Nrf2-ARE信號通路:糖尿病及其并發(fā)癥防治的新靶點(diǎn)

李 文 崔文鵬 王瑞霞 齊永輝 張秋穎 孫 晶

(吉林大學(xué)白求恩第二醫(yī)院腎病內(nèi)科，吉林 長春 130021)

有文獻(xiàn)報(bào)道〔1～6〕，氧化應(yīng)激在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)病中具有重要作用。機(jī)體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)Nrf2-ARE信號通路的激活，可以促使一系列第Ⅱ階段解毒及抗氧化酶基因表達(dá)上調(diào)，從而對氧化應(yīng)激損傷的器官起到保護(hù)作用〔7～9〕。

1 糖尿病及其并發(fā)癥的流行

糖尿病主要包括1型糖尿病和2型糖尿病。1型糖尿病也被稱為胰島素依賴性糖尿病，目前普遍認(rèn)為其發(fā)病機(jī)制由于自身免疫調(diào)節(jié)的失衡，從而出現(xiàn)免疫介導(dǎo)的對胰島β細(xì)胞的選擇性破壞〔10，11〕。相比之下，2型糖尿病在臨床中更為常見，它是遺傳、環(huán)境、行為等多種因素相互作用的結(jié)果〔12～14〕。無論何種類型的糖尿病，隨著病情的發(fā)展均會出現(xiàn)各種急、慢性并發(fā)癥。由于不良生活方式及飲食習(xí)慣的存在，糖尿病的發(fā)病率日益增長〔15〕。目前2型糖尿病因其發(fā)病率、死亡率均較高，已經(jīng)成為全球性健康問題之一〔16〕。因此，對于每一位臨床及科研工作者來說，揭示并闡明糖尿病或糖尿病并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制，使人們能更有針對性的對其進(jìn)行治療有重要意義。

2 糖尿病、糖尿病并發(fā)癥與氧化應(yīng)激

無論是實(shí)驗(yàn)性還是臨床性研究，越來越多的研究表明:高血糖癥、氧化應(yīng)激與糖尿病并發(fā)癥之間存在緊密聯(lián)系，而氧化應(yīng)激在糖尿病并發(fā)癥的病因中起著舉足輕重的作用〔1～6〕。近年來隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)活性氧不僅可參與正常的細(xì)胞內(nèi)信號通路，同時也可促進(jìn)細(xì)胞毒性的產(chǎn)生〔17〕。因此，抗氧化劑似乎是預(yù)防或治療氧化損傷的一種有效方法。據(jù)報(bào)道，已有維生素E等外源性抗氧化劑被用于治療人類心血管及腎臟疾病，雖然有些研究取得了一定的成果〔18，19〕，但關(guān)于外源性抗氧化化合物對減少人類糖尿病并發(fā)癥的研究多以失敗而告終〔20～23〕。為此，發(fā)現(xiàn)并激活或上調(diào)內(nèi)源性的抗氧化劑可能是預(yù)防或治療糖尿病及其并發(fā)癥更有效的方法。

活性氧作為有氧代謝的副產(chǎn)物可持續(xù)不斷地產(chǎn)生。其可以對DNA、蛋白質(zhì)和不飽和脂質(zhì)造成化學(xué)損傷，可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，促進(jìn)許多病理過程的發(fā)展〔24，25〕。生理?xiàng)l件下，人體氧化還原反應(yīng)處于相對穩(wěn)定地平衡狀態(tài)，機(jī)體通過抗氧化防御系統(tǒng)可以將其有效清除。當(dāng)活性氧的產(chǎn)生超出抗氧化防御系統(tǒng)能力的清除時，便會出現(xiàn)氧化應(yīng)激。長期氧化應(yīng)激的存在，會使與之密切相關(guān)的疾病隨之發(fā)生。

3 Nrf2-ARE信號通路與氧化應(yīng)激

機(jī)體內(nèi)存在有高度調(diào)節(jié)能力的抗氧化防御系統(tǒng)，其中包括對氧化還原敏感的核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)-抗氧化反應(yīng)元件(ARE)通路。隨著研究的不斷深入，越來越多的研究證實(shí):Nrf2-ARE通路在抗氧化應(yīng)激過程中有重要作用〔7～9〕。

