综述：氧化还原敏感蛋白HMGB1：细胞内外的双重角色

《EXPERIMENTAL AND MOLECULAR MEDICINE》：The redox-sensitive protein HMGB1: intracellular and extracellular roles

本综述系统阐述了高迁移率族蛋白B1（HMGB1）的氧化还原调控机制及其在不同亚细胞定位下的多效功能。文章深入剖析了HMGB1通过其三个半胱氨酸残基（C23, C45, C106）形成的四种氧化还原异构体（还原型、二硫键型、氧化型和二聚体型），如何精准调控其在细胞核（DNA伴侣）、细胞质（自噬与线粒体稳态）及细胞外（损伤相关分子模式）的功能，进而影响DNA损伤应答、炎症反应、细胞死亡/存活以及与多种炎症、自身免疫、神经退行性疾病和肿瘤进展的关联，为靶向氧化还原敏感型DAMPs的治疗策略提供了新见解。

　　

引言：从染色质支架到免疫警报分子

HMGB1是一种普遍表达的非组蛋白核蛋白，自1973年发现以来，其角色从单纯的染色质结构支架，演变为1999年被鉴定的重要促炎介质。它作为一种经典的损伤相关分子模式（DAMP），在病原体入侵、细胞损伤或氧化应激时被大量释放或分泌。值得注意的是，HMGB1的生物学功能并非一成不变，而是受到其亚细胞定位和，尤为关键的，其氧化还原状态的严格调控。这篇综述旨在深入探讨HMGB1的氧化机制，并从免疫学和病理学角度阐明其不同氧化状态下的功能角色。

HMGB1的结构与氧化还原修饰

HMGB1蛋白由215个氨基酸组成，包含两个DNA结合结构域（A盒和B盒）和一个酸性C端尾部。其中，B盒结构域具有促炎特性，而A盒则表现出抗炎活性。该蛋白的独特性在于其包含三个氧化还原敏感的半胱氨酸残基：C²³、C⁴⁵和C¹⁰⁶，这决定了它可以以多种氧化还原异构体存在：还原型（Re-HMGB1）、二硫键型（Ds-HMGB1，C²³-C⁴⁵分子内二硫键）、氧化型（Ox-HMGB1，半胱氨酸被不可逆地超氧化为磺酸形式）和二聚体型（Di-HMGB1，通过C¹⁰⁶-C¹⁰⁶分子间二硫键形成）。这些异构体具有截然不同的免疫学活性。

HMGB1的分泌和活性还受到多种翻译后修饰（PTMs）的精细调控，包括氧化、乳酰化、硝基化、磷酸化、乙酰化、糖基化、甲基化、聚（ADP-核糖）基化和泛素化等。这些修饰调节着HMGB1的DNA结合能力、核质穿梭以及通过非常规途径（如分泌性自噬体和溶酶体）的分泌。

细胞内HMGB1氧化的作用

HMGB1氧化机制

在细胞内，氧化还原状态的转换由抗氧化酶如过氧化还原蛋白I/II（PrxI/II）和硫氧还蛋白（Trx）系统精确调控。PrxI/II感知活性氧（ROS）如过氧化氢（H₂O₂），并通过硫醇-二硫键交换将氧化信号传递给HMGB1，促使Ds-HMGB1的形成。相反，Trx系统可以将Ds-HMGB1还原回Re-HMGB1。在持续或过度的氧化应激下，HMGB1会发生不可逆的超氧化，形成免疫惰性的Ox-HMGB1。此外，C¹⁰⁶也可形成分子间二硫键，产生具有更强促炎能力的Di-HMGB1。

细胞内HMGB1的功能

在细胞核内，HMGB1作为DNA伴侣，参与染色质重塑和DNA损伤修复。Ds-HMGB1的形成是其从核内易位至细胞质的关键步骤。而Di-HMGB1则能以反平行二聚体的形式更强地结合DNA，保护其免受羟基自由基的损伤。

在细胞质中，HMGB1是维持细胞稳态的核心调节因子。Re-HMGB1通过结合Beclin-1并破坏Beclin-1–Bcl-2复合物来促进自噬和线粒体自噬（线粒体质量控制）。它还通过CXCR4–蛋白酶体亚基β5（PSMB5）轴下调动力相关蛋白1（Drp1）来促进线粒体融合。此外，胞质HMGB1，特别是Di-HMGB1，能与JAK2和STAT3相互作用，增强JAK2–STAT3复合物形成，从而上调程序性死亡配体1（PD-L1）等靶基因的表达，促进肿瘤迁移和侵袭。HMGB1还具有分子伴侣样活性，可抑制如多聚谷氨酰胺（PolyQ）等蛋白的异常聚集。

