Streszczenie

Białko HMGB1 jest ewolucyjnie konserwatywnym białkiem o bardzo szerokim zakresie działa­nia. Głównymi receptorami białka HMGB1 są receptory RAGE i TLR znajdujące się na komór­kach układu odpornościowego i komórkach śródbłonkowych. Choć szlaki sygnałowe obu grup receptorów są różne, to aktywują one w końcowym efekcie czynnik transkrypcyjny NF-kB, któ­ry aktywuje z kolei geny kodujące, m.in. białka adhezyjne, prozapalne cytokiny oraz czynniki proangiogenne. Wewnątrz komórki białko HMGB1 znajduje się głównie w jądrze komórkowym i bierze udział w replikacji, rekombinacji, transkrypcji i naprawie DNA. Po uwolnieniu do prze­strzeni pozakomórkowej staje się cytokiną prozapalną. Cytokina ta stymuluje tworzenie nowych naczyń krwionośnych, zwiększa migrację komórek, aktywuje stan zapalny oraz proliferację ko­mórek. Białko HMGB1 bierze także udział w regeneracji uszkodzonych tkanek, a także w sty­mulacji autofagii.
HMGB1 odgrywa rolę jako potencjalny cel w terapii przeciwnowotworowej. Wzrost ilości biał­ka HMGB1 w komórkach nowotworowych, jak i w krwiobiegu obserwuje się u osób chorych na różnego rodzaju nowotwory. HMGB1 chroni komórki nowotworowe przed apoptozą, ma wpływ na stabilność telomerów. Białko HMGB1 stymuluje wiele białek biorących udział w proliferacji komórek nowotworowych, hamuje sygnały kontrolujące wzrost komórek, ma właściwości proan­giogenne i prozapalne. Zahamowanie uwalniania tego białka czy zahamowanie jego aktywności z komórek podczas terapii przeciwnowotworowej wydaje się obiecującym podejściem terapeu­tycznym. Obecnie znanych jest wiele inhibitorów białka HMGB1, które mogą być użyte w tera­pii przeciwnowotworowej.

Słowa kluczowe:HMGB1 • nekroza • apoptoza • terapia przeciwnowotworowa

Summary

HMGB1 is an evolutionarily conserved protein with a wide spectrum of action. Its main recep­tors are RAGE and TLR found on the surface of immune system cells as well as endothelial cells. Although signaling pathways for both receptor groups are different, ultimately they both activa­te NFkB transcription factor which, in turn, activates genes encoding adhesion proteins, proin­flammatory cytokines and proangiogenic factors. Inside cells, HMGB1 is found mainly in the cell nucleus, where it participates in replication, recombination, transcription and DNA repair processes. Following release into the extracellular space, HMGB1 becomes a proinflammatory cytokine which stimulates formation of new blood microvessels, enhances cell migration, acti­vates the inflammatory condition and affects cell proliferation. HMGB1 protein also takes part in regeneration of damaged tissues and stimulates autophagy.
HMGB1 plays a potential role in anticancer therapy. Increased amounts of HMGB1 in cancer cells and elevated levels in the bloodstream are noted among patients afflicted with various can­cers. HMGB1 protects cells from apoptosis, as it affects telomere stability. HMGB1 also stimu­lates a number of proteins involved in proliferation of cancer cells and inhibits signals that con­trol cell growth. Ability to arrest HMGB1 release from cells or to inhibit its activity appears to be a promising therapeutic approach. At present, several inhibitors of HMGB1 are known and can be used in anticancer therapy.

Key words:HMGB1 • necrosis • apoptosis • anticancer therapy

Wstęp

Białko HMGB1 (high mobility group box protein 1), niehi­stonowe białko chromosomalne o masie cząsteczkowej 27 kDa i dużej ruchliwości elektroforetycznej, opisano po raz pierwszy w 1973 roku [8]. Pierwsze doniesienia dotyczą­ce funkcji tego białka w późnej reakcji zapalnej pojawiły się dopiero w 1999 roku [45]. Obecnie białko HMGB1 jest jednym z najintensywniej badanych białek [37].

Funkcje białka HMGB1 zależą w dużym stopniu od „kon­tekstu”: biologicznych warunków w jakim to białko się znajduje. W jądrze komórkowym białko HMGB1 wią­że się z różnymi strukturami DNA. Tworzy kompleksy z wieloma białkami jądrowymi, m.in. z p53, p73, białka­mi aktywującymi rekombinację, jądrowymi receptorami hormonów steroidowych [4]. Białko HMGB1 stabilizuje także strukturę nukleosomów. Bierze udział w transkryp­cji różnych genów.

Białko HMGB1 niezawierające sekwencji liderowej jest wydzielane, prawdopodobnie w sposób aktywny, za po­średnictwem lizosomów, wyspecjalizowanych pęcherzy­ków wydzielniczych [5]. Poza komórką, w przestrze­ni pozakomórkowej, białko HMGB1 zachowuje się jak typowa cytokina prozapalna: stymuluje aktywność ko­mórek odpornościowych (m.in. biorących udział w re­akcji zapalnej monocytów i makrofagów) [48]. Białko HMGB1 bierze także udział w regeneracji uszkodzo­nych tkanek [13].

W procesie śmierci nekrotycznej komórek nowotworowych białko HMGB1 może być wydzielane w sposób bierny [4,26,27]. Uwolnione białko zachowuje się wtedy jak ty­powa cząsteczka DAMP (damage associated molecular pat­tern) [6,9]. Wydzielane przez ginące komórki nowotworowe cząsteczki DAMP (zalicza się do nich m.in.: ATP, kwas moczowy, białka S100 wiążące wapń, białka szoku ciepl­nego) „programują” charakter śmierci obumierających ko­mórek. To, czy śmierć ta będzie miała charakter immuno­genny (zdolny wyindukować odpowiedź odpornościową skierowaną przeciwko komórkom nowotworowym), czy też będzie to nieimmunogenna (niezdolna takiej odpo­wiedzi wywołać) zależy w dużym stopniu od aktywności cząsteczek DAMP. Harmonijne, skoordynowane działa­nie różnych cząsteczek DAMP jest konieczne do aktywa­cji komórek dendrytycznych, zdolnych do prezentacji an­tygenów limfocytom T [39,40].

