HMGB1在調(diào)節(jié)骨關節(jié)炎軟骨細胞功能中的作用機制

齊 鑫，張曉剛，于海洋，陳 欣，安文博，王志鵬，王多賢，羅鵬飛，陳一新，馬姣姣，齊 偉，胡紫陽，劉建軍

1甘肅中醫(yī)藥大學，蘭州 730000 2甘肅中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，蘭州 730000

骨關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是一種慢性退行性關節(jié)疾病，是導致身體疼痛和殘疾的最重要因素[1]。OA可由多種病因誘發(fā)，而關節(jié)軟骨的病理改變被認為是該類疾病的關鍵驅(qū)動因素之一。軟骨細胞是關節(jié)軟骨中最重要的成分，也是其唯一的細胞類型[2]。由于關節(jié)軟骨缺乏血管、淋巴管和神經(jīng)支配，而軟骨細胞能夠參與整個關節(jié)軟骨的代謝過程，從而維持其正常生長、分布和生物狀態(tài)，且可通過分泌一系列細胞和生長因子對關節(jié)軟骨相關成分進行調(diào)控。軟骨細胞功能損傷會破壞細胞外基質(zhì)合成與分解代謝平衡，導致關節(jié)軟骨受損[3]。而高遷移率族蛋白1(high mobility group box-1 protein，HMGB1)可參與調(diào)節(jié)軟骨細胞炎癥及凋亡過程，從而導致關節(jié)軟骨受損，誘發(fā)OA[4]。本文就HMGB1在OA軟骨細胞中的作用機制進行綜述，以期為臨床防治骨關節(jié)炎提供新思路。

1 HMGB1概述

HMGB1是一種高度保守的非組蛋白核蛋白，在哺乳動物真核細胞中廣泛表達，參與維持核小體完整性和調(diào)節(jié)DNA復制、轉錄、重組及修復[5]。HMGB1分布位置是其功能發(fā)揮的關鍵，正常情況下，HMGB1主要位于細胞核中并與染色質(zhì)結合，但在應激條件下可從細胞核穿梭至細胞質(zhì)，再進入細胞外空間以執(zhí)行更復雜的功能。HMGB1已被重新評估為一種損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)蛋白，并與其外源性對應物病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)共同完成機體的警報系統(tǒng)，以應對內(nèi)穩(wěn)態(tài)的紊亂[6]。HMGB1的易位使其能夠利用各種膜受體形成一系列信號級聯(lián)反應，參與細胞間相互作用，例如產(chǎn)生促炎細胞因子和參與細胞增殖、分化、侵襲及自噬等。HMGB1的易位方式主要包括主動分泌和被動釋放兩種，其主動分泌不能通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的經(jīng)典途徑實現(xiàn)，而是被包裹在囊泡中，經(jīng)溶酶體途徑釋放至細胞外[7]。此外，當細胞經(jīng)歷不同形式的死亡或病理損傷時，可導致細胞核內(nèi)大量的HMGB1被動釋放[8]。然而，無論是HMGB1的主動分泌還是從受損或壞死細胞的細胞核被動釋放，細胞外的HMGB1均會導致多種病理改變，如包括OA在內(nèi)的各類關節(jié)炎、膿毒癥、動脈粥樣硬化、神經(jīng)變性、腦膜炎和癌癥等[9]?；贖MGB1潛在的重要功能，其在各類疾病中的作用已被廣泛研究，開發(fā)靶向調(diào)控HMGB1、抑制其表達/釋放以及相關信號傳導的治療策略，將對防治OA等臨床疾病具有重要意義。