Nrf2屬于帽“N”領(lǐng)(CNC)亞家族的一員，是一種亮氨酸拉鏈型轉(zhuǎn)錄因子〔26，27〕。作為氧化還原敏感性轉(zhuǎn)錄因子，其在細(xì)胞核中發(fā)揮生物效應(yīng)。Nrf2主要通過結(jié)合在第Ⅱ階段解毒和抗氧化酶的啟動子區(qū)域的抗氧化反應(yīng)元件，從而起到促進(jìn)抗氧化基因表達(dá)的上調(diào)的作用〔28〕。

生理?xiàng)l件下，Nrf2與一種細(xì)胞骨架相關(guān)的肌動蛋白Kelchlike ECH-相關(guān)蛋白1(Keap1)緊密結(jié)合在一起，從而被錨定在細(xì)胞質(zhì)中〔29〕。與此同時，Keap1充當(dāng)Cullin-3與泛素化E3的基板適配器，形成Cul-E3泛素化連接酶復(fù)合體。這一復(fù)合體能增強(qiáng)Nrf2的泛素化，進(jìn)而促進(jìn)蛋白酶體對其的降解作用〔30，31〕。

Keap1蛋白中包含有幾個活性半胱氨酸殘基，它們作為細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的感受器，可充當(dāng)Nrf2的負(fù)調(diào)節(jié)〔32〕。當(dāng)暴露于各種內(nèi)源性或外源性活性氧分子中時，Keap1蛋白中的活性半胱氨酸殘基結(jié)構(gòu)被改變，導(dǎo)致Nrf2從Keap1/Nrf2復(fù)合體中解離或者誘導(dǎo)Keap1發(fā)生構(gòu)象變化，使新合成的Nrf2免于被蛋白酶體降解，從而促進(jìn)Nrf2由細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)移〔33，34〕。在核內(nèi)，Nrf2與其他的轉(zhuǎn)錄因子(如小的Maf蛋白)形成異二聚體，促進(jìn)Nrf2結(jié)合到位于啟動子區(qū)域的Nrf2靶基因(如順式調(diào)節(jié)因子ARE或親電子)反應(yīng)元件上，增加第Ⅱ階段解毒及抗氧化酶〔如谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、NAD(P)H:醌氧化還原酶-1(NQO1)和血紅素加氧酶-1(HO-1)等〕基因的表達(dá)〔35，36〕。

4展望

2型糖尿病主要好發(fā)于老年人群，隨著我國老年人口總數(shù)日益增長，其在國內(nèi)的患病人數(shù)及患病率也逐漸增加。糖尿病并發(fā)癥累計(jì)全身多個器官，許多糖尿病患者最后死于其并發(fā)癥。Nrf2-ARE信號通路并不僅依靠上調(diào)某單一的抗氧化酶，而是通過Nrf2的核轉(zhuǎn)移導(dǎo)致一系列抗氧化酶的共同上調(diào)。因此，該信號通路引起了人們對于抗氧化研究的極大興趣。許多研究致力于發(fā)現(xiàn)或挖掘Nrf2的小分子活化劑，如蘿卜硫素、白藜蘆醇、姜黃素、肉桂醛及MG-132等。值得欣喜的是:在初期的動物實(shí)驗(yàn)中這些小分子活化劑已被證實(shí)可以直接或間接的激活Nrf2-ARE信號通路，從而引起多個抗氧化酶基因表達(dá)上調(diào)，對遭受氧化應(yīng)激損傷的重要器官(如心臟和腎臟等)具有保護(hù)作用〔37～43〕。雖然目前的研究多數(shù)還停留在初級的動物實(shí)驗(yàn)階段，離真正運(yùn)用還有相當(dāng)漫長的路要走，但這也給無數(shù)臨床或基礎(chǔ)的科研工作者提供了前行的動力。相信通過大家的不懈努力，能使這一發(fā)現(xiàn)盡快造福于患者。

1 Brown WV.Microvascular complications of diabetes mellitus:renal protection accompanies cardiovascular protection〔J〕.Am J Cardiol，2008;102:10-3.

2 Wu J，Mei C，Vlassara H，et al.Oxidative stress-induced JNK activation contributes to proinflammatory phenotype of aging diabetic mesangial cells〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2009;297:F1622-31.

