲癇 HMGB1是致癇性損傷引起的無菌性神經(jīng)炎的已知介質(zhì)。Walker等[30]發(fā)現(xiàn)，在急性致癇性損傷動物模型的腦海馬組織裂解物中，乙?；疕MGB1在癲癇持續(xù)狀態(tài)后3 h至4 d內(nèi)逐漸增加。HMGB1的氧化還原狀態(tài)在癲癇形成過程中也發(fā)生了變化：在癲癇持續(xù)狀態(tài)后第3小時，僅檢測出完全還原化HMGB1的增加，但在6 h至4 d內(nèi)，二硫化HMGB1也隨完全還原化HMGB1一起增加，而磺化HMGB1在癲癇持續(xù)狀態(tài)后的任何時間點均未檢測到。在同一實驗動物模型的血液中，乙?；投蚧疕MGB1增加相對腦組織延遲了6小時以上，并且二硫化HMGB1也出現(xiàn)在完全還原化HMGB1增加之后。這些實驗結(jié)果反映了在癲癇形成過程中HMGB1可能由腦脊液向血液轉(zhuǎn)運(yùn)，并且不同時間段的乙?；投蚧疕MGB1的水平可能反映了致癇性損傷后細(xì)胞損傷的程度。
目前癲癇診斷后發(fā)作和復(fù)發(fā)的預(yù)后評估是基于年齡、發(fā)作類型、腦電圖和磁共振成像等臨床因素，但這缺乏精確性，聯(lián)合檢測腦脊液或血液中乙?；投蚧疕MGB1的水平變化或許能使現(xiàn)有評估標(biāo)準(zhǔn)得到可觀的改進(jìn)。
2.2HMGB1翻譯后修飾與自身免疫性疾病
2.2.1類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 對幼年型類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)患者關(guān)節(jié)滑液的質(zhì)譜分析表明[31]，滑膜巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞在滑膜組織中分泌了大量乙?；疕MGB1，以及有趨化作用和炎癥因子誘導(dǎo)功能的完全還原化和二硫化HMGB1，而中性粒細(xì)胞在滑膜組織中釋放的主要是單甲基化HMGB1，它們可能通過促進(jìn)TNF、IL-1等炎癥因子的產(chǎn)生而共同參與滑膜炎的發(fā)生。
2.2.2系統(tǒng)性紅斑狼瘡 系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)患者血漿中HMGB1水平升高并與疾病活動相關(guān)?；腔疕MGB1喪失刺激細(xì)胞因子或誘導(dǎo)趨化的功能，相反它可誘導(dǎo)免疫耐受，雖然這與SLE以凋亡為中心的細(xì)胞死亡形式相符，卻不符合SLE免疫性炎癥的特點[32，33]。上述結(jié)論提示，除凋亡外，SLE的免疫性炎癥過程還可能通過細(xì)胞焦亡或中性粒細(xì)胞胞外誘捕網(wǎng)等程序性細(xì)胞死亡方式導(dǎo)致細(xì)胞死亡，而這可能由具有免疫活性的完全還原化和二硫化HMGB1介導(dǎo)。然而，目前關(guān)于HMGB1亞型與SLE發(fā)病機(jī)制關(guān)系的研究甚少，這是值得我們進(jìn)一步探索的問題。
2.2.3系統(tǒng)性硬化癥 系統(tǒng)性硬化癥(systemic sclerosis,SSc)典型病理過程是中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞的激活和損傷。Norma等[34]研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1氧化修飾影響著中性粒細(xì)胞的激活程度：中性粒細(xì)胞胞膜上髓過氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)的表達(dá)水平可反映其活化程度。而磺化HMGB1在誘導(dǎo)膜MPO表達(dá)上明顯優(yōu)于完全還原化HMGB1。這提示磺化HMGB1參與SSc的發(fā)病過程。
2.3HMGB1翻譯后修飾與腫瘤 HMGB1在腫瘤發(fā)生發(fā)展中是一把雙刃劍，起著致癌和抑癌的雙重作用，這與HMGB1的定位和PTMs有著密切聯(lián)系[35]。