Budowa białka HMGB1

Białko HMGB1 (zwane też amfoteryną) należy do rodziny białek HMG (high mobility group): zasadowych, niehisto­nowych białek chromosomalnych. Białko HMGB1 zbudo­wane jest z 215 aminokwasów [14,43], jest białkiem silnie konserwatywnym, występuje prawie we wszystkich komór­kach eukariota (homologia między gryzoniami, bydłem i człowiekiem wynosi 98%) [4]. Ludzkie białko HMGB1 różni się od mysiego zaledwie dwoma aminokwasami [32]. Komórki ssaków zawierają dużą liczbę cząsteczek białka HMGB1. W budowie białka HMGB1 można wyróżnić trzy domeny A, B i C (ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura białka HMGB1 i jego funkcje. Białko HMGB1 jest zbudowane z trzech domen: A, B, C. Domeny A i B odpowiadają za wiązanie się z DNA. Domena A jest miejscem wiązania heparyny i pełni antagonistyczną funkcję w stosunku do właściwości prozapalnych HMGB1. Domena B jest odpowiedzialna za właściwości prozapalne, a domena C chroni domeny A i B podczas wydzielania z komórki

Domena A (box A) jest umiejscowiona między 2 a 79 aminokwasem, domena B (box B) między 89 a 163 ami­nokwasem, a domena C (box C) między 186-215 amino­kwasem [14]. Domena C ma kwaśny charakter i składa się prawie wyłącznie z kwasu glutaminowego i asparaginowe­go. W domenie A znajduje się miejsce wiązania heparyny. Domena ta działa antagonistycznie w stosunku do całego białka HMGB1. W domenie B występuje rejon odpowie­dzialny za tzw. aktywność prozapalną oraz miejsce wiązania z receptorem RAGE (Receptor for Advanced Glycation End Product). Obie domeny wiążą się z DNA. Domena C jest odpowiedzialna za ochronę domeny A i B podczas migracji z jądra komórkowego. Oddziaływania przestrzen­ne między domenami A i B nadają białku HMGB1 kon­formację podobną do litery L. Konformacja ta ma tak­że wpływ na zdolność kompleksowania białka HMGB1 z DNA oraz z dostępnością niektórych aminokwasów do tzw. potranslacyjnej modyfikacji. Potranslacyjnej mody­fikacji ulegają główne reszty lizyn i cystein [14]. Ważne wydają się trzy cysteiny w pozycjach 23, 45 i 106. Dwie cysteiny cys23 i cys45 już przy bardzo niskim potencja­le redox (-273 mV) tworzą wiązanie disiarczkowe [38]. Połączenie to umożliwia również wiązanie z bekliną 1 i aktywację procesu autofagii. Cysteina w pozycji 106 jest odpowiedzialna za wiązanie z receptorem TLR-4 i akty­wację uwalniania cytokin z makrofagów [46]. W modyfi­kacji cystein główną rolę odgrywają reaktywne formy tlenu (ROS). Utlenienie np. Cys 106 hamuje aktywność cytoki­nową białka HMGB1. Acetylacja lizyn w dwóch rejonach NLS (Nuclear Localization Signals) (reszty aminokwaso­we 28-44 i 179-185) umożliwia sekrecję białka HMGB1 do przestrzeni pozakomórkowej [14]. Podobnie inne mo­dyfikacje: metylacja, poli (ADP) – rybozylacja i fosfory­lacja ułatwiają translokację białka HMGB1 do cytopla­zmy i jego wydzielanie. W sposób aktywny HMGB1 jest uwalniany przez makrofagi stymulowane bakteryjnym li­popolisacharydem LPS [42].

Receptory białka HMGB1

Uwalniane do przestrzeni pozakomórkowej białko HMGB1 tworzy kompleksy m.in. z fragmentami DNA, RNA, bakte­ryjnym liposacharydem (LPS), z nukleosomami, z cytoki­ną IL-1β, a nawet z chemokiną CXCL12 (SDF1 – czynnik pochodzący z komórek zrębowych) [28,30]. Kompleksy te są rozpoznawane i przyłączane przez różne recepto­ry znajdujące się na wielu komórkach [30]. Kompleksy HMGB1 z IL-1β są przyłączone przez receptory IL-1R, z DNA lub RNA przez receptory RAGE, z LPS przez re­ceptory TLR4, z chemokiną CXCL12 przez receptory GPCR, z nukleosomami przez receptory TLR2, z DNA przez receptory TLR9, a z RNA przez kompleksy TLR7 [30]. HMGB1 może być także przyłączone przez recep­tory TREM-1 (triggerring receptor expressed on myeloid cells-1) oraz przez trombospondynę i CD24. Te dwa ostat­nie białka odrywają rolę w tzw. negatywnej regulacji ak­tywności białka HMGB1 [30]

Głównymi receptorami białka HMGB1 są receptory RAGE i TLR znajdujące się na komórkach odpornościowych i śródbłonkowych [26,32]. Choć szlaki sygnałowe obu grup receptorów są różne, to aktywują one w końcowym efek­cie czynnik transkrypcyjny NF-κB, który aktywuje z ko­lei geny kodujące m.in. białka adhezyjne, prozapalne cy­tokiny oraz czynniki proangiogenne [43].

Aktywacja receptora RAGE uruchamia także szlak sygna­łowy Rac1/CDC42, który indukuje w komórkach tzw. feno­typ migracyjny i powoduje zmiany w cytoszkielecie [43].

W sygnalizacji białka HMGB1 główną rolę odgrywają re­ceptory RAGE (receptor for advanced glycation end pro­ducts) oraz kilka receptorów z rodziny TLR (toll like fa­mily of receptors) [13]. Są to receptory aktywowane przez cząsteczki molekularne pochodzące z patogenów, które ak­tywują odpowiedź układu odpornościowego.

