高遷移率族蛋白B1（High Mobility Group box 1 protein，HMGB1）是一種高度保守的核蛋白，存在于所有細(xì)胞類型中，其因在凝膠電泳過程中的快速遷移而得名[1]。
HMGB1作為含量最豐富的HMG蛋白家族成員，在典型哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的豐度可達(dá)約1×10?個(gè)細(xì)胞，其分布密度約為每10-15個(gè)核小體對(duì)應(yīng)1個(gè)HMGB1分子[2]。HMGB1廣泛表達(dá)于各種器官中，通常存在于細(xì)胞核中[3]。HMGB1蛋白是由一條215個(gè)氨基酸組成的單鏈多肽，其結(jié)構(gòu)包含三個(gè)特征性功能域：N端A-box（AA1-79）、中央B-box（AA89-162）和C端酸性尾（AA186-215）[4]。人類HMGB1基因定位于13q12染色體，其基因組包含5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子。此外，HMGB1基因啟動(dòng)子區(qū)域不僅具有典型的TATA盒啟動(dòng)子，其還整合了數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)以及一個(gè)沉默元件，這種復(fù)合調(diào)控機(jī)制使得HMGB1于穩(wěn)態(tài)條件中可維持相對(duì)平穩(wěn)的基礎(chǔ)表達(dá)量[5]。與此同時(shí)，HMGB1還在不同物種中展現(xiàn)出高度的序列同源性，其中，大鼠與小鼠的HMGB1蛋白序列完全一致，同源性高達(dá)100%，且相較于人類HMGB1蛋白，僅存在C末端重復(fù)序列2個(gè)殘基的置換差異[6]。
功能及作用機(jī)制
Ⅰ、功能
HMGB1于亞細(xì)胞定位中呈現(xiàn)功能多樣性：在細(xì)胞核中主要參與DNA損傷修復(fù)、穩(wěn)定染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)等過程；在細(xì)胞質(zhì)中則發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)，線粒體穩(wěn)態(tài)維持、神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)促進(jìn)等生理功能[7]。此外，當(dāng)HMGB1通過壞死、凋亡細(xì)胞釋放或免疫細(xì)胞主動(dòng)分泌至胞外后，其可與晚期糖基化終產(chǎn)物受體（Receptor for Advanced Glycation End Products，RAGE）特異性結(jié)合，啟動(dòng)下游信號(hào)通路。作為多效性細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)樞紐，RAGE-HMGB1信號(hào)通路可在炎癥應(yīng)答、細(xì)胞分化調(diào)控及腫瘤轉(zhuǎn)移等病理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。最近的研究表明，中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞中HMGB1可通過Toll樣受體（TLR）-2和TLR-4受體復(fù)合物激活MyD88依賴性的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)NF-κB轉(zhuǎn)錄因子的活化[8]。
圖1.HMGB1調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、細(xì)胞死亡和轉(zhuǎn)移[9]
Ⅱ、作用機(jī)制
HMGB1的生物學(xué)功能主要由PI3K/Akt、NF-κB（p65）和MAPK（ERK1/2，p38）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路介導(dǎo)。
① PI3K/Akt信號(hào)通路
HMGB1通過結(jié)合RAGE或TLR2/4受體，直接或間接激活PI3K/Akt通路，影響細(xì)胞存活、炎癥和疾病進(jìn)展。PI3K由一個(gè)催化結(jié)構(gòu)域（p110）和一個(gè)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域（p85）組成，可被G蛋白偶聯(lián)受體、RTK、IGF-R和B細(xì)胞受體激活。激活的PI3K催化PIP2向PIP3的轉(zhuǎn)化，生成的PIP3進(jìn)一步激活PDK1，從而介導(dǎo)PDK1對(duì)AKT蛋白Thr308位點(diǎn)的磷酸化激活。此外，PDK2也可通過磷酸化AKT蛋白的Ser473位點(diǎn)，激活PI3K/AKT信號(hào)通路。激活的AKT可通過與許多下游信號(hào)分子（如p21、p27、TGFβ、ataxin-1、GABA受體、Bad、NF-κB和mTOR）相互作用來調(diào)節(jié)增殖、凋亡、遷移、侵襲、分化與血管生成等細(xì)胞生物學(xué)功能。
圖2.PI3K/AKT信號(hào)通路的激活過程[10]
②經(jīng)典NF-κB信號(hào)通路