2.3.1致癌作用 細(xì)胞外HMGB1通過多種受體，如晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor of advanced glycation end product,RAGE)和TLR4，介導(dǎo)腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞的相互作用，促進(jìn)癌細(xì)胞的生長和擴(kuò)散，包括維持炎癥微環(huán)境[36-38]，補(bǔ)充代謝需要[35，39]，促進(jìn)侵襲和轉(zhuǎn)移[40]，抑制抗癌免疫[41]，促進(jìn)血管生成[42,43]。二硫化HMGB1通過與RAGE結(jié)合誘導(dǎo)自噬，促進(jìn)癌細(xì)胞的抗藥性，從而促進(jìn)癌癥的發(fā)展[44]。
2.3.2抑癌作用 細(xì)胞核內(nèi)HMGB1具有DNA伴侶活性的重要結(jié)構(gòu)因子，HMGB1的缺失將導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，端粒縮短。另外，HMGB1的缺失還會導(dǎo)致炎癥和細(xì)胞器損傷，而這恰是癌癥發(fā)生的主要驅(qū)動力[39,45]。與二硫化HMGB1相反，活性氧簇作用形成的磺化HMGB1增加了抗癌藥物的細(xì)胞毒性，并通過線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而抑制癌癥的發(fā)展[46]。這提示，阻斷二硫化HMGB1釋放和促進(jìn)HMGB1的磺化可能對治療癌癥有幫助。
3 問題與展望
在生物學(xué)領(lǐng)域，HMGB1是罕見的具有豐富結(jié)構(gòu)形式和功能的分子。HMGB1以其復(fù)雜多樣的PTMs形成的不同亞型參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展，它在癌癥中的雙相作用更是展現(xiàn)出其獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)。然而HMGB1的PTMs在多大程度上影響著疾病的發(fā)生發(fā)展和預(yù)后，及其形成的不同亞型作為生物標(biāo)志物的優(yōu)勢和局限性有待更進(jìn)一步的研究。探索HMGB1亞型的功能多樣性一直是醫(yī)學(xué)研究的熱點，也是開發(fā)新的抗炎和免疫抑制療法的關(guān)鍵。
劉蔚婷 石詠軍 曹師榮
(惠州市中心人民醫(yī)院,惠州 516001)
高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein，HMGB1)是細(xì)胞核內(nèi)一種含量豐富的DNA結(jié)合非組蛋白，因其在聚丙烯酰胺凝膠電泳時的快速遷移而得名。生理狀態(tài)下，HMGB1在細(xì)胞核內(nèi)參與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯，在細(xì)胞應(yīng)激過程中，它經(jīng)翻譯后修飾(post-translational modifications，PTMs)，在細(xì)胞質(zhì)中及細(xì)胞外以一種“晚期炎癥介質(zhì)”和“損傷相關(guān)模式分子”的新角色與不同受體結(jié)合，從而介導(dǎo)疾病的炎癥發(fā)展及免疫應(yīng)答。HMGB1不同亞型也在腫瘤的發(fā)生、浸潤和轉(zhuǎn)移的生物學(xué)行為中發(fā)揮不同作用。本文就HMGB1的PTMs在一些炎癥、免疫及腫瘤疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
1 HMGB1及其翻譯后修飾
