HMGB1及其調(diào)控牙周病發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展

李 瑩 趙宇琪 盛羽佳 王愛芹

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院口腔內(nèi)科，山東濱州 256600

高遷移率族蛋白1（high-mobility group box 1，HMGB1）是一種較保守的染色質(zhì)結(jié)合蛋白，在細(xì)胞中參與調(diào)節(jié)DNA轉(zhuǎn)錄、翻譯及修飾，在細(xì)胞外與免疫細(xì)胞表面特定的受體結(jié)合，參與激活免疫細(xì)胞發(fā)生趨化、免疫調(diào)節(jié)等一系列級聯(lián)反應(yīng)[1]。牙周?。╬eriodontal diease，PD）是一類病因廣，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜的口腔疾病。當(dāng)牙周組織受到外源性刺激時(shí)，可造成組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失調(diào)，激活釋放多種炎癥因子參與調(diào)控PD發(fā)展。HMGB1作為一種晚期炎癥介質(zhì)與模式識別受體（pattern recognition receptor，PRRs）如TLR2、TLR4、RAGE結(jié)合進(jìn)行一系列組織與細(xì)胞的級連反應(yīng)[2]。國內(nèi)學(xué)者首次[3]用HMGB1刺激人牙周膜成纖維細(xì)胞（periodontal ligament cells，PDLCs）時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)控牙周病發(fā)展的關(guān)鍵蛋白：白介素-6（interleukin-6，IL-6）及基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）表達(dá)升高，同時(shí)低濃度HMGB1對hPDLCs具有促進(jìn)增值作用，高濃度HMGB1蛋白則起到抑制作用，說明HMGB1參與調(diào)控牙周炎發(fā)生發(fā)展過程。因此本文將從HMGB1蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及表達(dá)分布、釋放、生物學(xué)作用以及其如何參與調(diào)控牙周病發(fā)生發(fā)展等方面做一綜述，便于更全面掌握牙周病的發(fā)病機(jī)制，為此類疾病提供更具有針對性的治療思路。

1 HMGB1的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及表達(dá)分布

HMGB1是一類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、半衰期較長的DNA結(jié)合蛋白，由215個氨基酸殘基組成，包括兩個同源的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（A-box、B-box）以及一個帶負(fù)電荷的C-末端酸性尾巴（羧基末端）[1]。HMGB1的兩個結(jié)構(gòu)域都有明顯的解旋與彎曲不同性質(zhì)DNA的能力；B-box區(qū)域可結(jié)合微環(huán)及彎曲線性DNA，A-box可識別前彎曲或線性DNA[4]。當(dāng)細(xì)胞受到外源性刺激時(shí)B-box誘導(dǎo)促炎信號，A-box則拮抗炎癥信號，C-末端作為轉(zhuǎn)錄激活劑發(fā)揮作用[5]。此外HMGB1的初級結(jié)構(gòu)高度保守。HMGB1蛋白在多種組織中分布且表達(dá)量高，但其具體分布還取決于組織類型、蛋白氧化還原狀態(tài)、細(xì)胞分化階段。像胸腺、睪丸、脾等組織中的HMGB1在細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)分布表達(dá)。大腦、肝臟組織中的HMGB1則在胞漿表達(dá)[6]。研究還發(fā)現(xiàn)HMGB1在低分化的細(xì)胞、異常增殖及分裂活躍的細(xì)胞中表達(dá)處于高水平[7]。另外HMGB1的結(jié)構(gòu)決定其功能，當(dāng)HMGB1的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)（螺旋臂相互作用破壞）會導(dǎo)致其功能狀態(tài)由沉默轉(zhuǎn)向活躍。