3 Brownlee M.Biochemistry and molecular cell biology of diabetic complications〔J〕.Nature，2001;414(6865):813-20.

4 Evans JL，Goldfine ID，Maddux BA，et al.Oxidative stress and stress-activated signaling pathways:a unifying hypothesis of type 2 diabetes〔J〕.Endocr Rev，2002;23(5):599-622.

5 Forbes JM，Coughlan MT，Cooper ME.Oxidative stress as a major culprit in kidney disease in diabetes〔J〕.Diabetes，2008;57:1446-54.

6 Gnudi L.Cellular and molecular mechanisms of diabetic glomerulopathy〔J〕.Nephrol Dial Transplant，2012;27(7):2642-9.

7 Nguyen T，Sherratt PJ，Pickett CB.Regulatory mechanisms controlling gene expression mediated by the antioxidant response element〔J〕.Annu Rev Pharmacol Toxicol，2003;43:233-60.

8 Alam J，Cook JL.Transcriptional regulation of the heme oxygenase-1 gene via the stress response element pathway〔J〕.Curr Pharm Des，2003;9:2499-511.

9 Kong AN，Owuor E，Yu R，et al.Induction of xenobiotic enzymes by the MAP kinase pathway and the antioxidant or electrophile response element(ARE/EpRE)〔J〕.Drug Metab Rev，2001;33:255-71.

10 Atkinson MA，Eisenbarth GS.Type 1 diabetes:new perspectives on disease pathogenesis and treatment〔J〕.Lancet，2001;58:221-9.

11 Eisenbarth GS.Update in type 1 diabetes〔J〕.Clin Endocrinol Metab，2007;92:2403-7.

12 Chen L，Magliano DJ，Zimmet PZ.The worldwide epidemiology of type 2 diabetes mellitus-present and future perspectives〔J〕.Nat Rev Endocrinol，2012;8:228-36.

13 Ripsin CM，Kang H，Urban RJ.Management of blood glucose in type 2 diabetes mellitus〔J〕.Fam Physic，2009;79(1):29-36.

14 Rother KI.Diabetes treatment-bridging the divide〔J〕.N Engl J Med，2007;356(15):1499-501.

15 Chamnan P，Simmons RK，F(xiàn)orouhi NG，et al.Incidence of type 2 diabetes using proposed HbA1c diagnostic criteria in the EPIC-Norfolk cohort:implications for preventive strategies〔J〕.Diabetes Care，2011;34:950-56.

16 Chaturvedi N.The burden of diabetes and its complications:trends and implications for intervention〔J〕.Diabetes Res Clin Pract，2007;76(Suppl 1):3-12.

17 Burton GJ，Jauniaux E.Oxidative stress〔J〕.Best Prac Res Clin Obst Gynaecol，2011;25(3):287-99.

18 Barbosa FT，Radaeli RF，Cavanal MF，et al.Effect of Dalpha-tocopherol on tubular nephron acidification by rats with induced diabetes mellitus〔J〕.Med Biol Res，2005;38(7):1043-51.

19 Kim SS，Galaher DD，Csallany AS.Vitamin E and probucol reduce urinary lipophilic aldehydes and renal enlargement in streptozotocin-induced diabetic rats〔J〕.Lipids，2003;35(11):37.

20 Alpers CE，Hudkins KL.Mouse models of diabetic nephropathy〔J〕.Curr Opin Nephrol Hypertens，2011;20:278-84.

21 Valk EJ，Bruijn JA，Bajema IM.Diabetic nephropathy in humans:pathologic diversity〔J〕.Curr Opin Nephrol Hypertens，2011;20:285-9.

22 Cai L.Diabetic cardiomyopathy and its prevention by metallothionein:experimental evidence，possible mechanisms and clinical implications〔J〕.Curr Med Chem，2007;14:2193-203.

23 Lee HB，Yu MR，Yang Y，et al.Reactive oxygen species regulated signaling pathways in diabetic nephropathy〔J〕.Soc Nephrol，2003;14:S241-245.

24 Taniyama Y，Griendling KK.Reactive oxygen species in the vasculature:molecular and cellular mechanisms〔J〕.Hypertension，2003;42:1075-81.

25 Griendling KK，Sorescu D，Ushio-Fukai M.NAD(P)H oxidase:role in cardiovascular biology and disease〔J〕.Circ Res，2000;86:494-501.

26 Itoh K，Igarashi K，Hayashi N，et al.1995.Cloning and characterization of a novel erythroid cell-derived CNC family transcription factor heterodimerizing with the small Maf family proteins〔J〕.Mol Cell Biol，1995;15:4184-93.