1.1HMGB1的結(jié)構(gòu)及功能 HMGB1是哺乳動物中表達(dá)最豐富和分布最普遍的核蛋白，其氨基酸序列同源性>98.5%[1]。人類HMGB1含有215個氨基酸殘基，主要由A-box、B-box和C-tail 3個結(jié)構(gòu)域組成。A-box和B-box為DNA結(jié)合域，而C-tail可增加A-box和B-box與DNA的親和力。此外，HMGB1含有核定位序列(nuclear localization sequences，NLSs)和核輸出序列(nuclear export sequences，NESs)，它們分別為核輸入蛋白復(fù)合物和核輸出蛋白復(fù)合物所識別。這些均是HMGB1能在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)不斷穿梭和發(fā)揮不同生物學(xué)作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。生理狀態(tài)下，細(xì)胞核內(nèi)HMGB1的A、B-box通過結(jié)合和彎曲DNA結(jié)構(gòu)共同參與DNA復(fù)制和穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄、重組以及促進(jìn)DNA損傷修復(fù)等。在感染、細(xì)胞應(yīng)激、免疫反應(yīng)等情況下，HMGB1發(fā)生翻譯后修飾，主要發(fā)生在A-box(含NLS1序列)和NLS2等結(jié)構(gòu)上(圖1)[2]，隨后HMGB1呈現(xiàn)出核轉(zhuǎn)運(yùn)，并主動釋放到細(xì)胞外，參與炎癥的發(fā)生或反饋性調(diào)節(jié)程序性細(xì)胞死亡。
圖1 HMGB1的結(jié)構(gòu)及其翻譯后修飾Fig.1 Structure of HMGB1 and its post-translatio-nal modifications
1.2HMGB1翻譯后修飾的形式和功能 HMGB1有數(shù)種PTM形式，包括乙?；DP-核糖基化、甲基化、磷酸化、糖基化和氧化(完全還原化、部分氧化、完全氧化)等。PTMs對HMGB1的亞細(xì)胞定位和生物學(xué)功能至關(guān)重要。不同的HMGB1亞型發(fā)揮不同的生物學(xué)活性。生理狀態(tài)下，NLSs位點完全還原化使HMGB1主要定位在細(xì)胞核，使其參與染色質(zhì)穩(wěn)定以及DNA復(fù)制等基本生命活動過程。而HMGB1在NLSs位點上的乙?；⒓谆土姿峄艽龠M(jìn)其從胞核到胞質(zhì)的易位并影響其生物學(xué)功能。在程序性細(xì)胞死亡(包括焦亡、壞死、凋亡、中性粒細(xì)胞胞外誘捕網(wǎng)等)或分泌溶酶體的介導(dǎo)下，細(xì)胞質(zhì)中的HMGB1釋放或分泌到細(xì)胞外。而HMGB1的氧化修飾決定了它在細(xì)胞外調(diào)節(jié)炎癥和細(xì)胞死亡方式的能力，對激活炎癥小體和細(xì)胞焦亡、促進(jìn)自噬、對抗細(xì)胞凋亡等活動有著重要影響[2-6]。本文重點敘述HMGB1的乙?；?、甲基化、磷酸化和氧化修飾。
乙?；篐MGB1乙酰化可發(fā)生在NLS的賴氨酸位點2(lysine，Lys2)和Lys11上。HMGB1的NLSs位點乙?；悄壳把芯孔疃嗟恼{(diào)控HMGB1從胞核轉(zhuǎn)向胞質(zhì)的PTM[3]。脂多糖或干擾素等刺激因子通過JAK/STAT1信號通路誘導(dǎo)HMGB1的NLSs位點乙酰化，從而促進(jìn)核HMGB1向細(xì)胞質(zhì)易位[3]。乙?；疕MGB1可能通過與NLRP3受體結(jié)合，活化IL-1β和IL-18 等炎癥因子，參與觸發(fā)細(xì)胞焦亡，促進(jìn)炎癥發(fā)生[4,5]。
甲基化：髓細(xì)胞終末分化的過程中,中性粒細(xì)胞中的HMGB1在Lys42上發(fā)生單甲基化[7]。甲基化修飾通過改變A-box的構(gòu)象，顯著降低HMGB1的DNA結(jié)合活性,使HMGB1從中性粒細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)并成為抗中性粒細(xì)胞胞漿抗體(ANCA)的新抗原[7]。
磷酸化：在脊椎動物中，HMGB1磷酸化由PKC、酪蛋白激酶Ⅰ等介導(dǎo)[8]。磷酸化對HMGB1結(jié)合和彎曲DNA的親和力、核質(zhì)分布和釋放均有影響[8-10]。TNF-α通過依賴鈣調(diào)蛋白依賴激酶IV的鈣信號通路可使巨噬細(xì)胞中HMGB1的NLSs上多個絲氨酸殘基(35、39、42、46、53和181)發(fā)生磷酸化，這降低了HMGB1與核輸入蛋白復(fù)合物的結(jié)合力，從而促進(jìn)其向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移及其最終的釋放[10-12]。磷酸化HMGB1作為致炎因子參與一些炎癥和免疫疾病過程，如缺血再灌注損傷[13]。