2 HMGB1的釋放

2.1 翻譯后修飾調(diào)控HMGB1的釋放

當(dāng)HMGB1氨基酸殘基發(fā)生乙?；⒓谆?、磷酸化、糖基化、氧化、乳酸化等翻譯后修飾形式時(shí)，會減弱其與胞核DNA的親和力并促進(jìn)釋放[8]。研究發(fā)現(xiàn)小鼠巨噬細(xì)胞RAW264.7和人單核細(xì)胞經(jīng)磷酸酶抑制劑（TNF-α）處理后HMGB1發(fā)生磷酸化并移位到細(xì)胞質(zhì)，隨后分泌到細(xì)胞外[9]。HMGB1乙?；悄壳把芯孔疃嗟腍MGB1修飾類型之一，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)乳酸可通過抑制沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1（sirt1）活性，同時(shí)募集乙?；窹300和環(huán)腺苷酸反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）到胞核，共同誘導(dǎo)HMGB1乙?；痆10]。近期的研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍、白藜蘆醇及姜黃素等藥物都是通過增強(qiáng)sirt1酶活性來減少HMGB1釋放[11]，提示sirt1可能是調(diào)控HMGB1乙酰化的重要蛋白。HMGB1甲基化是指LYS-42殘基發(fā)生甲基化，導(dǎo)致HMGB1的A-box區(qū)域構(gòu)象異常，削弱其與核內(nèi)DNA親和力以及抗炎能力。HMGB1糖基化與前三種修飾有所不同，HMGB1糖基化是在外源性刺激如脂多糖（LPS）的介導(dǎo)下，通過降低HMGB1與DNA結(jié)合能力及增加與核出口蛋白CRM1結(jié)合而致HMGB1向胞漿和胞外分泌[8]。

2.2 氧化狀態(tài)調(diào)控HMGB1的釋放

HMGB1的釋放還依賴氨基酸殘基的氧化狀態(tài)，氨基酸殘基cys23、cys45、cys106的氧化還原程度可調(diào)控HMGB1分子構(gòu)象的改變[12]。正常情況下三個氨基酸殘基以完全還原狀態(tài)存在于不活躍的細(xì)胞中；當(dāng)cys23、cys45發(fā)生氧化時(shí)則誘導(dǎo)HMGB1的A-box結(jié)構(gòu)域螺旋Ⅰ、Ⅱ間發(fā)生位移，降低蛋白與核內(nèi)DNA的親和力，導(dǎo)致HMGB1向胞質(zhì)移位；cys106的氧化對于HMGB1胞漿移位也發(fā)揮重要作用[13]。由此看出控制HMGB1在胞內(nèi)和胞外的氧化狀態(tài)有利于阻斷HMGB1的分泌；故尋找針對HMGB1的氧化還原劑可能是此蛋白參與的炎癥反應(yīng)治療的關(guān)鍵。

3 HMGB1生物學(xué)作用

HMGB1在正常情況下存在于細(xì)胞核中與DNA結(jié)合，參與染色體重塑，穩(wěn)定核小體，進(jìn)行DNA復(fù)制、重組、損傷、修復(fù)，調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子活性及基因表達(dá)等一系列生理病理過程的調(diào)控[14]。當(dāng)HMGB1分布到胞外時(shí)可調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞活化、血管再生、骨髓干細(xì)胞遷移，還可與胞外受體結(jié)合介導(dǎo)相應(yīng)的組織細(xì)胞級聯(lián)反應(yīng)，另外HMGB1還可促進(jìn)白細(xì)胞分化和活化，釋放炎癥因子（IL-1β、IL-6、TNF-α）[15]，通過趨化及募集炎癥因子到易感部位加重炎癥。研究發(fā)現(xiàn)高濃度HMGB1可上調(diào)一氧化氮合酶活性及促進(jìn)一氧化氮釋放，加重炎癥組織損傷[16]。這與前文中發(fā)現(xiàn)高濃度HMGB1可抑制牙周膜成纖維細(xì)胞增殖并加重牙周組織破壞這一結(jié)論相呼應(yīng)。因此考慮HMGB1參與牙周病發(fā)生發(fā)展過程。