RAGE

Receptor RAGE jest białkiem przezbłonowym biorą­cym udział w aktywacji stanu zapalnego. Był pierwszym, w którym wykazano wiązanie się białka HMGB1. Białko HMGB1 wiąże się z receptorem RAGE i promuje che­motaksję i wytworzenie cytokin [13]. Związanie białka HMGB1 z receptorem RAGE stymuluje dojrzewanie, mi­grację komórek odpornościowych i wzrost liczby recep­torów powierzchniowych komórek.

TLR

Receptory z rodziny TLR biorą udział w odpowiedzi ukła­du odpornościowego zarówno na infekcje, jak i na uszko­dzenia. Receptory TLR rozpoznają różne ligandy, np. receptor TLR4 odpowiedzialny jest za rozpoznanie bak­teryjnej endotoksyny (LPS). Białko HMGB1 wiąże się swoiście z receptorami TLR4, TLR2 i TLR9. Związanie białka HMGB1 z receptorami TLR4 i TLR2 aktywu­je czynnik transkrypcyjny NF-κB, który odpowiedzial­ny jest za syntezę cytokin i aktywację komórek układu odpornościowego [38,48]. Aktywacja receptora TLR4 przez białko HMGB1 różni się od stymulacji przez LPS. HMGB1 aktywuje zarówno IKKα, jak i IKKβ, podczas gdy LPS indukuje tylko IKKβ. Poza tym związana z biał­kiem MAPK aktywacja białek i cytokin jest inna w przy­padku białka HMGB1 i różni się od tej związanej z LPS. Aktywacja receptora TLR9 przez białko HMGB1 nie jest związana z wynikiem działania samego białka HMGB1, lecz zależy od jego kompleksu z DNA [1]. Połączenie kompleksu HMGB1-DNA z receptorem TLR9 stymu­luje aktywację komórek układu odpornościowego oraz uwalnianie cytokin.

Funkcje białka HMGB1

Białko HMGB1, w zależności od tego czy znajduje się w komórce związane z DNA czy jest uwolnione z komór­ki, pełni różne funkcje.

Białko HMGB1 związane z DNA

W jądrze komórkowym białko HMGB1 tworzy komplek­sy z DNA. Kompleksy te wpływają na strukturę nukleoso­mów oraz regulują ekspresje genów i modulują aktywność hormonów steroidowych [48]. W jądrze komórkowym biał­ko HMGB1 wiąże się z małym rowkiem DNA i stabilizuje nukleosomy oraz konformację aktywnych transkrypcyjnie genów [4]. Wiążąc się z różnymi nietypowymi strukturami DNA (np. trój- lub czteroniciowymi, powstającymi pod­czas replikacji i rekombinacji DNA) w pośredni lub bez­pośredni sposób jądrowe białko HMGB1 może brać udział w procesach replikacji DNA, rekombinacji oraz w repera­cji uszkodzeń DNA.

Białko HMGB1 tworzy także kompleksy z różnymi czyn­nikami transkrypcyjnymi (m.in. z p53, p73), z białkami ak­tywującymi rekombinację (RAG1/2) oraz z jądrowymi re­ceptorami hormonów steroidowych [42].

Po związaniu się z DNA jądrowe HMGB1 bierze udział w reakcji naprawy niesparowanych zasad kwasów nukle­inowych. HMGB1 rekrutuje białka biorące udział w na­prawę DNA umożliwiając interakcje z egzonukleazami, helikazami, polimerazami i ligazami [4]. Białko HMGB1 uczestniczy w aktywności transkrypcyjnej receptorów ste­roidowych m.in. receptorów estrogenowych.

Znajdujące się w cytoplazmie białko HMGB1 może odgry­wać rolę czynnika indukującego autofagię [41]. Natomiast zlokalizowane w błonie komórkowej białko HMGB1 przy­łącza plazminogen oraz tkankowy aktywator plazminoge­nu (tPA). Oba te białka biorą udział w aktywacji plazmi­ny oraz metaloproteinaz MMP, enzymów odgrywających istotną rolę w migracji i w swobodnym przemieszczaniu się komórek [43].

Jądrowe białko HMGB1 jest częściowo odpowiedzialne za efektywność terapii związkami platyny stosowanymi w le­czeniu przeciwnowotworowym. Wynika to z wysokiego powinowactwa HMGB1 do adduktów DNA. Powstałe wią­zania zapobiegają aktywacji wielu mechanizmów napra­wy mutacji w genomie komórki; dotąd proces ten nie zo­stał jednak do końca wyjaśniony. Zaobserwowano także zwiększenie oporności ludzkich komórek nowotworowych na związki cisplatyny związanej ze wzrostem poziomu biał­ka HMGB1. Wzrost ilości białka HMGB1 jest obserwowa­ny w większości komórek nowotworowych [18]. Nadmiar białka HMGB1 przyspiesza cykl komórkowy przez akty­wację czynników transkrypcyjnych.

Białko HMGB1 znajdujące się w przestrzeni pozakomórkowej

Białko HMGB1 nie ma peptydowej sekwencji liderowej i nie jest wydzielane przez klasyczny szlak retikulum endo­plazmatyczne – aparat Golgiego. Prawdopodobnie białko to w sposób aktywny ulega sekrecji w makrofagach i mo­nocytach za pośrednictwem lizosomów, wyspecjalizowa­nych pęcherzyków wydzielniczych [5,7]. Aktywne wydzie­lanie HMGB1 stymulowane jest przez egzogenne produkty mikroorganizmów, takie jak endotoksyna czy sekwencje CpG obecne w bakteryjnym DNA lub przez endogenne stymulatory, takie jak TNF, IFN-γ czy nadtlenek wodoru [49]. Poza aktywnym wydzielaniem HMGB1, białko to może być uwalniane biernie w procesie nekrozy [4,38]. W przypadku aktywnego wydzielania HMGB1, białko to jest najczęściej w postaci utlenionej. Natomiast podczas biernego uwalnianiania białko przyjmuje postać zreduko­waną. Te dwie postaci białka pełnią różną rolę w sygnaliza­cji pozakomórkowej [38]. Aktywnie uwolnione, utlenione białko nie aktywuje odpowiedzi układu odpornościowego, natomiast postać zredukowana aktywuje odczyn zapalny.