2 HMGB1在OA軟骨細胞炎癥中的作用機制

OA的病理機制已由最初的軟骨退化導致關節(jié)解剖和功能性受損發(fā)展為由滑膜、軟骨和軟骨下骨的炎癥反應介導的一類骨與關節(jié)退行性改變[10]。通常將該類炎癥反應定義為無感染的情況下由內(nèi)源性信號驅(qū)動的慢性、無菌性、低度炎癥狀態(tài)，且與年齡具有相關性。軟骨細胞是關節(jié)軟骨的獨特駐留細胞類型，對OA的發(fā)展至關重要[11]。軟骨細胞炎癥反應可促使炎性細胞因子釋放，加劇細胞外基質(zhì)和軟骨降解，推動OA病理進程。研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1是基因轉錄的調(diào)節(jié)因子，能夠刺激軟骨細胞炎癥反應的發(fā)生，進而促進OA的病理進程[12]。Zhang等[13]研究表明，白楊素能夠呈劑量依賴性地抑制HMGB1，降低軟骨細胞炎癥介質(zhì)的表達，從而對OA具有潛在治療作用。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，miR-140-5p可通過靶向抑制HMGB1抑制白細胞介素(interleukin，IL)-1β誘導的軟骨細胞炎癥和細胞因子上調(diào)。另有研究表明，HMGB1在調(diào)節(jié)軟骨細胞炎癥中具有雙重作用，在軟骨細胞炎癥早期，胞質(zhì)中的HMGB1通過促進細胞自噬和防止細胞凋亡以減弱炎癥反應，而在軟骨細胞炎癥晚期，細胞外的HMGB1可刺激炎癥反應，并導致OA中的軟骨破壞[15]。HMGB1可顯著增強OA軟骨細胞的炎癥反應，加速軟骨及軟骨細胞損傷，但目前對其致病過程的認識尚不充分。因此，深入探索HMGB1在調(diào)節(jié)軟骨細胞炎癥中的作用機制，有助于完善OA的防治策略。

2.1 HMGB1/TLR4/NF-κB信號通路

HMGB1釋放后通過激活先天免疫反應在細胞外發(fā)揮作用，其受體主要包括晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor of advanced glycation end product，RAGE)和Toll樣受體4(Toll-Like receptor 4，TLR4)[16]。核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是OA相關炎癥介質(zhì)的主要調(diào)節(jié)劑，對于誘導產(chǎn)生促炎因子和分解因子是必需的[17]。TLR4/NF-κB信號通路是炎癥反應的經(jīng)典通路，也是炎癥信號傳導的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1能夠與細胞表面受體TLR4結合，加快炎性細胞因子的轉錄和分泌，調(diào)節(jié)其下游轉錄因子NF-κB產(chǎn)生易位以發(fā)揮作用[18]。HMGB1是DAMPs中的一員，由其介導的HMGB1/TLR4/NF-κB信號通路在軟骨細胞炎癥中具有重要調(diào)節(jié)作用。研究表明，脂多糖能夠促進軟骨細胞炎癥反應，抑制其活性，升高炎癥細胞因子IL-6、IL-1β和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosisfactor-α，TNF-α)的水平，而miR-93-5p可阻斷HMGB1/TLR4/NF-κB信號傳導通路，逆轉這一過程[19]?；诖耍ㄟ^抑制HMGB1/TLR4/NF-κB通路活性，能夠減輕軟骨細胞炎癥，有望改善OA患者的臨床癥狀。

2.2 HMGB1-RAGE/TLR4-NF-κB/AKT信號通路

蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)途徑對維持軟骨細胞穩(wěn)態(tài)具有重要作用，并參與細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的分解與合成代謝。研究表明，抑制AKT信號傳導通路可緩解OA大鼠軟骨細胞的炎癥反應，提示AKT途徑在OA的發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用[20]。炎癥狀態(tài)下細胞外HMGB1的釋放增多，且RAGE和TLR4的表達增加。HMGB1通過與RAGE或TLR4結合，能夠激活NF-κB或AKT信號通路，導致信號級聯(lián)反應發(fā)生，提高炎癥和分解代謝介質(zhì)的釋放水平。Hu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，甘草酸通過調(diào)節(jié)HMGB1-RAGE/TLR4-NF-κB/AKT信號通路可減輕OA的病理改變，并可與HMGB1直接結合阻斷其與受體的相互作用，降低軟骨細胞促炎因子活性，抑制軟骨ECM降解，從而有效延緩OA進程。由此可見，探索靶向干預HMGB1信號傳導的藥物分子，是阻斷炎癥級聯(lián)反應，減輕軟骨細胞損害的潛在途徑。