4 HMGB1參與PD的調(diào)控

4.1 HMGB1參與調(diào)節(jié)牙周骨組織代謝

牙槽骨吸收是PD發(fā)生發(fā)展過程中的一個重要病理改變，研究共識骨重建過程是受骨細(xì)胞生成和分泌的細(xì)胞因子及生長因子調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活化及分化。有學(xué)者通過收集的牙周炎臨床標(biāo)本發(fā)現(xiàn)牙周炎患者齦溝液中有HMGB1高表達(dá)，并且發(fā)現(xiàn)HMGB1與牙槽骨吸收程度存在正相關(guān)；以及在后續(xù)動物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞在HMGB1刺激下破骨細(xì)胞活躍，加速骨破壞進(jìn)程，證實(shí)了HMGB1參與牙槽骨吸收過程[17]。另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[18]小鼠頜創(chuàng)傷區(qū)域的牙周組織中HMGB1高表達(dá)，并與破骨細(xì)胞核因子κB受體活化因子（RANKL）的表達(dá)呈正相關(guān)，提示HMGB1可能是通過上調(diào)RANKL的表達(dá)加速合創(chuàng)傷所致的骨吸收。此研究還表明HMGB1在無菌性炎癥中仍可參與骨吸收。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)牙周炎患者齦溝液中引導(dǎo)骨礦化及骨新陳代謝標(biāo)志物-骨涎蛋白（BSP）和反映骨代謝瞬間變化的激素樣蛋白-骨鈣蛋白（OC）的表達(dá)均上調(diào)。當(dāng)予以HMGB1刺激后發(fā)現(xiàn)OC表達(dá)上調(diào)，說明HMGB1可能通過上調(diào)OC的表達(dá)促進(jìn)牙周骨組織中破骨細(xì)胞分化；而BSP表達(dá)則下調(diào)，說明HMGB1通過下調(diào)BSP抑制牙周骨組織的修復(fù)和再礦化；但具體機(jī)制仍不清楚[19-21]。大量研究表明HMGB1對骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞都有作用，并且這種作用可能是直接性的[22-24]。其中Davis等[22]通過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HMGB1通過與TLR2、TLR4、RAGE結(jié)合直接刺激破骨細(xì)胞導(dǎo)致其數(shù)量增加，當(dāng)間接增加骨細(xì)胞的分泌時(shí)細(xì)胞因子（如TNF-α、IL-6、IL-1β）的表達(dá)上調(diào)，這也意味著破骨細(xì)胞數(shù)量增加。根據(jù)上述多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)HMGB1在PD發(fā)生發(fā)展過程中可以通過直接或間接的作用增加破骨細(xì)胞數(shù)量，加重PD的骨破壞程度。

4.2 HMGB1參與牙周炎癥反應(yīng)及調(diào)節(jié)炎癥因子的分泌

HMGB1作為典型的損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）分子之一，在調(diào)節(jié)PD免疫反應(yīng)中具有重要的作用[25]。多項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)慢性牙周炎患者牙齦組織中HMGB1表達(dá)水平與外周血中致炎細(xì)胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）表達(dá)呈正相關(guān)性，且均與牙周破壞程度呈正相關(guān)[26-27]。說明HMGB1可能通過調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)分泌推動牙周炎癥的發(fā)展。Nogueira等[28]通過體外研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)脂多糖或IL-1β刺激小鼠牙周膜成纖維細(xì)胞可導(dǎo)致HMGB1表達(dá)上調(diào)，且呈劑量依賴性增加。Ito等[29]發(fā)現(xiàn)IL-1β以一氧化氮依賴的方式促進(jìn)人牙齦上皮細(xì)胞（human gingival epithelial cells，hGECs）中HMGB1的表達(dá)，并隨時(shí)間產(chǎn)生正向調(diào)控的作用，提示HMGB1/INOS（一氧化氮合酶）信號軸在炎癥狀態(tài)下的hGECs中起作用，并參與PD發(fā)展。當(dāng)牙周組織持續(xù)受到病原菌的刺激時(shí)，組織細(xì)胞不斷分泌HMGB1，使巨噬細(xì)胞進(jìn)一步活化聚合為多核巨細(xì)胞（又名破骨前體細(xì)胞）誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化，參與骨吸收與分泌炎癥因子，放大牙周炎癥的破壞。而這一過程可以被抗HMGB1抗體抑制[23]。提示HMGB1在PD發(fā)展過程中既可以激活免疫細(xì)胞分泌炎癥因子，進(jìn)行組織修復(fù)過程；也可通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分化，增加破骨細(xì)胞數(shù)量，破壞牙周骨組織；同時(shí)也可作為牙周病的一個治療靶點(diǎn)。總結(jié)來說，胞外的HMGB1通過調(diào)節(jié)炎癥因子的分泌并將它們募集到病變部位參與牙周炎癥的發(fā)展。

另外研究發(fā)現(xiàn)將牙周膜細(xì)胞與巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)活化的破骨細(xì)胞數(shù)量增多，而破骨細(xì)胞活躍也代表骨重建的開始，說明釋放的HMGB1可能不僅是一種促炎因子，還可能在牙周損傷修復(fù)中也具有一定的促進(jìn)作用[28]。故進(jìn)一步確定HMGB1可以作為牙周病的治療靶點(diǎn)。

