Keap1－Nrf2－ARE信號(hào)通路與2型糖尿病氧化應(yīng)激相關(guān)性研究進(jìn)展

Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路與2型糖尿病氧化應(yīng)激相關(guān)性研究進(jìn)展

宋媛李虹閆海震趙倉(cāng)煥歐仕益1

(暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院，廣東廣州510632)

關(guān)鍵詞〔〕Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路；2型糖尿??；氧化應(yīng)激

中圖分類號(hào)〔〕R587.1〔

基金項(xiàng)目：暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院科研培育

1暨南大學(xué)理工學(xué)院

第一作者：宋媛(1979-)，女，博士，主治醫(yī)師，主要從事中藥藥性理論的分子生物學(xué)研究。

研究表明糖尿病(DM)病因和發(fā)病機(jī)制與遺傳、環(huán)境、病毒感染、肥胖、種族、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝和內(nèi)分泌失調(diào)等因素有關(guān)〔1，2〕。Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路是近年來(lái)抗氧化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，以Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路介導(dǎo)多種抗氧化基因和Ⅱ相解毒酶的轉(zhuǎn)錄，被認(rèn)為是抗氧化機(jī)制中最重要的通路。激活Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路，減少活性氧(ROS)的產(chǎn)生，改善氧化應(yīng)激(OS)誘導(dǎo)的胰島素抵抗(IR)，以糾正DM高糖因素導(dǎo)致的組織細(xì)胞生化功能紊亂，發(fā)揮其抗OS、抗慢性炎癥反應(yīng)的細(xì)胞保護(hù)功能，在DM發(fā)生發(fā)展中起著非常重要的作用，本文對(duì)Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路與DM OS相關(guān)性作一綜述。

1Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路與OS

Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路的核心分子包括核轉(zhuǎn)錄因子紅細(xì)胞系-2p45(NF-E2)相關(guān)因子-2(Nrf2)、抗氧化反應(yīng)元件(ARE)和Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Keap1)。

1.1Nrf2、Keap1與ARE〔3～7〕Nrf2分子量為66 kD，屬于轉(zhuǎn)錄因子cap'n'collar(CNC)家族成員，含有一高度保守的堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)結(jié)構(gòu)，在肝臟、腎臟、肺、消化道等器官高表達(dá)，是新近發(fā)現(xiàn)的一種對(duì)OS非常敏感的基因轉(zhuǎn)錄因子，也是細(xì)胞OS反應(yīng)中的關(guān)鍵因子和中樞調(diào)節(jié)者。它是ARE的激活因子，在抵抗外來(lái)刺激、 保護(hù)機(jī)體功能和ARE介導(dǎo)的抗氧化基因表達(dá)中發(fā)揮極其重要的作用。

Keap1是分子量為69 kD的細(xì)胞質(zhì)蛋白伴侶分子，有5個(gè)主要結(jié)構(gòu)域，是調(diào)控Nrf2所必需的結(jié)構(gòu)域。Keap1主要調(diào)控Nrf2的轉(zhuǎn)錄活性，對(duì)Nrf2的功能起負(fù)性調(diào)控作用。

ARE存在于胞核中，是一個(gè)特異的DNA啟動(dòng)子結(jié)合序列，位于谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(磷酸)〔NAD(P)H〕：醌氧化還原酶1(NQO1)、谷氨酰半胱氨酸連接酶(GCL)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、血紅素氧化酶(HO)-1等Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶基因的5'端啟動(dòng)序列，這一序列能被多種氧化性和親電性化合物激活，從而啟動(dòng)Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶基因的表達(dá)，保護(hù)由OS引起的組織損傷。

1.2Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路的激活和作用

1.2.1通路的激活生理狀態(tài)下，Nrf2與Keap1耦聯(lián)并與胞質(zhì)肌動(dòng)蛋白結(jié)合被錨定在細(xì)胞質(zhì)，處于一種非游離并且不斷降解的非活性狀態(tài)，通常Nrf2表達(dá)量維持在較低水平，從而使保護(hù)細(xì)胞的酶類和抗氧化物處于基礎(chǔ)表達(dá)水平，細(xì)胞處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)受到ROS、親電子物質(zhì)、上游信號(hào)通路-促分裂原活化蛋白激酶(MAPKs)、蛋白激酶C(PKC)和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)的刺激時(shí)，Nrf2與Keap1解離，Nrf2被激活，轉(zhuǎn)移入核，與核中小分子肌腱纖維瘤蛋白(Maf)結(jié)合形成異二聚體后并與ARE結(jié)合，從而啟動(dòng)受ARE調(diào)控的Ⅱ相解毒酶、氧化還原酶類和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的轉(zhuǎn)錄(見(jiàn)圖1)，提高細(xì)胞的抗OS及損傷修復(fù)能力，從而避免很多疾病的發(fā)生和發(fā)展，其中Ⅱ相解毒酶和氧化還原酶是目前的研究熱點(diǎn)，但其詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制尚未闡明〔8，9〕。Nrf2與Keap1解耦聯(lián)是Nrf2 激活的重要環(huán)節(jié)，主要通過(guò)兩種途徑：一是活性氧或親電子化合物的直接作用；二是磷酸化蛋白的作用。研究表明MAPKs〔細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、p38、c-jun氨基末端激酶(JNK)〕、PKC、PI3K等也參與調(diào)控Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路的激活及其相關(guān)基因的表達(dá)〔10〕。