Poza komórką, w przestrzeni pozakomórkowej białko HMGB1 zachowuje się jak typowa cytokina prozapalna.

Białko HMGB1 jako cytokina

Uwolnione z komórki w sposób bierny czy aktywny biał­ko HMGB1 staje się cytokiną prozapalną. W przestrzeni pozakomórkowej białko to stymuluje aktywność komórek odpornościowych (m.in. biorących udział w reakcji zapal­nej monocytów i makrofagów) oraz aktywuje chemotak­sję komórek [26,48]. Białko HMGB1 bierze także udział w regeneracji uszkodzonych tkanek [13] (ryc. 2).

Ryc. 2. Właściwości cytokiny białka HMGB1. Białko HMGB1 uwalniane jest w sposób bierny z komórki podczas procesu nekrozy, stając się prozapalną cytokiną. HMGB1 aktywuje komórki śródbłonkowe, stan zapalny, zwiększa migrację komórek nowotworowych

Stymulacja układu odpornościowego przez HMGB1

Uwolnione do przestrzeni pozakomórkowej białko HMGB1 ma działanie cytokiny prozapalnej stymulującej aktyw­ność wielu różnych komórek układu odpornościowego. Uwolnione poza komórkę białko HMGB1 wiąże się z re­ceptorami RAGE i TLR obecnymi głównie na powierzch­ni komórek układu odpornościowego lub na powierzchni komórek śródbłonkowych [49]. Kaskada sygnałowa prze­biega w następujący sposób: uszkodzenie komórki powo­duje uwolnienie białka HMGB1, dalej aktywację makro­fagów, które wydzielają duże ilości dodatkowego białka HMGB1. Białko to aktywuje z kolei komórki NK i NKT, dojrzewanie komórek dendrytycznych oraz stymuluje lim­focyty T CD8⁺ i CD4⁺ [18].

HMGB1 indukuje zatem dojrzewanie komórek dendrytycz­nych, stymuluje monocyty – zwiększając ich zdolność do adhezji oraz wydzielania różnych cytokin i immunomodu­latorów. HMGB1 powoduje także wzrost adhezyjnych i mi­gracyjnych właściwości neutrofilów, aktywuje w nich NF-κB i syntezę różnych cytokin. Białko HMGB1 wpływa na proliferację i przeżycie limfocytów T oraz ich funkcjonalną polaryzację w kierunku limfocytów Th1. Białko HMGB1 ak­tywuje także komórki śródbłonkowe naczyń. Pod wpływem tego białka komórki śródbłonkowe wydzielają TNF-α i IL-8. W aktywowanych komórkach śródbłonkowych obserwuje się także wzrost poziomu ICAM-1 i VCAM-1, białek bio­rących udział w adhezji komórek prozapalnych [13].

Chemotaksja

Wiele badań wskazuje, że białko HMGB1 może stymulo­wać migrację różnego rodzaju komórek, takich jak: neurony, komórki mięśni gładkich, komórki nowotworowe, komórki macierzyste, monocyty, komórki dendrytyczne, neutrofi­le, komórki śródbłonkowe [23,49]. Białko HMGB1, uwol­nione poza komórkę w miejscu infekcji lub uszkodzenia, aktywuje odpowiedź nieswoistą układu odpornościowego oraz staje się potencjalnym czynnikiem chemotaktycznym.

Właściwości regeneracyjne HMGB1

Białko HMGB1 nie tylko stymuluje odpowiedź prozapal­ną, bierze także udział w regeneracji, odbudowie uszkodzo­nych tkanek [13]. Regeneracja tkanki przez białko HMGB1 odbywa się m.in. przez pobudzanie migracji i proliferacji niektórych komórek macierzystych oraz inicjację procesu angiogenezy [21,29].

Białko HMGB1 jest atraktantem dla komórek macierzy­stych i może odgrywać znaczącą rolę w regeneracji mię­śni szkieletowych, mięśnia sercowego. Rekrutuje zarów­no komórki macierzyste rezydujące w danym narządzie jak i komórki macierzyste w krwiobiegu.

W nowotworach białko HMGB1 uczestniczy w regene­racji uszkodzonej tkanki, zwłaszcza w następstwie radio- czy chemioterapii.

Udział białka HMGB1 w procesie autofagii

Białko HMGB1 związane z jądrem komórkowym, uwol­nione do cytoplazmy i z komórki stymuluje autofagię [10]. Cytoplazmatyczne białko HMGB1 wiąże się z biał­kiem Bekliny 1, które bierze udział w procesie autofagii. Zahamowanie aktywności białka HMGB1 w fibroblastach embrionów mysich, także w komórkach nowotworowych obniża poziom autofagii [11,12,35].

Indukcja autofagii przez białko HMGB1 jest zależna od re­ceptora RAGE i od tego czy białko HMGB1 jest w postaci utlenionej czy zredukowanej. Utlenienie i redukcja doty­czy reszt cysteiny w strukturze białka. Dostarczenie komór­kom nowotworowym egzogennego białka HMGB1 prowa­dzi do śmierci w wyniku autofagii lub apoptozy [10,12,36]. Zredukowane białko HMGB1 (gdzie wszystkie cysteiny nie są utlenione) wiąże się z receptorem RAGE i indukuje au­tofagię. Jednak utlenione białko HMGB1 indukuje apop­tozę komórek przez szlaki mitochondrialne [12].

