Neurosci Bull︱郑芳课题组揭示星形胶质细胞来源的HMGB1在实验性自身免疫性脑脊髓炎中的重要作用

撰文︱史君宇

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

多发性硬化（multiple sclerosis，MS‍）是一种以中枢神经系统炎症、脱髓鞘和神经退行性变为主要特征的自身免疫病，好发于20至40岁的青年人，女性更易感，常反复发作并逐渐加重，是导致年轻人慢性残疾最常见的神经系统疾病之一[1]。MS的具体病因未知，是遗传因素、环境因素等综合影响的结果。目前针对MS的治疗方案主要是免疫抑制疗法[2]，尽管有十多种药物（如阿仑单抗、米托蒽醌、富马酸二甲酯等）用于治疗多发性硬化，但疗效仍然不佳[3]。因此聚焦MS发生发展的机制，寻找新的治疗靶点尚需不断深入。研究发现血脑屏障损伤发生在MS的起始阶段，血脑屏障损伤后外周免疫细胞向中枢神经系统浸润是导致疾病进展的重要环节[4]，导致血脑屏障损伤的具体机制有待深入探究。

2022年6月14日，华中科技大学同济医学院免疫学系郑芳课题组在《神经科学通报》（Neuroscience Bulletin）上发表了题为“HMGB1 from Astrocytes Promotes EAE by Influencing the Immune Cell Infiltration-Associated Functions of BMECs in Mice”的研究论文，阐述了星形胶质细胞来源的HMGB1在小鼠EAE中的重要作用。实验性自身反应性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，简称EAE）是模拟MS的经典动物模型。史君宇为论文第一作者，郑芳教授为论文通讯作者。作者发现，在EAE过程中星形胶质细胞可主动释放HMGB1，星形胶质细胞来源的HMGB1可通过直接作用于脑微血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cells，BMECs）增加其免疫细胞浸润相关功能，促进EAE的发生和发展。

高迁移率族蛋白1（High mobility group box 1，HMGB1）生理情况下主要定位于细胞核内，参与调控DNA的转录、复制和修复等过程，是一种能与DNA结合的非组蛋白；疾病状态下HMGB1被释放至胞外作为损伤相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）分子发挥作用[5]。该课题组前期研究发现HMGB1的抑制剂甘草甜素可显著缓解小鼠EAE的疾病症状，为MS的治疗提供了新的可能[6]，还发现中枢神经系统局部的HMGB1在EAE中发挥关键作用，且HMGB1在星形胶质细胞中的表达模式与疾病进程密切相关[7]。星形胶质细胞（astrocyte）是中枢神经系统数量最多、分布广泛且功能多样的细胞群体，其在MS中的作用也得到了越来越多的关注，该研究中作者深入阐述了星形胶质细胞局部的HMGB1在EAE中的具体作用及其机制。

HMGB1在生长发育中发挥关键作用[8]，为了避免影响小鼠生长发育，作者采用他莫昔芬诱导的方式在成年小鼠体内和体外特异地敲除了星形胶质细胞中的HMGB1（图1D-G），以探究其在EAE中的作用。

图1 星形胶质细胞HMGB1条件性敲除效果鉴定

（图源：Shi JY, et al., Neurosci Bull, 2022）

作者进一步研究发现条件性敲除星形胶质细胞中的HMGB1可明显减轻EAE，包括延迟起病时间、减轻疾病评分（图2A），缓解脊髓的脱髓鞘（图2B）。以上结果表明星形胶质细胞来源的HMGB1在疾病早期即参与EAE的发生，并能促进疾病进展。