2.3 HMGB1/TLR4/SDF-1信號通路

HMGB1可產(chǎn)生持續(xù)的炎癥生態(tài)位，為TLR4與DAMPs相互作用激活炎癥反應提供相應位點[22]。近年來，基質(zhì)細胞衍生因子1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)作為與炎癥相關的趨化因子，其在OA發(fā)病機制中的作用逐漸被關注[23]。研究表明，當SDF-1在關節(jié)滑囊中的表達顯著增加時，其受體在軟骨細胞中的表達也相應升高，這與OA的發(fā)生發(fā)展密切相關[24]。HMGB1可通過細胞外信號傳導途徑調(diào)節(jié)TLR4介導的SDF-1表達。Liang等[25]證實，HMGB1會導致SDF-1釋放增加，且抑制HMGB1/TLR4/SDF-1信號通路能夠減輕軟骨細胞炎癥反應，降低TLR4和SDF-1的表達，并減弱TLR4與HMGB1的相互作用，以保護軟骨細胞及拮抗OA。因此，通過直接或間接靶向作用于SDF-1，改善軟骨細胞炎癥狀態(tài)，具有較高的臨床研究價值。

3 HMGB1在OA軟骨細胞凋亡中的作用機制

軟骨細胞存在于關節(jié)軟骨中，對于維持軟骨代謝穩(wěn)態(tài)具有重要作用，其凋亡能夠誘發(fā)關節(jié)軟骨變性，是導致OA發(fā)展的主要原因[26]。近年來，HMGB1參與調(diào)控軟骨細胞凋亡備受關注，研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1能夠調(diào)節(jié)凋亡相關信號通路參與OA的進展，且由其介導的相關信號通路能夠在一定程度上增加軟骨細胞凋亡率[27]。此外，隨著生物信息學的發(fā)展，HMGB1與軟骨細胞凋亡基因或蛋白之間的靶向作用關系也被逐步揭示[28]。Pan等[29]研究表明，miR-410-3p可靶向干預HMGB1并通過下游信號通路參與調(diào)節(jié)軟骨細胞凋亡。因此，系統(tǒng)闡述HMGB1及其相關信號通路在軟骨細胞凋亡中的調(diào)節(jié)作用，有助于深入理解OA的病理機制并制定相應的治療措施。

3.1 HMGB1/GSK-3β/β-Catenin信號通路

糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一種進化保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與細胞凋亡、增殖、DNA修復和信號轉導等細胞過程及多種疾病的發(fā)生發(fā)展[30]。GSK-3β在接受上游信號刺激后通過調(diào)節(jié)自身活性從而影響下游底物表達。研究表明，GSK-3β可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體等多種途徑參與軟骨細胞凋亡[31]。β-連環(huán)蛋白(recombinant beta catenin，β-Catenin)是Wnt信號通路的重要組成部分，可被Wnt家族蛋白激活，加速OA軟骨細胞凋亡[32]。GSK-3β作為β-Catenin的上游分子，其磷酸化增加導致β-Catenin在細胞質(zhì)中積聚并易位到細胞核內(nèi)，從而活化下游靶基因的表達[33]。HMGB1被認為是軟骨細胞凋亡正調(diào)節(jié)因子，介導OA的發(fā)生發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1能夠參與GSK-3β/β-Catenin通路的調(diào)節(jié)，上調(diào)磷酸化的GSK-3β和β-Catenin的表達水平[34]。此外，GSK-3β/β-Catenin通路的調(diào)節(jié)也有助于HMGB1誘導的軟骨細胞凋亡和軟骨基質(zhì)降解基因的表達。因此，阻斷HMGB1/GSK-3β/β-Catenin信號傳導，能夠減少軟骨細胞凋亡，對于延緩OA進程具有重要作用。