Białko HMGB1 może zatem być regulatorem śmierci ko­mórkowej lub ich przeżywania co może mieć znaczący wpływ na efekt terapii przeciwnowotworowej.

Rola białka HMGB1 w terapii przeciwnowotworowej

Poziom białka HMGB1 rośnie w prawie wszystkich typach nowotworów [18]. Podniesiony poziom HMGB1 w surowi­cy koreluje ze złym rokowaniem u chorych. Lotze i wsp. uważają nawet, że progresja nowotworu wymaga uwolnie­nia białka HMGB1 z komórek nekrotycznych, gdyż no­wotwory są uzależnione od HMGB1 i innych cząsteczek związanych ze śmiercią komórek [18].

W wielu schorzeniach autoimmunologicznych, chorobach wywołanych przez wirusy, urazy, uszkodzeniach niedo­krwienno-reperfuzyjnych, posocznicy, nadekspresja pro­zapalnego białka HMGB1 wydaje się odgrywać główną rolę. Hamowanie aktywności HMGB1, przez różnego ro­dzaju inhibitory, ma istotny terapeutyczny wpływ na prze­bieg tych schorzeń [14,20,41]. Wzrost ilości białka HMGB1 w komórkach nowotworowych i jego poziomu w krwiobie­gu obserwuje się także u osób chorych na różnego rodzaju nowotwory [37]. W komórkach nowotworowych (rakach jelita grubego, stercza i trzustki, lecz nie w rakach płuc) stwierdzono wyraźny wzrost ilości zarówno białka HMGB1 jak i jego receptora RAGE [37]. Na ogół, u chorych, u któ­rych obserwuje się wzrost ilości HMGB1 i RAGE roko­wania są niekorzystne.

Zdaniem Tanga i wsp. [37] nadekspresja białka HMGB1 ma wpływ na wiele podstawowych cech fenotypowych ko­mórek nowotworowych. HMGB1 chroni komórki nowo­tworowe przed apoptozą. Wpływa na stabilność telome­rów, stymuluje wiele białek biorących udział w proliferacji komórek nowotworowych, hamuje także sygnały kontrolu­jące wzrost komórek. HMGB1, jak podano wcześniej, ma właściwości proangiogenne i prozapalne.

HMGB1 może dwojako działać na nowotwory: po pierw­sze, wydzielanie HMGB1 np. podczas terapii przeciwno­wotworowej (chemio- lub radioterapii) może prowadzić do dojrzewania komórek dendrytycznych przez interak­cję z receptorami TLR4 i w konsekwencji ekspansję lim­focytów T swoistych dla antygenów nowotworowych. Po drugie, przewlekła hipoksja w rosnących guzach prowa­dzi do nekrozy komórek i ciągłego uwalniania cytokiny HMGB1. Powoduje to wytworzenie warunków promują­cych angiogenezę, wzrost nowotworów, rekrutację makro­fagów swoistych dla nowotworów i komórek prekursoro­wych śródbłonków [2,33].

Białko HMGB1 może zatem, w odpowiednich warunkach, stymulować odpowiedź przeciwnowotworową. Jednak ob­niżenie poziomu białka HMGB1 przez ograniczenie jego wydzielania, czy zahamowanie jego aktywności po uwol­nieniu z komórki, może przynieść znaczący efekt terapeu­tyczny w leczeniu przeciwnowotworowym.

Stymulacja odpowiedzi przeciwnowotworowej przez białko HMGB1

Uwolnione niektóre wewnątrzkomórkowe cząsteczki w od­powiednich warunkach, mogą aktywować limfocyty T i sil­ną odpowiedź przeciwnowotworową. Do takich cząsteczek należy też cytokina HMGB1. Cytokina ta może być czą­steczką stymulującą układ odpornościowy. Komórki no­wotworowe przeważnie są komórkami wymykającymi się spod nadzoru układu odpornościowego. W odpowiednich warunkach można jednak wymusić odpowiedź układu od­pornościowego przeciwko komórkom nowotworowym. Wydaje się, że radioterapia czy chemioterapia może po­wodować przejście komórek nowotworowych w stan im­munogenny. Naświetlanie guza, czy stosowanie odpowied­nich chemioterapeutyków, takich jak taksany, powoduje śmierć komórek nowotworowych i uwalnianie znacznych ilości białka HMGB1. Białko to aktywuje niedojrzałe ko­mórki dendrytyczne co prowadzi do aktywacji limfocytów T, które niszczą komórki nowotworowe [2]. Warto jednak zauważyć, że jest to proces niezmiernie rzadki, opisany je­dynie dla mysich modelów nowotworowych.

Hamowanie aktywności białka HMGB1

Wzrost nowotworu powyżej 2-3 mm³ wymaga wytwo­rzenia sieci naczyń krwionośnych w guzie. Sygnałami in­dukującymi angiogenezę w guzie jest głównie hipoksja i śmierć nekrotyczna. Przewlekła hipoksja jest związana z uwalnianiem różnych cząsteczek, w tym białka HMGB1. Podobnie dzieje się podczas procesu nekrozy. Uwolnione białko HMGB1 jest odpowiedzialne za powstawanie no­wych naczyń krwionośnych, migrację komórek i ich pro­liferację. Prowadzi to do regeneracji uszkodzonej tkanki nowotworowej. Zahamowanie aktywności białka HMGB1 lub jego receptorów stwarza potencjalne możliwości aplika­cyjne w terapii przeciwnowotworowej. Wydaje się zatem, że białko to może być celem działania różnych czynników.

Inhibitory aktywności białka HMGB1

Hamowanie białka może się odbywać dwoma sposobami: przez hamowanie aktywności białka HMGB1 lub przez hamowanie jego uwalniania (ryc. 3).