HMGB1在炎癥微環(huán)境中通過激活NF-κB信號(hào)網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。在經(jīng)典NF-κB激活通路中，IκB激酶（IKK）復(fù)合物作為核心催化單元，其結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)催化亞基（IKKα/IKKβ）和一個(gè)調(diào)控亞基（IKKγ）。當(dāng)IKK復(fù)合體被激活后，通過特異性磷酸化IκB蛋白的N端調(diào)控域，觸發(fā)IκB的泛素化修飾及蛋白酶體依賴性降解。這一級(jí)聯(lián)反應(yīng)最終導(dǎo)致p50/RelA異源二聚體從IκB介導(dǎo)的胞質(zhì)滯留中釋放，釋放后的NF-κB二聚體可通過特定的翻譯后修飾作用，進(jìn)一步促進(jìn)其易位到細(xì)胞核。進(jìn)入細(xì)胞核后，NF-κB二聚體能夠與靶基因啟動(dòng)子或增強(qiáng)子區(qū)域的特定κB位點(diǎn)結(jié)合，從而驅(qū)動(dòng)靶基因的轉(zhuǎn)錄。
圖3.經(jīng)典NF-κB信號(hào)通路機(jī)制示意圖[11]
③MAPK信號(hào)通路
MAPK的激活是細(xì)胞內(nèi)磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)的最終步驟，經(jīng)典的MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)包括MAPKKKK(如Ras、Rho)一MAPKK激酶(MAPKKK)一將MAPKK絲氨酸/蘇氨酸磷酸化一激活的MAPKK將MAPK的蘇氨酸/酪氨酸雙重磷酸化，激活MAPK。MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中存在的增強(qiáng)因子，可與MAPKKKs、MAPKKs和MAPKs結(jié)合，增加上游激酶對(duì)它們的激活能力。
MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）通路有三級(jí)的信號(hào)傳遞過程：MAPK，MAPK激酶（MEK或MKK）以及MAPK激酶的激酶（MEKK或MKKK）。這三種激酶能依次激活，共同調(diào)節(jié)著細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等多種重要的生理/病理效應(yīng)。
到目前為止，研究最廣泛的哺乳動(dòng)物MAPK組是ERK1/2、JNK和p38亞型,其中HMGB1執(zhí)行ERK1/2，p38通路。
圖4.有絲分裂原、細(xì)胞因子和細(xì)胞應(yīng)激促進(jìn)不同MAPK通路的激活[12]
臨床應(yīng)用
01
炎癥性疾病
HMGB1在多種炎癥性疾病中發(fā)揮核心作用。它通過激活免疫細(xì)胞、促進(jìn)炎癥因子釋放和加劇組織損傷，參與膿毒癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）和炎癥性腸病（IBD）等疾病的發(fā)病過程。因此HMGB1在炎癥性疾病中既是關(guān)鍵促炎介質(zhì)，也是潛在治療靶點(diǎn)。
02
自身免疫性疾病
HMGB1通過促進(jìn)自身抗原呈遞、增強(qiáng)炎癥反應(yīng)和破壞免疫耐受，加劇疾病進(jìn)展，并在系統(tǒng)性紅斑狼瘡、糖尿病發(fā)揮重要作用。HMGB1促進(jìn)腎臟巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和系膜細(xì)胞增殖，加劇腎損傷，同時(shí)HMGB1在1型糖尿病患者血清和胰島中高表達(dá)，促進(jìn)胰島β細(xì)胞破壞，并在肥胖和2型糖尿病患者血清中升高。這說明HMGB1在自身免疫性疾病進(jìn)展中起關(guān)鍵作用。
03
敗血癥和失血性休克
HMGB1在敗血癥和失血性休克表現(xiàn)出特征性的延遲釋放模式，在TNF刺激巨噬細(xì)胞下介導(dǎo)晚期炎癥反應(yīng)。此外，HMGB1不僅自身作為晚期炎癥介質(zhì)，還能刺激其他致炎因子釋放，形成正反饋循環(huán)，在膿毒癥繼發(fā)性器官損傷和休克后炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。
04
腫瘤的雙重作用
HMGB1在腫瘤微環(huán)境（TME）中具有雙重作用：一方面HMGB1可通過促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)新生腫瘤血管生成、塑造免疫抑制環(huán)境以及增強(qiáng)促侵襲轉(zhuǎn)移特性等機(jī)制發(fā)揮促癌作用；另一方面，HMGB1可介導(dǎo)免疫原性細(xì)胞死亡（Immunogenic Cell Death,ICD），提高抗腫瘤免疫力，起到抗癌的作用。這些功能可為靶向干預(yù)治療腫瘤提供重要理論依據(jù)。
05
神經(jīng)元發(fā)育調(diào)控功能
HMGB1在神經(jīng)系統(tǒng)中呈現(xiàn)特異性的亞細(xì)胞分布特征，其高表達(dá)于神經(jīng)元胞體與軸突的胞質(zhì)區(qū)室，并與外周膠質(zhì)細(xì)胞器存在共定位現(xiàn)象。功能研究表明，在大鼠原代神經(jīng)元體外培養(yǎng)體系中，抗HMGB1抗體可顯著抑制軸突生長(zhǎng)。這說明HMGB1在神經(jīng)生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著非常重要的作用。
06
影響凝血、纖溶系統(tǒng)功能
