高遷移率族蛋白B1及其信號分子作用研究進展①

逄 越 綜述 肖 蓉 薛 壯 劉 欣 李慶偉 審校

(遼寧師范大學生命科學學院,大連 116029)

HMGB1是HMGB亞家族成員之一。早期研究顯示,HMGB1是一種DNA結(jié)合蛋白,通過與多種轉(zhuǎn)錄因子、復制蛋白、甾體受體及RAG1重組酶作用,參與DNA重組、修復、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控,細胞復制和分化成熟等多種生命活動[1]。隨著研究的深入,人們對HMGB1有了豐富的認識,包括其基因和分子結(jié)構(gòu)、蛋白的合成和分泌、翻譯后修飾、作用的靶細胞表面受體和胞內(nèi)的信號傳遞通路、靶細胞活化后釋放的炎癥介質(zhì)和由此導致的相關(guān)疾病、以及靶向治療的方法等。本文就HMGB1的分子特征、翻譯后修飾與其定位和分泌的關(guān)系以及其信號分子作用方面做一綜述。

1 HMGB1分子特征

人類HMGB1的基因位于13q12,共有5個外顯子和4個內(nèi)含子,基因編碼215個氨基酸[2]。蛋白分子量約為25 kD。HMGB1由三個不同結(jié)構(gòu)域組成,兩個同源的L型DNA結(jié)合區(qū)域(HMG boxes),即A box和B box,一個C末端酸性尾(acidic tail)[3]。位于N端的A box有78個氨基酸殘基(第2～79位氨基酸),B box由85個氨基酸殘基(第89～163位氨基酸)組成,通過一個短的可折疊的連接子與A box串聯(lián)連接[4]。雖然兩個HMG boxes氨基酸序列的同源性不高(20%),但其分子構(gòu)象很相似,HMG盒上的α螺旋結(jié)構(gòu)具有非特異親和力,能與DNA小凹槽結(jié)合。目前已證明A盒具有類似HMGB1抗體的作用,抑制和減弱膿毒癥等多種疾病的發(fā)生,B盒前20個氨基酸序列(第89～108位氨基酸)具有致炎活性[5,6]。C末端區(qū)約30個氨基酸殘基(第186～215位氨基酸)高度重復且富含天冬氨酸和谷氨酸殘基,參與調(diào)節(jié)HMGB1與DNA結(jié)合的親和力,有報道稱酸性尾能抑制DNA復制[7,8]。第150～183位氨基酸序列是HMGB1與晚期糖基化終產(chǎn)物受體(Receptor advanced glycation endproducts,RAGE)結(jié)合部位[9],見圖1。

2 HMGB1翻譯后修飾與其定位、分泌的關(guān)系

脊椎動物中HMGB1蛋白存在多種翻譯后修飾方式,包括乙?；⒘姿峄?、甲基化、ADP核糖基化以及低度的糖基化。被乙?；揎椀腍MGB1在功能上極其重要,不僅影響HMGB1與DNA結(jié)合的親和力,且能使細胞復制過程中組蛋白的裝配更加便利。HMGB1分子上賴氨酸殘基乙?；材軌虼龠MHMGB1從細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)位到胞漿中,并使其在胞漿內(nèi)聚集不能再進入核中。因此HMGB1被乙酰化是其向細胞外分泌的前提。研究發(fā)現(xiàn)壞死細胞和炎性細胞分泌的HMGB1結(jié)構(gòu)上有所不同,壞死細胞既分泌未經(jīng)修飾的HMGB1也分泌在2位(圖2中3位)和11位(圖 2中 12位)賴氨酸處乙?；揎椀腍MGB1,而單核細胞分泌超乙?；疕MGB1[10]。HMGB1蛋白質(zhì)分子中含有43個賴氨酸殘基,尤其在27～43(圖2中28～44)和178～184(圖2中179～185)位置上賴氨酸乙?；勺鳛楹艘莆恍盘?NLSs)。最新資料顯示,乙?；揎椀腍MGB1和HMGB2蛋白與核小體連接DNA(Linker DNA)結(jié)合的更緊密,而且也使SWI/SNF同核小體結(jié)合增強[11]。

昆蟲和植物中HMGB家族蛋白通過多種蛋白激酶和翻譯后修飾被磷酸化。脊椎動物HMGB1蛋白中絲氨酸通過鈣/phospholipid依賴蛋白激酶方式被磷酸化。磷酸化的HMGB1能影響其對轉(zhuǎn)錄因子活性的調(diào)節(jié),有助于增強構(gòu)象的穩(wěn)定性以及增強DNA結(jié)合的親和力,并且HMGB1從細胞核向細胞質(zhì)定位也與磷酸化修飾有關(guān),在NLSs中有6個絲氨酸易發(fā)生磷酸化,見圖2[12]。研究發(fā)現(xiàn)磷酸化修飾的HMGB1可使與遷移有關(guān)的基因活化從而促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展[13]。也有報道,中性粒細胞的HMGB1蛋白在42位(圖2中43位)賴氨酸處單甲基化,造成自身的穩(wěn)定性、構(gòu)象以及與DNA的親合力均下降,致使甲基化后的HMGB1從細胞核轉(zhuǎn)位至細胞質(zhì),進而影響HMGB1蛋白在亞細胞中的定位[14]。