Ryc. 3. Hamowanie białka HMGB1. Odbywać się to może w dwojaki sposób: przez hamowanie uwalniania białka HMGB1, przez hamowanie aktywności już uwolnionego białka HMGB1, uwzględniono najbardziej znane inhibitory białka HMGB1

Inhibitory aktywności białka HMGB1

Pierwszym przykładem inhibitora białka HMGB1 jest swo­iste przeciwciało przeciwko HMGB1, znacznie hamują­ce uwalnianie cytokin prozapalnych TNF-α i IL-6 w gu­zie. Zastosowanie przeciwciała hamuje wzrost guzów raka okrężnicy z towarzyszącym stanem zapalnym [19,37].

Inhibitorem jest również fragment samego białka HMGB1 – domena A. Domena A jest jednym z motywów wiążą­cych DNA. Jest ona swoistym antagonistą aktywności tego białka. Badania in vitro wykazały, że domena A hamuje wiązanie HMGB1 z powierzchnią makrofagów i ograni­cza wydzielanie cytokin prozapalnych w linii makrofagów RAW 264.7 [47]. Zablokowanie białka HMGB1 znajdują­cego się poza komórką po zastosowaniu peptydu domeny A hamuje wzrost komórek ludzkiego raka płuc 95D [44].

Innym przykładem hamowania aktywności białka HMGB1 jest blokowanie wiązania tego białka z jego receptorem RAGE. Zastosowanie rozpuszczalnej pozakomórkowej do­meny sRAGE wiąże i hamuje aktywność białka HMGB1. Ligand ten blokuje całkowicie sygnalizację z receptora RAGE. Podanie sRAGE blokuje wzrost guzów nowotworo­wych np. mysiego brodawczaka (Murine papillomas) [34].

Kolejnym inhibitorem aktywności białka HMGB1 jest gli­cyryzyna, która jest trójterpenowym glikokoniugatem po­chodzącym z korzenia lukrecji (Glycyrrhiza glabra). Jest to znany silny związek przeciwzapalny stosowany w stanach zapalnych i sepsie [14]. Związek ten wiąże się z obiema domenami HMGB1 (box A i B) i zmienia strukturę dru­gorzędową cząsteczki HMGB1 [22]. Glicyryzyna hamuje migrację oraz proliferację komórek warunkowaną białkiem HMGB1, a także hamuje proces angiogenezy stymulowa­nej HMGB1 [22, 31].

Inhibitory uwalniania białka HMGB1

Inhibitorem uwalniania białka HMGB1 jest pirogronian ety­lu. Jest to związek, który hamuje uwalnianie HMGB1 i TNF z makrofagów stymulowanych endotoksyną. Podawanie pirogronianu etylu znacznie zmniejsza poziom krążące­go białka HMGB1 u myszy z wywołaną sepsą. Podanie myszom pirogronianu etylu przed wszczepieniem komórek raka wątroby i kontynuowanie terapii tym związkiem dzia­ła hamująco na wzrost guzów nowotworowych [16]. U le­czonych myszy obserwowano w wątrobie znaczne zmniej­szenie liczby komórek NK, monocytów, limfocytów T i B. Również poziom HMGB1 i IL-6 w surowicy był znacz­nie obniżony [16]. Pirogronian etylu indukował apoptozę zamiast śmierci nekrotycznej i hamował także uwalnianie HMGB1 w komórkach raka płuca – A549 [17].

Li i wsp. w 2010 r. opublikowali dane wskazujące, że głów­ny składnik zielonej herbaty (Camellia sinensis) galusan epigallokatechiny (EGCG) wnika do cytoplazmy i indu­kuje agregację cytoplazmatycznego białka HMGB1, biał­ko to w autofagosomach ulegało degradacji [15]. EGCG indukowało proces autofagii w komórkach i hamowało uwalnianie HMGB1 po stymulacji LPS, hamowało rów­nież uwalnianie z makrofagów zależnych od HMGB1 bia­łek TNF-α, IL-6 czy NO [38].

Podanie związków platyny powoduje tworzenie charak­terystycznych adduktów, naprawianych przez wycinanie zasady (excision repair system). Domena HMGB1 wią­że się swoiście z adduktami DNA z platyną osłaniając na­prawę uszkodzonego miejsca [24]. W ten sposób związ­ki cisplatyny mogą służyć do wyłapywania (sekwestracji) białka HMGB1 [3,4].

Podsumowanie

Białko HMGB1 jest ewolucyjnie konserwatywnym białkiem o bardzo szerokim działaniu. Wewnątrz komórki znajdu­je się ono głównie w jądrze komórkowym i bierze udział w replikacji, rekombinacji, transkrypcji i naprawie DNA. Po uwolnieniu do przestrzeni pozakomórkowej staje się cytokiną prozapalną. Cytokina ta stymuluje tworzenie no­wych naczyń krwionośnych, zwiększa migrację komórek, aktywuje stan zapalny oraz stymuluje proliferację komórek.

Możliwość zahamowania uwalniania z komórek tego biał­ka czy zahamowanie jego aktywności wydaje się obie­cującym podejściem terapeutycznym. Inhibitory białka HMGB1 z innymi lekami mogą się okazać skuteczną stra­tegią terapeutyczną.

PIŚMIENNICTWO

[1] Bianchi M.E.: HMGB1 loves company. J. Leukoc. Biol., 2009; 86: 573-576
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[2] Campana L., Bosurgi L., Rovere-Querini P.: HMGB1: a two-headed signal regulating tumor progression and immunity. Curr. Opin. Immunol., 2008; 20: 518-523
[PubMed]  

[3] Dong Xda E., Ito N., Lotze M.T., Demarco R.A., Popovic P., Shand S.H., Watkins S., Winikoff S., Brown C.K., Bartlett D.L., Zeh H.J.3rd.: High mobility group box I (HMGB1) release from tumor cells after treatment: implications for development of targeted chemoimmunotherapy. J. Immunother., 2007; 30: 596-606
[PubMed]  