氧化：細(xì)胞外HMGB1的氧化修飾發(fā)生在它的三個關(guān)鍵半胱氨酸殘基(cysteine，Cys)上，即Cys23、Cys45和Cys106位點。Cys23、Cys45和Cys106位點的氧化還原程度影響了HMGB1在細(xì)胞外調(diào)節(jié)炎癥的能力：完全還原化HMGB1(SH-SH-SH)在Cys23、Cys45、Cys106 位點均連接硫醇側(cè)鏈，它與趨化因子CXCL12形成復(fù)合物，通過趨化因子受體4(C-X-C chemokine receptor type 4，CXCR4)通路發(fā)揮趨化作用[14]。部分氧化HMGB1在Cys23和Cys45之間形成二硫橋，因此又稱二硫化HMGB1(S-S-SH)，作為一個強(qiáng)力促炎因子通過Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)通路引發(fā)炎癥反應(yīng)[15-17]。完全氧化HMGB1的Cys23、Cys45、Cys106位點全被氧化，又稱磺化HMGB1(R-SO3H)，它處于一種免疫惰性狀態(tài)，不與CXCR4或TLR4結(jié)合，既無趨化活性也無促炎活性。由此可見，完全還原化和二硫化HMGB1有促進(jìn)炎癥發(fā)生的功能，而磺化HMGB1則可能起著抑制炎癥發(fā)生的作用。
HMGB1的各種翻譯后修飾既可獨(dú)自發(fā)揮作用又有相互聯(lián)系。如乙酰化、甲基化、磷酸化等修飾通過不同的信號通路各自促進(jìn)HMGB1從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。氧化修飾中，具有趨化活性的完全還原化HMGB1和具有促炎活性的二硫化HMGB1相互協(xié)同促進(jìn)炎癥的發(fā)生發(fā)展，而不具免疫活性的磺化HMGB1則對完全還原化、二硫化HMGB1起拮抗作用[18]。
2 HMGB1翻譯后修飾與疾病的關(guān)系
2.1HMGB1翻譯后修飾與炎癥
2.1.1膿毒癥 膿毒癥發(fā)生時,巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞中HMGB1的NLSs位點廣泛乙酰化，使得HMGB1向細(xì)胞質(zhì)移動并進(jìn)一步被特異性分泌溶酶體包裹，隨后乙?；疕MGB1即以胞吐的方式主動釋放到胞外[19]。細(xì)胞外乙?；疕MGB1反過來刺激巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的遷移和吞噬[20]，并激活一系列促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和分泌，如TNF、IL-1、IL-6、IL-8，進(jìn)而發(fā)揮炎癥介質(zhì)效應(yīng)[4]。
另有研究表明，給予急性期膿毒癥存活者抗HMGB1單克隆抗體對學(xué)習(xí)和記憶能力有顯著的保護(hù)作用，而給予二硫化HMGB1可誘導(dǎo)認(rèn)知障礙[21]。雖然二硫化HMGB1導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的機(jī)制尚不明確，但這些結(jié)果已經(jīng)提示二硫化HMGB1對發(fā)生認(rèn)知功能衰退的膿毒癥后遺癥患者有神經(jīng)性炎癥致病作用，為在臨床上應(yīng)用HMGB1單克隆抗體以改善疾病預(yù)后提供了重要的實驗依據(jù)。
2.1.2創(chuàng)傷 有研究證實，二硫化HMGB1是參與創(chuàng)傷后全身炎癥的重要介質(zhì)。重度創(chuàng)傷患者在創(chuàng)傷后3～6 h表達(dá)了第二個全身性HMGB1波峰，其中的二硫化HMGB1與全身炎癥嚴(yán)重程度顯著相關(guān)。這些結(jié)果為進(jìn)一步探索二硫化HMGB1在創(chuàng)傷后炎癥反應(yīng)中的作用機(jī)制提供了實驗基礎(chǔ)，并為抑制二硫化HMGB1釋放提供了時間窗[22]。