4.3 HMGB1參與牙周免疫反應(yīng)及細(xì)胞自噬過程

近年來人們關(guān)注到自噬在宿主免疫反應(yīng)中具有重要的作用：能夠直接清除微生物、調(diào)節(jié)炎癥、先天免疫與適應(yīng)性免疫以及牙槽骨重建[30]。多項(xiàng)研究表明自噬可能參與牙周炎的發(fā)病機(jī)制，Bullon等[31]較早報(bào)道慢性牙周炎患者的外周血單核細(xì)胞中線粒體活性氧（ROS）和自噬標(biāo)志蛋白LC3表達(dá)呈正向增加。Lee等[32]通過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用Pg.LPS刺激人牙齦上皮細(xì)胞，自噬相關(guān)蛋白Atg12和標(biāo)志蛋白LC3的表達(dá)上調(diào)，自噬體數(shù)量增加。用腫瘤壞死因子（TNF）刺激牙周韌帶干細(xì)胞，蛋白免疫印跡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LC3表達(dá)水平上調(diào)[33]。

此外，DAMP與內(nèi)源性和外源性配體結(jié)合可引發(fā)多蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)過程，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。因此對于自噬調(diào)控DAMP，如HMGB1釋放、DNA損傷等方面的研究引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。在受到內(nèi)毒素刺激的巨噬細(xì)胞中自噬可誘發(fā)內(nèi)吞作用導(dǎo)致內(nèi)源性HMGB1降解抑制炎癥反應(yīng)[34]。研究發(fā)現(xiàn)齦下菌斑中有高濃度的丁酸鹽可誘發(fā)自噬，使HMGB1從牙齦上皮細(xì)胞中釋放到胞外環(huán)境中[35]。牙周免疫反應(yīng)與自噬過程存在多個交叉點(diǎn)，在推動病變發(fā)展過程中具有協(xié)同作用。自噬通過宿主表面的PRRs（如TLR受體）負(fù)向調(diào)控炎癥因子的分泌，同時(shí)活性氧含量累積，進(jìn)而造成組織細(xì)胞壞死[36]，而細(xì)胞壞死會導(dǎo)致HMGB1胞外釋放增加，故這一循壞過程一直持續(xù)在PD發(fā)生發(fā)展過程中。由此看來HMGB1不僅參與牙周免疫反應(yīng)、調(diào)節(jié)骨代謝、調(diào)控炎癥因子的分泌，還參與自噬過程；能確認(rèn)的一點(diǎn)是HMGB1既參與牙周免疫反應(yīng)也參與自噬過程，但其調(diào)控自噬的具體機(jī)制仍不明確，還需更多基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)探索。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，HMGB1能通過調(diào)節(jié)骨代謝促進(jìn)破骨細(xì)胞分化與活化，通過增加炎癥因子分泌間接增加破骨細(xì)胞數(shù)量，參與炎癥反應(yīng)及調(diào)節(jié)炎癥因子分泌和參與細(xì)胞自噬及免疫反應(yīng)來調(diào)控牙周病發(fā)生發(fā)展，揭示了HMGB1可以作為牙周病的治療靶點(diǎn)。目前已有藥物通過調(diào)節(jié)HMGB1的表達(dá)而減輕牙周炎病理性破壞，如二甲雙胍可以有效減輕實(shí)驗(yàn)性大鼠牙周炎的氧化應(yīng)激、牙槽骨破壞及炎癥因子的表達(dá)[37]；甘草酸抑制HMGB1表達(dá)，減輕受RAGE調(diào)控的TNF-α、IL-6的表達(dá)，減輕實(shí)驗(yàn)性糖尿病性牙周炎的牙槽骨吸收及炎性破壞[38]；同樣黃芩苷也是通過調(diào)控HMGB1表達(dá)，抑制其胞外受體相關(guān)信號分子表達(dá)，減輕牙周炎癥及骨破壞[39]。從這些研究中不難看出HMGB1在牙周病發(fā)展中的關(guān)鍵性作用，同時(shí)應(yīng)該注意到臨床中牙周病多與系統(tǒng)性疾病伴發(fā)，所以未來應(yīng)多關(guān)注一線臨床用藥對HMGB1的調(diào)控機(jī)制，可以減少多發(fā)疾病型患者的用藥種類，讓藥物的作用發(fā)揮到最大值。