據(jù)報道,病原相關(guān)分子模式(PAMP)和細胞因子刺激巨噬細胞分泌HMGB1的機制各異,如:LPS作為PAMP分子通過使HMGB1分子乙?；龠M其轉(zhuǎn)位和分泌;TNF-α細胞因子則通過促進HMGB1分子磷酸化調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)位和分泌。HMGB1分子存在多種修飾方式推測可能與其結(jié)合多種不同特異性受體有關(guān),進而完成多種生物學功能。

3 HMGB1受體及信號轉(zhuǎn)導途徑

3.1 HMGB1和晚期糖基化終末產(chǎn)物受體 HMGB1的生物學活性主要是通過與其相應(yīng)受體的作用而實現(xiàn),其中晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(Receptor for advanced glycation end products,RAGE)是HMGB1的主要受體[16]。正常組織中RAGE低表達,但當其配體分子表達量增多時,RAGE的表達量也隨之上調(diào)。HMGB1與RAGE結(jié)合激活其下游兩條主要信號轉(zhuǎn)導通路:其一,激活細胞絲裂原活化蛋白激酶途徑,并活化核因子-κ B(NF-κ B),從而誘導趨化因子和細胞因子產(chǎn)生,并參與免疫細胞成熟、遷移和表面受體表達;其二,激活CDC42和鳥苷三磷酸酶(Rac)途徑,參與細胞骨架重塑與細胞運動、細胞遷移、神經(jīng)軸突的生長、腫瘤生長,見圖3。

圖1 人HMGB1分子結(jié)構(gòu)[9]Fig.1 Structure of human HMGB1[9]

圖2 HMGB1翻譯后修飾[15]Fig.2 Post-translation modifications of HMGB1[15]

3.2 HMGB1和Toll樣受體 除了RAGE受體以外,Toll樣受體(TLRs)被認為是HMGB1的另一類重要家族受體。研究發(fā)現(xiàn),TLR2和TLR4的負顯性突變體轉(zhuǎn)染小鼠巨噬細胞后HMGB1的活性降低;中性粒細胞及巨噬細胞中HMGB1與TLR2和TLR4受體結(jié)合活化MyD88依賴性NF-κ B信號通路,從而促進炎癥反應(yīng),有趣的是,HMGB1激活TLR4受體引起促炎反應(yīng)機制與LPS激活TLR4受體不同[17],如HMGB1激活I(lǐng)KKα和IKKβ,而LPS僅激活I(lǐng)KKβ,另外HMGB1和LPS在激活MARK蛋白和釋放細胞因子方面也不同。有證據(jù)顯示HMGB1與TLR9相互作用可提高巨噬細胞、樹突細胞、B細胞免疫激活效率[18,19]。HMGB1特異性識別并結(jié)合單鏈DNA中CpG區(qū)并啟動信號轉(zhuǎn)導級聯(lián)反應(yīng),如NF-κ B活化通路、MAPK通路均被啟動?？傊?HMGB1同多種Toll樣受體相互作用使其成為在固有免疫中一個重要蛋白分子,見圖3。

不過最近有報道稱HMGB1不是獨自激活受體,啟動信號轉(zhuǎn)導通路,而是同 ssDNA、LPS、IL-1β,核小體等形成復合物后,再分別與TLR-9、TLR-4、IL-1R、TLR-2受體結(jié)合,致使促炎反應(yīng)顯著增強,并伴有組織損傷、激活免疫和自我免疫功能,見圖4。

4 HMGB1——細胞外重要信號分子

HMGB1可由壞死細胞被動釋放到細胞外也可由免疫細胞主動分泌到細胞外,胞外HMGB1可作為重要信號分子調(diào)控炎癥反應(yīng)、激活組織修復和再生機制以及啟動適應(yīng)性免疫應(yīng)答,見圖5。

HMGB1可誘導巨噬細胞和單核細胞產(chǎn)生多種細胞因子,如 IL-1α、IL-1β、IL-1RA、IL-6、IL-8、MIP-1α、MIP-1β等。HMGB1也能顯著上調(diào)巨噬細胞/單核細胞表達TNF-α;而TNF-α表達上調(diào)又可促使巨噬細胞/單核細胞分泌HMGB1,該正反饋通路在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