细胞外HMGB1氧化的作用

细胞外HMGB1氧化机制

在细胞外，HMGB1的二聚化是放大免疫信号的关键机制。细菌成分如脂多糖（LPS）和脂磷壁酸（LTA）可作为平台，促进HMGB1分子的空间接近，并在ROS的作用下，促使C¹⁰⁶发生氧化并形成分子间二硫键，生成Di-HMGB1。这种二聚体形式对Toll样受体（TLR）2和TLR4具有更强的结合亲和力，能显著放大下游的核因子κB（NF-κB）信号和促炎细胞因子的释放。

细胞外HMGB1的功能

细胞外HMGB1的功能高度依赖于其氧化还原状态和相互作用的受体。Ds-HMGB1和Di-HMGB1是主要的促炎形式，它们通过与TLR2、TLR4等受体结合，驱动强烈的炎症反应。例如，Ds-HMGB1可直接结合TLR4/MD2复合物诱导肿瘤坏死因子α（TNF-α）释放。HMGB1还能与LPS或LTA等病原体相关分子模式（PAMP）形成复合物，增强后者向CD14和TLR的转移，从而放大免疫应答。

相比之下，Re-HMGB1主要表现出趋化活性。它能与C-X-C基序趋化因子配体12（CXCL12）形成异源复合物，并通过CXCR4受体协同促进炎症细胞的招募。Re-HMGB1也能与晚期糖基化终末产物受体（RAGE）结合，参与衰老相关分泌表型（SASP）的传播。此外，HMGB1可作为核酸的“通用哨兵”，与DNA或RNA结合，并将其递送给TLR3、TLR7、TLR9等胞内受体，或胞质传感器如视黄酸诱导基因I样受体（RIG-I）、黑色素瘤分化相关基因5（MDA5）等，激活I型干扰素和炎症反应。

HMGB1与细胞死亡

HMGB1与细胞死亡存在着双向调控的复杂关系。一方面，不同形式的调节性细胞死亡会以特定的氧化还原状态被动释放HMGB1。例如，坏死早期释放Re-HMGB1，后期随ROS升高转为氧化形式；焦亡主要释放Ds-HMGB1；而凋亡中HMGB1被超氧化（Ox-HMGB1）并包裹在凋亡小体内，呈现免疫沉默状态。

另一方面，释放到细胞外的HMGB1又能以自分泌或旁分泌的方式，通过不同受体和氧化形式，诱导或调节其他形式的细胞死亡。例如，HMGB1可通过TLR4–TRIF–RIPK3通路放大坏死性凋亡；通过TLR4–CXCR4信号上调铁调素（hepcidin），引发铁过载和铁死亡；Ox-HMGB1可诱导caspase-3/9依赖的细胞凋亡，而Re-HMGB1则通过RAGE促进Beclin-1依赖的自噬以支持细胞存活；HMGB1-LPS复合物可通过RAGE依赖的内存作用激活caspase-11，引发焦亡。HMGB1的这种双重角色使其成为决定细胞命运（存活或死亡）的关键调节分子。

HMGB1氧化与免疫疾病

HMGB1的氧化还原状态在特定病理条件下具有时间和组织特异性，并与疾病进展密切相关。在神经系统疾病中，脑内注射Ds-HMGB1可加剧血脑屏障破坏和小胶质细胞激活。在自身免疫性疾病如类风湿关节炎中，活跃的Trx/TrxR系统将HMGB1维持在还原态，促进单核细胞迁移；而在系统性硬化症中，氧化应激诱导的血小板释放Ds-HMGB1可通过TLR4激活中性粒细胞。在缺血再灌注损伤中，门静脉血中Ds-HMGB1水平与肝移植后损伤严重程度正相关。在脓毒症中，HMGB1的氧化状态反映了疾病严重程度。在肿瘤微环境中，Ds-HMGB1与促炎信号和肿瘤生长相关，而阻断HMGB1则可重塑免疫微环境，增强免疫检查点抑制剂的疗效。这些发现强调了靶向特定HMGB1氧化还原异构体作为治疗策略的潜力。

结论与展望

HMGB1是一个多功能的氧化还原敏感蛋白，其功能由其亚细胞定位和氧化还原状态精密控制。从维持核内基因组完整性，到调控胞质自噬与线粒体稳态，再到作为细胞外警报分子驱动炎症，HMGB1几乎参与了生命活动的方方面面。其不同氧化还原异构体（Re-, Ds-, Ox-, Di-HMGB1）赋予了其从促修复到强促炎，再到免疫耐受的广泛功能谱。HMGB1的释放模式与氧化状态与各种细胞死亡程序紧密耦联，深刻影响着疾病结局。理解HMGB1在特定组织和病理条件下的氧化状态动态变化，将为开发针对炎症、自身免疫病、神经退行性疾病和癌症的新型靶向疗法提供关键理论基础。未来研究需进一步阐明不同氧化形式在体内复杂环境中的具体分布、转换阈值及其在疾病不同阶段的精确作用，以推动精准免疫干预策略的发展。