HMGB1是一種強(qiáng)有力的肝素結(jié)合蛋白，不僅可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞釋放纖溶蛋白酶原激活因子抑制物和組織型纖溶蛋白酶原激活物，還能間接促進(jìn)細(xì)胞表面纖溶酶原的產(chǎn)生。HMGB1通過結(jié)合肝素并調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞釋放PAI-1和t-PA，同時(shí)促進(jìn)纖溶酶原生成，破壞凝血-纖溶平衡，增加血栓形成風(fēng)險(xiǎn)。這表明HMGB1在凝血、纖溶系統(tǒng)進(jìn)展中起關(guān)鍵作用。
相關(guān)產(chǎn)品
|
貨號(hào) |
中文名稱 |
英文名稱 |
|
SEKM-0145 |
小鼠高遷移率族蛋白 B1檢測(cè)試劑盒 |
ElaBoX™ Mouse HMGB1 ELISA Kit |
|
SEKH-0409 |
人高遷徙率族蛋白 B1檢測(cè)試劑盒 |
ElaBoX™ Human HMGB1 ELISA Kit |
|
SEKR-0074 |
大鼠高遷移率族蛋白 B1檢測(cè)試劑盒 |
ElaBoX™ Rat HMGB1 ELISA Kit |
[1]Yang H, Wang H, Andersson U. Targeting Inflammation Driven by HMGB1. Front Immunol. 2020 Mar 20;11:484.
[2]Thomas JO, Travers AA. HMG1 and 2, and related 'architectural' DNA-binding proteins. Trends Biochem Sci. 2001 Mar;26(3):167-74.
[3]Lotze MT, Tracey KJ. High-mobility group box 1 protein (HMGB1): nuclear weapon in the immune arsenal. Nat Rev Immunol. 2005 Apr;5(4):331-42.
[4]Kang R, Chen R, Zhang Q, Hou W, Wu S, Cao L, Huang J, Yu Y, Fan XG, Yan Z, Sun X, Wang H, Wang Q, Tsung A, Billiar TR, Zeh HJ 3rd, Lotze MT, Tang D. HMGB1 in health and disease. Mol Aspects Med. 2014 Dec;40:1-116.
[5]Ferrari S, Finelli P, Rocchi M, Bianchi ME. The active gene that encodes human high mobility group 1 protein (HMG1) contains introns and maps to chromosome 13. Genomics. 1996 Jul 15;35(2):367-71.
[6]Bianchi ME, Falciola L, Ferrari S, Lilley DM. The DNA binding site of HMG1 protein is composed of two similar segments (HMG boxes), both of which have counterparts in other eukaryotic regulatory proteins. EMBO J. 1992 Mar;11(3):1055-63.
[7]TANG D, KANG R, ZEH H J, et al. The multifunctional protein HMGB1: 50 years of discovery [J]. Nat Rev Immunol, 2023, 23(12): 824-41.
[8]SIMS G P, ROWE D C, RIETDIJK S T, et al. HMGB1 and RAGE in inflammation and cancer [J]. Annu Rev Immunol, 2010, 28: 367-88.
[9]Wu L, Yang L. The function and mechanism of HMGB1 in lung cancer and its potential therapeutic implications. Oncol Lett. 2018 May;15(5):6799-6805.
[10]Xue C, Li G, Lu J, Li L. Crosstalk between circRNAs and the PI3K/AKT signaling pathway in cancer progression. Signal Transduct Target Ther. 2021 Nov 24;6(1):400.
[11]YU H, LIN L, ZHANG Z, et al. Targeting NF-κB pathway for the therapy of diseases: mechanism and clinical study[J]. Signal Transduct Target Ther, 2020,5(1):209.
[12]van Beijnum JR, Buurman WA, Griffioen AW. Convergence and amplification of toll-like receptor (TLR) and receptor for advanced glycation end products (RAGE) signaling pathways via high mobility group B1 (HMGB1). Angiogenesis. 2008;11(1):91-9.