图2 星形胶质细胞HMGB1条件性敲除对EAE的影响

（图源：Shi JY, et al., Neurosci Bull, 2022）

中枢神经系统在正常生理条件下为“免疫豁免区”，由于血脑屏障的存在，外周免疫细胞和分子不能浸润到中枢，使其免于炎症状态[9]。血脑屏障内皮细胞间紧密连接蛋白和粘附连接蛋白的存在使其具有屏障功能，可阻止外周免疫细胞或分子向中枢神经系统浸润[10]。Claudin5是其中最为重要的一种紧密连接蛋白，研究报道Claudin5敲除小鼠血脑屏障功能缺失，外周物质可浸润至中枢[11]，因此在本研究中作者通过检测小鼠血脑屏障内皮细胞上Claudin5蛋白的表达情况反映其血脑屏障功能的强弱。除屏障功能外，血脑屏障还具有黏附功能[12]，在EAE等中枢神经系统炎症性疾病中脑微血管内皮细胞上黏附分子ICAM1和VCAM1表达增多，可加剧其对外周免疫细胞的黏附作用进而促进外周免疫细胞向中枢神经系统浸润。作者发现星形胶质细胞HMGB1条件性敲除使EAE高峰期小鼠脑微血管内皮细胞上Claudin5的表达增多（图3A-B），而脊髓中ICAM1和VCAM1的表达均减少（图3C）。以上结果证明星形胶质细胞HMGB1条件性敲除通过影响血脑屏障内皮细胞的功能，减少EAE过程中外周免疫细胞向中枢神经系统的浸润。

图3 星形胶质细胞HMGB1条件性敲除对EAE小鼠血脑屏障功能的影响

（图源：Shi JY, et al., Neurosci Bull, 2022）

除此之外，作者还在体外分离培养了原代BMECs，即血脑屏障内皮细胞，通过体外实验进一步证明星形胶质细胞主动释放的HMGB1可直接作用于BMECs，通过TLR4下调BMECs上Claudin5的表达，通过RAGE上调BMECs上ICAM1和VCAM1的表达，使血脑屏障内皮细胞间的通透性增加、黏附能力增强，即影响其免疫细胞浸润相关功能，促进外周免疫细胞向中枢神经系统浸润（图4）。

图4工作总结图

（图源：郑芳课题组）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，作者利用星形胶质细胞HMGB1条件性敲除鼠，发现在EAE时星形胶质细胞可主动释放HMGB1，并且星形胶质细胞来源的 HMGB1通过TLR4下调BMECs上Claudin5的表达，通过RAGE上调BMECs上ICAM1和VCAM1的表达，影响其免疫细胞浸润相关功能，促进外周免疫细胞向中枢神经系统浸润进而促进EAE的发生和发展。该研究首次揭示了星形胶质细胞局部的HMGB1在EAE中的作用，阐述了HMGB1通过影响中枢神经系统定居细胞的功能影响免疫性疾病，有望为临床针对多发性硬化过程中血脑屏障损伤的治疗提供新靶点。但同时有关HMGB1的研究还需不断完善：如HMGB1的功能和主动释放过程与其翻译后修饰状态和氧化还原状态密切相关[13]，研究发现在EAE高峰期时小鼠脊髓中活性氧增多[14]，提示EAE时星形胶质细胞主动释放的HMGB1可能具有不同的氧化还原状态；HMGB1是否还通过其他机制影响EAE发生和发展？有关上述问题尚待进一步探究。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s12264-022-00890-1

第一作者史君宇（第一排左三）；通讯作者郑芳教授（第一排左二）

（照片提供自：华中科技大学同济医学院免疫学系郑芳课题组）

人才招聘
【1】人才招聘︱“ 逻辑神经科学 ”诚聘文章解读/撰写岗位 ( 网络兼职, 在线办公)【2】“ 逻辑神经科学 ”诚聘副主编/编辑/运营岗位（在线办公）【3】“ 逻辑神经科学 ”诚聘编辑/运营岗位 ( 在线办公)