作為細胞外信號分子,HMGB1介導中性粒細胞和內(nèi)皮細胞誘導粘附分子ICAM-1、VCAM-1和RAGE受體分子表達上調(diào),也促進細胞因子TNF-α和IL-8釋放,促進MCP-1、tPA 表達[22,23]。HMGB1也可作為骨髓樣細胞及平滑肌細胞的化學趨化分子,增強ICAM-1的表達。細胞間隙中HMGB1還可刺激干細胞遷移、增殖、分化,參與組織的修復。因此,HMGB1可作為組織損傷的主要信號分子,誘導間充質(zhì)細胞遷移、增殖、分化,從而促進機體的組織修復和抗感染。

圖3 HMGB1信號轉(zhuǎn)導通路[20]Fig.3 HMGB1 signal transduction pathways[20]

圖4 HMGB1協(xié)同作用分子及特異性受體[21]Fig.4 HMGB1 plays various roles as an inducer of inflammation and binds to several receptors[21]

圖5 HMGB1是促炎、組織修復和再生及適應(yīng)性免疫應(yīng)答中重要信號分子Fig.5 HMGB1 is an important signaling molecule of the proinflammatory,repair actions and activating the immune response

HMGB1作為一個細胞外信號分子能夠與抗原呈遞細胞(APCs)表面受體RAGE結(jié)合并啟動適應(yīng)性免疫應(yīng)答。HMGB1是未成熟樹突細胞的趨化誘導劑。HMGB1可激活樹突細胞成熟,還可以促進DC表面共刺激分子CD80、CD83、CD86和MHCⅡ表達上調(diào)[24]。HMGB1也直接激活 T細胞[25]。Messmer實驗小組發(fā)現(xiàn)HMGB1激活的樹突細胞可刺激初始T細胞活化、增殖、分化為輔助性T淋巴細胞(Th)1[26]。在含有HMGB1樹突狀細胞條件培養(yǎng)基中,原始CD4+T細胞向Th1分化,當培養(yǎng)基中加入HMGB1抗體或RAGE抗體時,HMGB1刺激誘導樹突細胞表面共刺激分子CD80、CD83和CD86表達下調(diào),沒有IL-12分泌,從而不能誘導Th細胞向Th1細胞分化[27]。T細胞核因子(NFAT)是T淋巴細胞中主要的轉(zhuǎn)錄因子,HMGB1與NFAT2作用促進IL-2基因的表達,可以說HMGB1誘導T淋巴細胞成熟并釋放IL-2、IFN-γ。HMGB1也參與自身反應(yīng)性B細胞活化[18]。

5 結(jié)語和展望

HMGB1作為細胞核內(nèi)的結(jié)構(gòu)蛋白,參與核小體的構(gòu)建及維持,同時在DNA重組、復制及基因轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮重要作用。HMGB1蛋白多種翻譯后修飾方式與其從細胞核向細胞質(zhì)中轉(zhuǎn)位及分泌到細胞外有密切聯(lián)系,并且HMGB1的多種修飾方式也與其具有多種作用受體有關(guān)。細胞外HMGB1作為信號分子同細胞表面不同受體結(jié)合,激活多條信號轉(zhuǎn)導通路,執(zhí)行多種生物學功能,如誘導炎癥反應(yīng)、細胞遷移、組織修復、啟動適應(yīng)性免疫應(yīng)答等[28,29]。近年來,隨著對HMGB1免疫生物學功能深入研究,發(fā)現(xiàn)HMGB1在固有免疫和適應(yīng)性免疫應(yīng)答中發(fā)揮著重要作用,只是其在獲得性免疫研究中還處于基礎(chǔ)階段,相信在不久的將來,我們一定可以了解HMGB1是如何幫助機體的免疫系統(tǒng)識別自身抗原和外來抗原,如何平衡HMGB1對機體的炎性作用和激活免疫應(yīng)答反應(yīng)。

1 BustinM.Regulation of DNA-dependent activities by the functional motifs of the high-mobility-group chromosomal proteins[J].Mol Cell Biol,1999;19(8):5237-5246.

2 Ferrari S,Finelli P,Rocchi M et al.The active gene that encodes human high mobility group 1 protein(HMGB1)contains introns and maps to chromosome13[J].Genomics,1996;35(2):367-371.

3 Thomas J O,Travers A A.HMG1 and 2,and related‘a(chǎn)rchitectural'DNA-binding proteins[J].Trends Biochem Sci,2001;26:167-174.

4 Stott K,Tang G S,Lee K B et al.Structure of a complex of tandemHMG boxes and DNA[J].J Mol Biol,2006;360(1):90-104.

5 Zhang C L,Shu M G,Qi H W et al.Inhibition of tumor angiogenesis by HMGB1 A box peptide[J].Med Hypotheses,2008;70(2):343-345.