27 Moi P，Chan K，Asunis I，et al.Isolation of NF-E2-related factor 2(Nrf2)，a NF-E2-like basic leucine zipper transcriptional activator that binds to the tandem NF-E2/AP1 repeat of the beta-globin locus control region〔J〕.Proc Natl Acad Sci，1994;91:9926-30.

28 Mann GE，Rowlands DJ，Li FY，et al.Activation of endothelial nitric oxide synthase by dietary isoflavones:role of NO in Nrf2-mediated antioxidant gene expression〔J〕.Cardiovasc Res，2007;75:261-74.

29 Hayes JD，McMahon M.NRF2 and KEAP1 mutations:permanent activation of an adaptive response in cancer〔J〕.Trends Biochem Sci，2009;34(4):176-88.

30 Motohashi H，Yamamoto M.Nrf2-Keap1 defines a physiologically important stress response mechanism〔J〕.Trends Mol Med，2004;10:549-57.

31 Kim HJ，Vaziri ND.Contribution of impaired Nrf2-Keap1 pathway to oxidative stress and inflammation in chronic renal failure〔J〕.Renal Physiol，2010;298:662-71.

32 Miyata T，Takizawa S，van Ypersele de Strihou C.Hypoxia 1 intracellular sensors for oxygen and oxidative stress:novel therapeutic targets〔J〕.Am J Physiol Cell Physiol，2011;300(2):c226-31.

33 Wakabayashi N，Dinkova-Kostova AT，Holtzclaw WD，et al.Protection against electrophile and oxidant stress by induction of the phase 2 response:fate of cysteines of the Keap1 sensor modified by inducers〔J〕.Proc Natl Acad Sci，2004;101:2040-5.

34 Chartoumpekis DV，Kensler TW.New player on an old field;the keap1/Nrf2 pathway as a target for treatment of type 2 diabetes and metabolic syndrome〔J〕.Curr Diabetes Rev，2013;9:137-45.

35 Min KJ，Kim JH，Jou I，et al.Adenosine induces hemeoxygenase-1 expression in microglia through the activation of phosphatidylinositol 3-kinase and nuclear factor E2-related factor 2〔J〕.GLIA，2008;56(9):1028-37.

36 Kalayarasan S，Prabhu PN，Sriram N，et al.Diallyl sulfide enhances antioxidants and inhibits inflammation through the activation of Nrf2 against gentamicin-induced nephrotoxicity in Wistar rats〔J〕.Eur Pharmacol，2009;606(1-3):162-71.

37 Cui WP，Bai Y，Miao X，et al.Prevention of diabetic nephropathy by sulforaphane:possible role of Nrf2 upregulation and activation〔C〕.Oxidative Medicine and Cellular Longevity，2012.

38 Bai Y，Cui WP，Xin Y，et al.Prevention by sulforaphane of diabetic cardiomyopathy is associated with up-regulation of Nrf2 expression and transcription activation〔J〕.J Mol Cell Cardiol，2013;57:82-95.

39 Miao X，Bai Y，Su W，et al.Sulforaphane prevention of diabetes-induced aortic damage was associated with the upregulation of Nrf2 and its downstream antioxidants〔J〕.Nutr Metab，2012;9(1):84.

40 Ungvari Z，Bagi Z，F(xiàn)eher A，et al.Resveratrol confers endothelial protection via activation of the antioxidant transcription factor Nrf2〔J〕.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2010;299(1):18-24.

41 Palsamy P，Subramanian S.Resveratrol protects diabetic kidney by attenuating hyperglycemia-mediated oxidative stress and renal inflammatory cytokines via Nrf2-Keap1 signaling〔J〕.Biochim Biophys Acta，2011;1812(7):719-31.

42 Cui WP，Li B，Bai Y，et al.Potential role for Nrf2 activation in the therapeutic effect of MG132 on diabetic nephropathy in OVE26 diabetic mice〔J〕.Am J Physiol，2013;304(1):87-99.

43 Wang Y，Sun W，Du B，et al.Therapeutic effect of MG132 on diabetic cardiomyopathy is associated with its suppression of proteasomal activities:roles of Nrf2 and NF-kappaB〔J〕.Am J Physiol，2013;304(4):567-78.