2.1.3藥物性肝損傷 HMGB1與對乙酰氨基酚(acetaminophen，APAP)中毒的發(fā)生機(jī)制有密切關(guān)系，HMGB1參與APAP所致的急性肝損傷在人類和動物模型中都有廣泛研究[23,24]。Daniel等[23]為了解HMGB1的PTMs對APAP肝毒性的影響，首次在臨床研究中對活化免疫細(xì)胞產(chǎn)生的血液循環(huán)乙?；疕MGB1進(jìn)行了定性和定量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比肝損傷患者血清總HMGB1的變化，血清乙酰化HMGB1僅在肝衰竭等預(yù)后差或死亡的患者中才升高。這表明，血乙?；疕MGB1的水平可能反映了肝炎癥細(xì)胞浸潤和活化的程度，而且比HMGB1更具有提示預(yù)后不良的特異性。
2.1.4缺血再灌注損傷 最近研究表明，HMGB1作為一種損傷相關(guān)模式分子，可在心臟、肝臟、腎臟、大腦等多個器官中引發(fā)缺血再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)損傷的炎癥反應(yīng)[13,25-27]。Tsung等[13]研究表明，細(xì)胞外的乙?；?、磷酸化和甲基化HMGB1可能通過刺激TNF和IL-6的生成觸發(fā)肝臟I/R損傷的炎癥反應(yīng)。Liu等[28]研究卻發(fā)現(xiàn)HMGB1的氧化修飾減弱了其在肝損傷過程的促炎活性，但該研究并未指出是HMGB1的部分氧化亦是完全氧化減弱了其促炎活性。而肝I/R損傷是一個以促炎活動為主的過程，是否乙?；⒘姿峄图谆疕MGB1的促進(jìn)炎癥作用超越了氧化HMGB1的抑制炎癥作用，尚待進(jìn)一步研究。Yang等[29]研究提出β-石竹烯可通過抑制 HMGB1/ccTLR4/NK-κB通路減輕小鼠局灶性腦缺血再灌注損傷，而二硫化HMGB1正是通過TLR4通路發(fā)揮促炎活性的。β-石竹烯是否通過抑制二硫化HMGB1減輕缺血再灌注損傷尚有待進(jìn)一步研究。
2.1.5癲癇 HMGB1是致癇性損傷引起的無菌性神經(jīng)炎的已知介質(zhì)。Walker等[30]發(fā)現(xiàn)，在急性致癇性損傷動物模型的腦海馬組織裂解物中，乙?；疕MGB1在癲癇持續(xù)狀態(tài)后3 h至4 d內(nèi)逐漸增加。HMGB1的氧化還原狀態(tài)在癲癇形成過程中也發(fā)生了變化：在癲癇持續(xù)狀態(tài)后第3小時，僅檢測出完全還原化HMGB1的增加，但在6 h至4 d內(nèi)，二硫化HMGB1也隨完全還原化HMGB1一起增加，而磺化HMGB1在癲癇持續(xù)狀態(tài)后的任何時間點均未檢測到。在同一實驗動物模型的血液中，乙?；投蚧疕MGB1增加相對腦組織延遲了6小時以上，并且二硫化HMGB1也出現(xiàn)在完全還原化HMGB1增加之后。這些實驗結(jié)果反映了在癲癇形成過程中HMGB1可能由腦脊液向血液轉(zhuǎn)運(yùn)，并且不同時間段的乙?；投蚧疕MGB1的水平可能反映了致癇性損傷后細(xì)胞損傷的程度。
目前癲癇診斷后發(fā)作和復(fù)發(fā)的預(yù)后評估是基于年齡、發(fā)作類型、腦電圖和磁共振成像等臨床因素，但這缺乏精確性，聯(lián)合檢測腦脊液或血液中乙?；投蚧疕MGB1的水平變化或許能使現(xiàn)有評估標(biāo)準(zhǔn)得到可觀的改進(jìn)。
2.2HMGB1翻譯后修飾與自身免疫性疾病
2.2.1類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 對幼年型類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)患者關(guān)節(jié)滑液的質(zhì)譜分析表明[31]，滑膜巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞在滑膜組織中分泌了大量乙?；疕MGB1，以及有趨化作用和炎癥因子誘導(dǎo)功能的完全還原化和二硫化HMGB1，而中性粒細(xì)胞在滑膜組織中釋放的主要是單甲基化HMGB1，它們可能通過促進(jìn)TNF、IL-1等炎癥因子的產(chǎn)生而共同參與滑膜炎的發(fā)生。