圖1　OS激活Nrf2/ARE信號(hào)通路示意圖

1.2.2通路的作用OS產(chǎn)生的ROS直接或間接地?fù)p傷細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等大分子物質(zhì)的生理功能，是眾多疾病發(fā)生發(fā)展的病理生理基礎(chǔ)。機(jī)體在應(yīng)對(duì)ROS損害時(shí)形成了一套復(fù)雜的抗OS系統(tǒng)，近年來(lái)研究表明，Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路在細(xì)胞抗OS和外源性有毒物質(zhì)誘導(dǎo)的主要防御機(jī)制中發(fā)揮著極其重要的作用，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最為重要的內(nèi)源性抗OS通路〔11～13〕。在Nrf2基因敲除小鼠的基礎(chǔ)及誘導(dǎo)性抗氧化基因表達(dá)明顯降低，而OS損傷明顯增強(qiáng)，提示Keap1-Nrf2-ARE通路是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的關(guān)鍵〔14〕。研究表明，Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路具有抗氧化、抗炎、抗細(xì)胞凋亡、抗組織損傷、免疫調(diào)節(jié)、解毒等作用，通過(guò)對(duì)該通路的調(diào)節(jié)，在抗腫瘤、抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗衰老及心臟、肝臟、神經(jīng)保護(hù)等發(fā)揮多面的作用〔15～17〕?？梢?jiàn)，Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路的激活，無(wú)疑是對(duì)抗OS引起組織損傷的重要途徑。Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路現(xiàn)已成為多種疾病防治的新靶點(diǎn)，也是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)〔12，13〕。

2Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路與2型DM(T2DM)

Nrf2介導(dǎo)內(nèi)源性抗氧化物表達(dá)被認(rèn)為是機(jī)體防御DM引起OS損傷的重要機(jī)制〔18〕，一定程度上，過(guò)量的ROS可能促進(jìn)DM及其相關(guān)疾病的發(fā)生。DM高糖狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖氧化增加，線粒體產(chǎn)生過(guò)多的超氧化物引起組織細(xì)胞OS損傷，OS可通過(guò)活化OS相關(guān)通路引起IR。激活Keap1-Nrf2-ARE通路可減輕糖尿病高血糖引起的OS損傷，改善OS誘導(dǎo)的IR。

2.1與糖代謝異常的關(guān)系高糖誘導(dǎo)線粒體內(nèi)電子傳遞呼吸鏈產(chǎn)生超氧化物過(guò)多，是造成OS引起DM、IR和心血管并發(fā)癥的重要原因。激活Keap1-Nrf2-ARE通路可作用于糖代謝異常引起的OS損傷，發(fā)揮其保護(hù)功能。Cheng等〔19〕研究發(fā)現(xiàn)，抑制Keap1-Nrf2-ARE通路活性會(huì)引起內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，IR及血管生成紊亂。持續(xù)的高糖加劇氧化還原的異常調(diào)節(jié)，通過(guò)正反饋加重了DM的并發(fā)癥，表明Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通號(hào)在DM中起關(guān)鍵作用。Nrf2是保護(hù)防止發(fā)生DM并發(fā)癥的重要因子。He等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)，Nrf2+/+的心肌細(xì)胞在高糖處理下的ROS水平要遠(yuǎn)低于Nrf2-/-產(chǎn)生的ROS水平，且呈時(shí)間和濃度依賴性，并觀察到NQO1和HO-1 mRNA與蛋白表達(dá)的上調(diào)，而在Nrf2-/-心肌細(xì)胞中并無(wú)此現(xiàn)象，以上結(jié)果提示，Keap1-Nrf2-ARE是DM中調(diào)節(jié)ROS的一個(gè)關(guān)鍵通路。調(diào)節(jié)Nrf2可能有希望預(yù)防和治療DM及其并發(fā)癥發(fā)生。

2.2與IR的關(guān)系生理狀態(tài)下，胰島素與胰島素受體結(jié)合，通過(guò)促進(jìn)胰島素受體底物(IRS)酪氨酸磷酸化而發(fā)揮作用。OS可通過(guò)活化OS敏感性信號(hào)通路引起IR。研究表明，葡萄糖氧化酶(GO)預(yù)處理肝細(xì)胞與葡萄糖相互作用生成過(guò)量的ROS引起細(xì)胞OS損傷，誘導(dǎo)IR。姜黃素通過(guò)誘導(dǎo)Nrf2核轉(zhuǎn)位，使ROS生成減少，從而減輕OS誘導(dǎo)的IR〔21〕。提示通過(guò)促進(jìn)Nrf2核轉(zhuǎn)位并與ARE結(jié)合，發(fā)揮Keap1-Nrf2-ARE通路抗OS作用，改善OS誘導(dǎo)的細(xì)胞IR。