[4] Ellerman J.E., Brown C.K., de Vera M., Zeh H.J., Billiar T., Rubartelli A., Lotze M.T.: Masquerader: high mobility group box-1 and cancer. Clin. Cancer Res., 2007; 13: 2836-2848
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[5] Gardella S., Andrei C., Ferrera D., Lotti L.V., Torrisi M.R., Bianchi M.E., Rubartelli A.: The nuclear protein HMGB1 is secreted by monocytes via a non-classical, vesicle-mediated secretory pathway. EMBO Rep., 2002; 3: 995-1001
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[6] Garg A.D., Nowis D., Golab J., Vandenabeele P., Krysko D.V., Agostinis P.: Immunogenic cell death, DAMPs and anticancer therapeutics: an emerging amalgamation. Biochim. Biophys. Acta, 2010; 1805: 53-71
[PubMed]  

[7] Gauley J., Pisetsky D.S.: The translocation of HMGB1 during cell activation and cell death. Autoimmunity, 2009; 42: 299-301
[PubMed]  

[8] Goodwin G.H., Johns E.W.: Isolation and characterisation of two calf-thymus chromatin non-histone proteins with high contents of acidic and basic amino acids. Eur. J. Biochem., 1973; 40: 215-219
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[9] Green D.R., Ferguson T., Zitvogel L., Kroemer G.: Immunogenic and tolerogenic cell death. Nat. Rev. Immunol., 2009; 9: 353-363
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[10] Kang R., Livesey K.M., Zeh H.J.3rd, Loze M.T., Tang D.: Metabolic regulation by HMGB1-mediated autophagy and mitophagy. Autophagy, 2011; 7: 1256-1258
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[11] Kang R., Livesey K.M., Zeh H.J., Loze M.T., Tang D.: HMGB1: a novel Beclin 1-binding protein active in autophagy. Autophagy, 2010; 6: 1209-1211
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[12] Kang R., Zeh H.J., Lotze M.T., Tang D.: The Beclin 1 network regulates autophagy and apoptosis. Cell Death. Differ., 2011; 18: 571-580
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[13] Klune J.R., Dhupar R., Cardinal J., Billiar T.R., Tsung A.: HMGB1: endogenous danger signaling. Mol. Med., 2008; 14: 476-484
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[14] Lamore S.D., Cabello C.M., Wondrak G.T.: HMGB1-directed drug discovery targeting cutaneous inflammatory dysregulation. Curr. Drug. Metab., 2010; 11: 250-265
[PubMed]  

[15] Li W., Zhu S., Li J., Assa A., Jundoria A., Xu J., Fan S., Eissa N.T., Tracey K.J., Sama A.E., Wang H.: EGCG stimulates autophagy and reduces cytoplasmic HMGB1 levels in endotoxin-stimulated macrophages. Biochem. Pharmacol., 2011; 81: 1152-1163
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[16] Liang X., Chavez A.R., Schapiro N.E., Loughran P., Thorne S.H., Amoscato A.A., Zeh H.J., Beer-Stolz D., Lotze M.T., de Vera M.E.: Ethyl pyruvate administration inhibits hepatic tumor growth. J. Leukoc. Biol., 2009; 86: 599-607
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[17] Lim S.C., Choi J.E., Kim C.H., Duong H.Q., Jeong G.A., Kang H.S., Han S.I.: Ethyl pyruvate induces necrosis-to-apoptosis switch and inhibits high mobility group box protein 1 release in A549 lung adenocarcinoma cells. Int. J. Mol. Med., 2007; 20: 187-192
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[18] Lotze M.T., Tracey K.J.: High-mobility group box 1 protein (HMGB1): nuclear weapon in the immune arsenal. Nat. Rev. Immunol., 2005; 5: 331-342
[PubMed]  

[19] Maeda S., Hikiba Y., Shibata W., Ohmae T., Yanai A., Ogura K., Yamada S., Omata M.: Essential roles of high-mobility group box 1 in the development of murine colitis and colitis-associated cancer. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2007; 360: 394-400
[PubMed]  

[20] Mantell L.L., Parrish W.R., Ulloa L.: Hmgb-1 as a therapeutic target for infectious and inflammatory disorders. Shock, 2006; 25: 4-11
[PubMed]  

[21] Mitola S., Belleri M., Urbinati C., Coltrini D., Sparatore B., Pedrazzi M., Melloni E., Presta M.: Cutting edge: extracellular high mobility group box-1 protein is a proangiogenic cytokine. J. Immunol., 2006; 176: 12-15
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[22] Mollica L., De Marchis F., Spitaleri A., Dallacosta C., Pennacchini D., Zamai M., Agresti A., Trisciuoglio L., Musco G., Bianchi M.E.: Glycyrrhizin binds to high-mobility group box 1 protein and inhibits its cytokine activities. Chem. Biol., 2007; 14: 431-441
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[23] Palumbo R., Sampaolesi M., De Marchis F., Tonlorenzi R., Colombetti S., Mondino A., Cossu G., Bianchi M.E.: Extracellular HMGB1, a signal of tissue damage, induces mesoangioblast migration and proliferation. J. Cell Biol., 2004; 164: 441-449
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[24] Park S., Lippard S.J.: Redox state-dependent interaction of HMGB1 and cisplatin-modified DNA. Biochemistry, 2011; 50: 2567-2574
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[25] Rakoff-Nahoum S., Medzhitov R.: Toll-like receptors and cancer. Nat. Rev. Cancer, 2009; 9: 57-63
[PubMed]  

[26] Raucci A., Palumbo R., Bianchi M.E.: HMGB1: a signal of necrosis. Autoimmunity, 2007; 40: 285-289
[PubMed]  

[27] Scaffidi P., Misteli T., Bianchi M.E.: Release of chromatin protein HMGB1 by necrotic cells triggers inflammation. Nature, 2002; 418: 191-195
[PubMed]  