2.2.2系統(tǒng)性紅斑狼瘡 系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)患者血漿中HMGB1水平升高并與疾病活動相關(guān)?；腔疕MGB1喪失刺激細(xì)胞因子或誘導(dǎo)趨化的功能，相反它可誘導(dǎo)免疫耐受，雖然這與SLE以凋亡為中心的細(xì)胞死亡形式相符，卻不符合SLE免疫性炎癥的特點[32，33]。上述結(jié)論提示，除凋亡外，SLE的免疫性炎癥過程還可能通過細(xì)胞焦亡或中性粒細(xì)胞胞外誘捕網(wǎng)等程序性細(xì)胞死亡方式導(dǎo)致細(xì)胞死亡，而這可能由具有免疫活性的完全還原化和二硫化HMGB1介導(dǎo)。然而，目前關(guān)于HMGB1亞型與SLE發(fā)病機(jī)制關(guān)系的研究甚少，這是值得我們進(jìn)一步探索的問題。
2.2.3系統(tǒng)性硬化癥 系統(tǒng)性硬化癥(systemic sclerosis,SSc)典型病理過程是中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞的激活和損傷。Norma等[34]研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1氧化修飾影響著中性粒細(xì)胞的激活程度：中性粒細(xì)胞胞膜上髓過氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)的表達(dá)水平可反映其活化程度。而磺化HMGB1在誘導(dǎo)膜MPO表達(dá)上明顯優(yōu)于完全還原化HMGB1。這提示磺化HMGB1參與SSc的發(fā)病過程。
2.3HMGB1翻譯后修飾與腫瘤 HMGB1在腫瘤發(fā)生發(fā)展中是一把雙刃劍，起著致癌和抑癌的雙重作用，這與HMGB1的定位和PTMs有著密切聯(lián)系[35]。
2.3.1致癌作用 細(xì)胞外HMGB1通過多種受體，如晚期糖基化終產(chǎn)物受體(receptor of advanced glycation end product,RAGE)和TLR4，介導(dǎo)腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞的相互作用，促進(jìn)癌細(xì)胞的生長和擴(kuò)散，包括維持炎癥微環(huán)境[36-38]，補(bǔ)充代謝需要[35，39]，促進(jìn)侵襲和轉(zhuǎn)移[40]，抑制抗癌免疫[41]，促進(jìn)血管生成[42,43]。二硫化HMGB1通過與RAGE結(jié)合誘導(dǎo)自噬，促進(jìn)癌細(xì)胞的抗藥性，從而促進(jìn)癌癥的發(fā)展[44]。
2.3.2抑癌作用 細(xì)胞核內(nèi)HMGB1具有DNA伴侶活性的重要結(jié)構(gòu)因子，HMGB1的缺失將導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，端粒縮短。另外，HMGB1的缺失還會導(dǎo)致炎癥和細(xì)胞器損傷，而這恰是癌癥發(fā)生的主要驅(qū)動力[39,45]。與二硫化HMGB1相反，活性氧簇作用形成的磺化HMGB1增加了抗癌藥物的細(xì)胞毒性，并通過線粒體途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而抑制癌癥的發(fā)展[46]。這提示，阻斷二硫化HMGB1釋放和促進(jìn)HMGB1的磺化可能對治療癌癥有幫助。
3 問題與展望
在生物學(xué)領(lǐng)域，HMGB1是罕見的具有豐富結(jié)構(gòu)形式和功能的分子。HMGB1以其復(fù)雜多樣的PTMs形成的不同亞型參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展，它在癌癥中的雙相作用更是展現(xiàn)出其獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)。然而HMGB1的PTMs在多大程度上影響著疾病的發(fā)生發(fā)展和預(yù)后，及其形成的不同亞型作為生物標(biāo)志物的優(yōu)勢和局限性有待更進(jìn)一步的研究。探索HMGB1亞型的功能多樣性一直是醫(yī)學(xué)研究的熱點，也是開發(fā)新的抗炎和免疫抑制療法的關(guān)鍵。