6 Li J H,Kokkola R,Tabibzadeh S et al.Structural basis for the proinflammatory cytokine activity of high mobility group box 1[J].Mol Med,2003;9(1-2):37-45.

7 Wang Q,Zeng M,Wang W et al.The HMGB1 acidic tail regulates HMGB1 DNA binding specificity by a unique mechanism[J].Biochem Biophys Res Commun,2007;360:14-19.

8 Topalova D,Ugrinova I,Pashev I G et al.HMGB1 protein inhibits DNA replication in vitro:a role of the acetylation and the acidic tail[J].Int J Biochem Cell Biol,2008;40(8):1536-1542.

9 Bianchi M E,Manfredi A A.High-mobility group box 1 protein at the crossroads between innate and adaptive immunity[J].Immunological Reviews,2007;220:35-46.

10 Bonaldi T,Talamo F,Scaffidi P et al.Monocytic cells hyperacetylate chromatin protein HMGB1 to redirect it towards secretion[J].EMBO J,2003;22(20):5551-5560.

11 Uqrinova I,Pashev IG,Pasheva E A.Nucleosome binding properties and co-remodeling activities of native and in vivo acetylated HMGB1 and HMGB2 proteins[J].Biochemistry,2009;48(27):6502-6507.

12 Youn J H,Shin J S.Nucleocytoplasmic shutting of HMGB1 is regulated by phosphorylation that redirects it toward secretion[J].J Immunol,2006;177:7889-7897.

13 Kang H J,Lee H,Choi H J et al.Non-histone nuclear factor HMGB1 is phosphorylated and secreted in colon cancers[J].Lab invest,2009;89(8):948-959.

14 Ito I,Fukazawa J,Yoshida M.Post-translational methylation of HMGB1 causes its cytoplasmic localization in neutrophils[J].J Biol Chem,2007;282:16336-16344.

15 Stros M.HMGB proteins:Interactions with DNA and chromatin[J].Biochim Biophys Acta,2010;1799(1-2):101-113.

16 Pietkiewicz J,Seweryn E,Bartys A et al.Receptors for advanced glycation end products and their physiological and clinical significance[J].Postepy Hig Med Dosw,2008;10(62):511-523.

17 Park J S,Svetkauskaite D,He Q et al.Involvement of TRL2 and TRL4 in cellular activation by mobility group box1 protein(HMGB1)[J].J Biol Chem,2004;279(9):7370-7377.

18 Tian J,Avalos A M,Mao S Y et al.Toll-like receptor 9-dependent activation by DNA-containing immune complexes is mediated by HMGB1 and RAGE[J].Nat Immunol,2007;8:487-496.

19 Ivanov S,Dragoi A M,Wang X et al.A novel role forHMGB1 inTLR9-mediated inflammatory responses to CpG-DNA[J].Blood,2007;110(6):1970-1981.

20 Yang H,Wang HC,Christopher J et al.The cytokine activity of HMGB1[J].Journal of Leukocyte Biology,2005;78:1-8.

21 Bianchi M E.HMGB1 loves company[J].J Leukocyte Biology,2009;86:1-4.

22 Kkola R,Andersson A,Mullins G et al.RAGE is the major receptor for the proinflammatory activity of HMGB1 in rodent macrophages[J].Scand J Immunol,2005;61(1):1-9.

23 Orlova V V,Choi E Y,Xie C et al.A novel pathway of HMGB1-mediated inflammatory cell recruitment that equires Mac-1-integrin[J].EMBO J,2007;26(4):1129-1139.

24 Yang D,Chen Q,Yang H et al.The high mobility group box-1 protein induces the migration and activation of human dendritic cells and acts as an alarmin[J].J Leukoc Biol,2007;81:59-66.

25 Dumitriu I E,Bianchi M E,Bacci M et al.The secretion of HMGB1 is required for the migration of maturing dendritic cells[J].J Leukoc Biol,2007;81:84-91.

26 Messmer D,Yang H,Telusma G et al.High mobility group box protein 1:an endogenous signal for dendritic cell maturation andTh1 polarization[J].J Immunol,2004;173(7):307-313.

27 Dumitriu I E,Baruah P,Valentinis B et al.Release of high mobility group box 1 by dendritic cells controls T cell activation via the receptor for advanced glycation end products[J].J Immunol,2005;174:7506-7515.

28 Tang D,Kang R,Zeh H JⅢet al.High-mobility group box 1 and cancer[J].Biochimica et Biophysica Acta,2010;1799(1-2):131-140.

29 Pang Yue,Hu Ming,Liu Xin et al.HMGB1-an important signaling molecule of activating the immune response[J].Immunological J,2010;26(8):735-738.