往期文章精选【1】J Neurosci︱叶冰研究组揭示大脑皮层增厚过程的分子机制【2】Sci Adv︱杨雄里院士团队揭示自感光视网膜神经节细胞在近视形成中的重要作用【3】Front Cell Dev Biol | 黄志超团队在唐氏综合症发育过程中寻找关键神经病变【4】Nature︱去甲肾上腺素在学习过程中的双重作用【5】Nat Neurosci︱刘胜/刘奕志/向孟清团队研究证实成年灵长类存在活跃的神经发生现象【6】Alzheimers Dement︱申勇团队提出中国阿尔兹海默病的血液诊断新标准【7】Mol Psychiatry︱石云/杨建军/柳娜团队揭示谷氨酸受体缺陷引起人类攻击行为的新机制【8】Nat Commun︱全舒/薛毅/吴斌团队合作揭示分子伴侣如何不消耗能量而释放底物的机制【9】Nature︱新靶点！冯国平团队揭示靶向丘脑回路拯救帕金森病小鼠运动和情绪缺陷【10】Sci Adv︱刘际团队揭示下丘脑GLP-1信号通过下行迷走神经环路调控血糖代谢的神经机制

优质科研培训课程推荐【1】膜片钳与光遗传及钙成像技术研讨会 8月6-7日 腾讯会议

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Filippi M, Bar-Or A, Piehl F, Preziosa P, Solari A, Vukusic S, et al. Multiple sclerosis. Nat Rev Dis Primers 2018, 4: 43.

[2] Feinstein A, Freeman J, Lo AC. Treatment of progressive multiple sclerosis: what works, what does not, and what is needed. Lancet Neurol 2015, 14: 194-207.

[3] English C, Aloi JJ. New FDA-Approved Disease-Modifying Therapies for Multiple Sclerosis. Clinical Therapeutics 2015, 37: 691-715.

[4] Minagar A, Alexander JS. Blood-brain barrier disruption in multiple sclerosis. Mult Scler 2003, 9: 540-549.

[5] Li J, Shi J, Sun Y, Zheng F. Glycyrrhizin, a Potential Drug for Autoimmune Encephalomyelitis by Inhibiting High-Mobility Group Box 1. DNA Cell Biol 2018, 37: 941-946.

[6] Sun Y, Chen H, Dai J, Wan Z, Xiong P, Xu Y, et al. Glycyrrhizin Protects Mice Against Experimental Autoimmune Encephalomyelitis by Inhibiting High-Mobility Group Box 1 (HMGB1) Expression and Neuronal HMGB1 Release. Front Immunol 2018, 9: 1518.

[7] Sun Y, Chen H, Dai J, Zou H, Gao M, Wu H, et al. HMGB1 expression patterns during the progression of experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neuroimmunol 2015, 280: 29-35.[8] Calogero S, Grassi F, Aguzzi A, Voigtlander T, Ferrier P, Ferrari S, et al. The lack of chromosomal protein Hmg1 does not disrupt cell growth but causes lethal hypoglycaemia in newborn mice. Nat Genet 1999, 22: 276-280.[9]  Abbott NJ, Patabendige AA, Dolman DE, Yusof SR, Begley DJ. Structure and function of the blood-brain barrier. Neurobiol Dis 2010, 37: 13-25.[10]  Bazzoni G, Dejana E. Endothelial cell-to-cell junctions: molecular organization and role in vascular homeostasis. Physiol Rev 2004, 84: 869-901.

[11] Nitta T, Hata M, Gotoh S, Seo Y, Sasaki H, Hashimoto N, et al.Size-selective loosening of the blood-brain barrier in claudin-5-deficient mice. J Cell Biol 2003, 161: 653-660.

[12] Daneman R, Prat A. The blood-brain barrier. Cold Spring Harb Perspect Biol 2015, 7: a020412.

[13] Andersson U, Tracey KJ, Yang H. Post-Translational Modification of HMGB1 Disulfide Bonds in Stimulating and Inhibiting Inflammation. Cells 2021, 10.

[14] Dimitrijevic M, Kotur-Stevuljevic J, Stojic-Vukanic Z, Vujnovic I, Pilipovic I, Nacka-Aleksic M, et al. Sex Difference in Oxidative Stress Parameters in Spinal Cord of Rats with Experimental Autoimmune Encephalomyelitis: Relation to Neurological Deficit. Neurochem Res 2017, 42: 481-492.

本文完