[28] Schiraldi M., Raucci A., Munoz L.M., Livoti E., Celona B., Venereau E., Apuzzo T., De Marchis F., Pedotti M., Bachi A., Thelen M., Varani L., Mellado M., Proudfoot A,. Bianchi M.E., Uguccioni M.: HMGB1 promotes recruitment of inflammatory cells to damaged tissues by forming a complex with CXCL12 and signaling via CXCR4. J. Exp. Med., 2012; 209: 551-563
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[29] Schlueter C., Weber H., Meyer B., Rogalla P., Röser K., Hauke S., Bullerdiek J.: Angiogenetic signaling through hypoxia: HMGB1: an angiogenetic switch molecule. Am. J. Pathol., 2005; 166: 1259-1263
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[30] Sims G.P., Rowe D.C., Rietdijk S.T., Herbst R., Coyle A.J.: HMGB1 and RAGE in inflammation and cancer. Annu. Rev. Immunol., 2010; 28: 367-388
[PubMed]  

[31] Smolarczyk R., Cichon T., Matuszczak S., Mitrus I., Lesiak M., Kobusinska M., Kamysz W., Jarosz M., Sieron A.L., Szala S.: The role of glycyrrhizin, an inhibitor of HMGB1 protein, in anticancer therapy. Arch. Immunl. Ther. Exp., 2012; 60: 391-399
[PubMed]  

[32] Sparvero L.J., Asafu-Adjei D., Kang R., Tang D., Amin N., Im J., Rutledge R., Lin B., Amoscato A.A., Zeh H.J., Lotze M.T.: RAGE (receptor for advanced glycation endproducts), RAGE ligands, and their role in cancer and inflammation. J. Transl. Med., 2009; 7:17
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[33] Srikrishna G., Freeze H.H.: Endogenous damage-associated molecular pattern molecules at the crossroads of inflammation and cancer. Neoplasia, 2009; 11: 615-628
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[34] Taguchi A., Blood D.C., del Toro G., Canet A., Lee D.C., Qu W., Tanji N., Lu Y., Lalla E., Fu C., Hofmann M.A., Kislinger T., Ingram M., Lu A., Tanaka H., Hori O., Ogawa S., Stern D.M., Schmidt A.M.: Blockade of RAGE-amphoterin signalling suppresses tumour growth and metastases. Nature, 2000; 405: 354-360
[PubMed]  

[35] Tang D., Kang R., Livesey K.M., Cheh C.W., Farkas A., Loughran P., Hoppe G., Bianchi M.E., Tracey K.J., Zeh H.J.3rd, Lotze M.T.: Endogenous HMGB1 regulates autophagy. J. Cell. Biol., 2010; 190: 881-892
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[36] Tang D., Kang R., Livesey K.M., Zeh H.J.3rd, Lotze M.T.: High mobility group box 1 (HMGB1) activates an autophagic response to oxidative stress. Antioxid. Redox Signal., 2011; 15: 2185-2195
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[37] Tang D., Kang R., Zeh H.J.3rd, Lotze M.T.: High-mobility group box 1 and cancer. Biochim. Biophys. Acta, 2010; 1799: 131-140
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[38] Tang D., Kang R., Zeh H.J.3rd, Lotze M.T.: High-mobility group box 1, oxidative stress, and disease. Antioxid. Redox Signal., 2011; 14: 1315-1335
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[39] Tesniere A., Apetoh L., Ghiringhelli F., Joza N., Panaretakis T., Kepp O., Schlemmer F., Zitvogel L., Kroemer G.: Immunogenic cancer cell death: a key-lock paradigm. Curr. Opin. Immunol., 2008; 20: 504-511
[PubMed]  

[40] Tesniere A., Panaretakis T., Kepp O., Apetoh L., Ghiringhelli F., Zitvogel L., Kroemer G.: Molecular characteristics of immunogenic cancer cell death. Cell Death Differ., 2008; 15: 3-12
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[41] Thorburn J., Horita H., Redzic J., Hansen K., Frankel A.E., Thorburn A.: Autophagy regulates selective HMGB1 release in tumor cells that are destined to die. Cell Death Differ., 2009; 16: 175-183
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[42] Ulloa L., Messmer D.: High-mobility group box 1 (HMGB1) protein: friend and foe. Cytokine Growth Factor Rev., 2006; 17: 189-201
[PubMed]  

[43] van Beijnum J.R., Buurman W.A., Griffioen A.W.: 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: 91-99
[PubMed]  

[44] Wang C., Fei G., Liu Z., Li Q., Xu Z., Ren T.: HMGB1 was a pivotal synergistic effecor for CpG oligonucleotide to enhance the progression of human lung cancer cells. Cancer Biol. Ther., 2012; 13: 727-736
[PubMed]  

[45] Wang H., Bloom O., Zhang M., Vishnubhakat J.M., Ombrellino M., Che J., Frazier A., Yang H., Ivanova S., Borovikova L., Manogue K.R., Faist E., Abraham E., Andersson J., Andersson U., Molina P.E., Abumrad N.N., Sama A., Tracey K.J.: HMG-1 as a late mediator of endotoxin lethality in mice. Science, 1999; 285: 248-251
[PubMed]  

[46] Yang H., Hreggvidsdottir H.S., Palmblad K., Wang H., Ochani M., Li J., Lu B., Chavan S., Rosas-Ballina M., Al-Abed Y., Akira S., Bierhaus A., Erlandsson-Harris H., Andersson U., Tracey K.J.: A critical cysteine is required for HMGB1 binding to Toll-like receptor 4 and activation of macrophage cytokine release. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2010; 107: 11942-11947
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[47] Yang H., Tracey K.J.: Targeting HMGB1 in inflammation. Biochim. Biophys. Acta, 2010; 1799: 149-156
[PubMed]  

[48] Yang H., Wang H., Czura C.J., Tracey K.J.: The cytokine activity of HMGB1. J. Leukoc. Biol., 2005; 78: 1-8
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[49] Zhu S., Li W., Ward M.F., Sama A.E., Wang H.: High mobility group box 1 protein as a potential drug target for infection- and injury-elicited inflammation. Inflamm. Allergy Drug Targets, 2010; 9: 60-72
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

Autorzy deklarują brak potencjalnych konfliktów interesów.

Pełna treść artykułu