3.2 HMGB1/PI3K/AKT信號通路

磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B，PI3K/AKT)參與了OA關節(jié)軟骨的退行性改變，包括軟骨細胞凋亡和ECM降解[35]。Shi等[36]研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT信號通路活化會加劇軟骨細胞凋亡和炎癥反應，而抑制該通路可有效發(fā)揮軟骨保護作用，這為OA的防治提供了參考依據(jù)。持續(xù)的氧化應激反應是OA發(fā)生的病理因素之一，當PI3K受到來自細胞膜的各種信號刺激時，能夠激活處于下游的AKT發(fā)生磷酸化改變，進而介導細胞內(nèi)凋亡程序的啟動，使得細胞內(nèi)的關鍵蛋白被降解而導致細胞發(fā)生不可逆性損害[37]。因此，PI3K/AKT信號通路在OA中被激活，從而能夠影響軟骨細胞功能。隨著對HMGB1的深入研究，研究者發(fā)現(xiàn)PI3K/AKT作為HMGB1的下游信號通路同樣受到HMGB1的調(diào)節(jié)。一項生物信息學分析表明，HMGB1在OA組織中高表達，并通過激活PI3K/AKT信號通路，影響其下游的細胞凋亡及基質(zhì)降解功能，進而加重了OA的病變程度[38]。基于此，靶向抑制HMGB1或HMGB1/PI3K/AKT信號通路是實現(xiàn)防治OA的潛在有效策略。

3.3 HMGB1/MAPK信號通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)是真核生物中的保守蛋白激酶，可建立信號模塊參與多種環(huán)境壓力下的信號傳遞[39]。MAPK信號通路作為細胞功能的調(diào)節(jié)劑影響眾多生物過程，包括細胞凋亡、分化和蛋白質(zhì)合成等。由于其具有高度保守特性，因此，嚴格控制MAPK的活性至關重要。MAPK信號通路在無刺激時保持靜止狀態(tài)，當受到外界刺激時通過磷酸化的方式被激活，進而逐級傳遞相關信號，最后進入到細胞核內(nèi)發(fā)揮其生物活性。細胞內(nèi)信號傳導途徑MAPK已被證明能夠在OA中激活，且在OA發(fā)病機制中扮演關鍵角色。此外，抑制MAPK通路的磷酸化水平能夠起到抑制軟骨細胞凋亡和減輕OA軟骨破壞的作用。隨著HMGB1在OA病程中逐漸積累并在細胞外過表達，打破了軟骨細胞內(nèi)原有的合成與分解代謝平衡，導致軟骨細胞不受限制地發(fā)生凋亡。而HMGB1也被認為是MAPK信號通路的上游分子，介導了該通路的磷酸化啟動，故探索調(diào)節(jié)HMGB1/MAPK信號通路的新方法也將有利于阻斷軟骨細胞凋亡和減輕OA進展。HMGB1及其相關信號通路在OA軟骨細胞炎癥和凋亡中的具體調(diào)節(jié)作用機制見圖1。

4 小結與展望

軟骨細胞是關節(jié)軟骨中的獨特駐留細胞，對維持軟骨代謝穩(wěn)態(tài)至關重要。軟骨細胞活力和數(shù)量的降低及炎癥程度與OA的發(fā)生和進展密切相關，同時軟骨細胞功能受損將會加重患者臨床癥狀。隨著對OA發(fā)病機制研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)HMGB1可參與軟骨細胞炎癥反應與凋亡，其在細胞內(nèi)過度積聚并釋放到細胞外是軟骨細胞發(fā)生炎癥反應和凋亡的誘因，且這一過程是在HMGB1介導的信號級聯(lián)下完成的，會加速軟骨細胞損傷，且各級信號通路之間也存在串擾關系。鑒于目前OA的治療藥物主要在于緩解疼痛、改善功能和限制殘疾，進行性關節(jié)損害尚無法恢復，因此，迫切需要治療OA的新型藥物或修飾劑。未來可嘗試通過靶向干預HMGB1及其相關信號通路，以恢復軟骨細胞功能，減輕軟骨細胞炎癥及凋亡的發(fā)生。

作者貢獻：齊鑫負責論文撰寫；陳一新、馬姣姣、齊偉、胡紫陽負責查閱文獻；張曉剛、于海洋、陳欣、劉建軍負責論文指導；安文博、王志鵬、王多賢、羅鵬飛負責論文修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突