3展望

近年來(lái)研究表明，Nrf2在抗氧化損傷中起關(guān)鍵作用，能維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡，使細(xì)胞免受損傷。但Nrf2持續(xù)激活，也會(huì)產(chǎn)生諸多不利影響，如腫瘤，動(dòng)脈硬化等。綜上所述，探索具有選擇性的細(xì)胞內(nèi)Nrf2活化劑Keap1的抑制劑等可能為臨床治療T2DM開(kāi)辟新的途徑，Keap1-Nrf2-ARE信號(hào)通路可能是防治T2DM一個(gè)非常有前景的潛在靶點(diǎn)。

4參考文獻(xiàn)

1楊紅英，薛麗，徐勉，等.云南省彝族2型糖尿病與HLA-DRBI等位基因多態(tài)性關(guān)聯(lián)的研究〔J〕.中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志，2007；24(1)：101-3.

2Flekac M，Skrha J，Hilgertova J，etal.Gene polymophisms of superoxide dismutase and catalase in diabetes mellitus〔J〕.BMC Med Gene，2008；9：30.

3劉薇，王紅霞，王立魁，等.COX-2/Nrf2/ARE信號(hào)通路與體內(nèi)外的抗炎、抗氧化作用機(jī)理〔J〕.生命科學(xué)，2011；23(10)：1027-33.

4Minerva RG，Kwak MK，Dolan PM，etal.Sensitivity to carcinogenesis is increased and chemoprotective efficacy of enzyme inducers is lost in nrf2 transcription factor-deficient mice〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，2001；98(6)：3410-5.

5Morimitsu Y，Nakagawa Y，Hayashi K，etal.A sulforaphane analogue that potently activates the Nrf2-dependent detoxification pathway〔J〕.J Biol Chem，2002；277(5)：3456-63.

6Lee JM，Calkins MJ，Chan K，etal.Identification of the NF-E2-related factor-2-dependent genes conferring protection against oxidative stress in primary cortical astrocytes using oligonucleotide microarray analysis〔J〕.J Biol Chem，2003；278(14)：12029-38.

7Thimmulappa RK，Mai KH，Srisuma S，etal.Identification ofNrf2-regulated genes induced by the chemopreventive agent sulforaphane by oligonucleotide microarray〔J〕.Cancer Res，2002；62(18)：5196-203.

8Lee JS，Surh YJ.Nrf2 as a novel molecular target for chemoprevention〔J〕.Cancer Lett，2005；224(2)：171-84.

9Lau A，Zhang DD.Dual roles of Nrf2 in cancer〔J〕.Pharmacol Res，2008；58：262-70.

10Nguyen 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.

11Yu X，Kensler T.Nrf2 as a target for cancer chemoprevention〔J〕.Mutat Res，2005；591：93-102.

12崔俁，馬海英，孔力.Nrf2/ARE通路與機(jī)體抗氧化機(jī)制的研究進(jìn)展〔J〕.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2011；37(1)：187-90.

13蔡維霞，張軍，胡大海.氧化和化學(xué)應(yīng)激的防御性轉(zhuǎn)導(dǎo)通路-Nrf2/ARE〔J〕.中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)，2009；25(4)：297-303.

14李航，段惠軍.Nrf2/ARE信號(hào)通路及其調(diào)控的抗氧化蛋白.中國(guó)藥理學(xué)通報(bào)，2011；27(3)：300-3.

15王笑亮，王漢東.Nrf2在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的神經(jīng)保護(hù)作用〔J〕.醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)，2011；24(7)：754-7.

16Que LL，Wang HX，Cao BS，etal.The regulation and functions of transcription factor Nrf2 in cancer chemoprevention and chemoresistance〔J〕.J Chin Pharmaceutical Sci，2011；20：5-19.

17呼海娟，崔煒，劉靜.Nrf2在心血管系統(tǒng)中的作用研究進(jìn)展〔J〕.中華心血管雜志，2011；16(1)：66-8.

18Abdul-Ghani MA，Jani R，Chavez A，etal.Mitochondrial reactive oxygen species generation in obese non-diabetic and type 2 diabetic participants〔J〕.Diabetologia，2009；52(4)：574-82.

19Cheng XH，Siow RCM，Mann GE.Impaired redox signaling and antioxidant gene expression in endothelial cells in diabetes：a role for mitochondria and the nuclear factor-E2-related factor 2-Kelch-like ECH-associated protein 1 defense pathway〔J〕.Antioxid Redox Sign，2011；14(3)：469-87.

20He XQ，Kan H，Cai L，etal.Nrf2 is critical in defense against high glucose-induced oxidative damage in cardiomyocytes〔J〕.J Mol Cell Cardiol，2009；46(1)：47-58.

21趙曙光，李強(qiáng)，王景杰，等.姜黃素誘導(dǎo)Nrf2核轉(zhuǎn)位對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)人肝細(xì)胞胰島素抵抗的影響〔J〕.現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2011；11(1)：48-51.

〔2013-12-19修回〕

(編輯趙慧玲/張慧)