Nrf2/ARE通路與胰島素抵抗的研究進(jìn)展

曾 越 萬 沁

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川 瀘州 646000)

·綜 述·

Nrf2/ARE通路與胰島素抵抗的研究進(jìn)展

曾 越 萬 沁

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川 瀘州 646000)

Nrf2/ARE通路；胰島素抵抗；氧化應(yīng)激

2型糖尿病(T2DM)是由多種病因引起的以胰島素抵抗(IR)及β細(xì)胞功能障礙致慢性高血糖為主要表現(xiàn)的臨床綜合征。氧化應(yīng)激則是指氧自由基生成過多和(或)細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)受損，導(dǎo)致氧自由基及相關(guān)代謝產(chǎn)物過量聚集，從而造成細(xì)胞加速凋亡及組織損傷的病理狀態(tài)。在機(jī)體內(nèi)，持續(xù)性高血糖誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生過多的活性氧自由基(ROS)可抑制胰島素信號通路〔1〕，加重氧化應(yīng)激，導(dǎo)致IR，并引起β細(xì)胞死亡、組織炎癥損傷。Nrf2是新近發(fā)現(xiàn)的一種核轉(zhuǎn)錄因子，其主要以kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白(Keap)1-Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件(ARE)信號通路介導(dǎo)發(fā)揮抗氧化應(yīng)激損傷的作用，目前被認(rèn)為是細(xì)胞抗氧化機(jī)制中最重要的通路，并在IR中扮演重要角色，本文就Keap1-Nrf2-ARE與IR的進(jìn)展與關(guān)系作一綜述。

1 Nrf2/ARE通路的概述

1.1 Nrf2/ARE通路的分子結(jié)構(gòu) Nrf2是 cap'n'collar(CNC)轉(zhuǎn)錄因子家族成員，具有高度保守的堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)，含有6個(gè)高度保守的結(jié)構(gòu)域，Nrf2高表達(dá)于腎、肝等器官，同時(shí)也表達(dá)于皮膚、消化道及肺〔2〕。Keap1是一個(gè)多肽結(jié)構(gòu)，含627個(gè)氨基酸殘基，其中的半胱氨酸殘基可以感受氧化應(yīng)激的產(chǎn)生，對ROS和親電子試劑具有良好的敏感性。在一般情況時(shí)，Nrf2與Keap1耦聯(lián)，與肌動蛋白相結(jié)合穩(wěn)定于胞質(zhì)中，并受Keap1的負(fù)性調(diào)控，當(dāng)受到氧化應(yīng)激損傷刺激時(shí)，Keap1的半胱氨酸殘基被修飾，改變構(gòu)象導(dǎo)致Nrf2釋放出來，進(jìn)入細(xì)胞核中，通過與ARE相互作用，調(diào)節(jié)抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶等靶基因的表達(dá)〔3〕，包括血紅素氧化酶(HO)-1、超氧化物歧化酶(SOD)、還原型谷胱甘肽(GSH)、過氧化氫酶(CAT)，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)及降低氧化應(yīng)激損傷、抗炎癥作用等。

1.2 Nrf2/ARE通路的功能 Nrf2/ARE信號通路的功能作用主要體現(xiàn)在對機(jī)體抗氧化應(yīng)激、抗炎癥反應(yīng)等方面。氧化應(yīng)激物質(zhì)所致的細(xì)胞毒性損傷、炎癥反應(yīng)加重與Nfr2表達(dá)的缺失或激活障礙密切相關(guān)。Nrf2/ARE通路激活,進(jìn)一步表達(dá)各種抗氧化酶及解毒酶，SOD就是其中一種重要的抗氧化酶，當(dāng)SOD在機(jī)體高表達(dá)時(shí)可以抑制氧化應(yīng)激引起的細(xì)胞死亡和組織損傷。Zhao等〔4〕在對比觀察丹皮酚預(yù)處理以減輕腦缺血損傷小鼠時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過上調(diào)Nrf2蛋白的表達(dá)，小鼠血清中SOD明顯升高，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物降低，小鼠神經(jīng)功能障礙明顯改善，腦梗死面積減少，腦水腫減輕，說明Nrf2通路上調(diào)了抗氧化酶的表達(dá)以減輕氧化應(yīng)激損傷。由于持續(xù)氧化應(yīng)激刺激，如血循環(huán)中慢性高血糖、高血脂的長期作用可直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷，引起機(jī)體慢性炎癥反應(yīng)，而通過激活Nrf2通路可逆轉(zhuǎn)氧化應(yīng)激所致炎性損傷。Boyanapalli等〔5〕建立了Nrf2+/+與Nrf2-/-的小鼠模型，并用脂多糖飲食長期飼養(yǎng)后檢測炎癥指標(biāo)，如環(huán)氧合酶(COX)-2,誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS),白細(xì)胞介素(IL)-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α，結(jié)果兩組小鼠血清中的炎性指標(biāo)均明顯升高，提示長期脂多糖飲食刺激導(dǎo)致小鼠炎癥損傷，而在應(yīng)用Nrf2激活劑后僅Nrf2+/+小鼠的炎癥指標(biāo)較前下降，說明Nrf2通路激活可通過抑制COX-2、iNOS、 IL-6和 TNF-α等炎癥因子的分泌，達(dá)到減輕炎癥反應(yīng)的作用。

2 IR的相關(guān)機(jī)制

2.1 概述 IR是指各種原因使胰島素促進(jìn)葡萄糖攝取和利用效率下降的一種病理生理狀態(tài)，是DM發(fā)病的重要機(jī)制。生理狀態(tài)下，胰島素發(fā)揮作用依賴于胰島素與其細(xì)胞膜受體結(jié)合和結(jié)合后完整的信號傳導(dǎo)。胰島素受體(InR)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要經(jīng)過磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)通路和絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)依賴的通路，其中InR底物(IRS)1和IRS2與InR相結(jié)合后使得PI3K與IRS上磷酸化的酪氨酸殘基相互作用，并激活蛋白激酶B(Akt)→叉頭轉(zhuǎn)錄因子(FOXO)1途徑，調(diào)節(jié)肌肉和脂肪細(xì)胞內(nèi)的胰島素敏感性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(Glut4)的轉(zhuǎn)位〔6，7〕，促進(jìn)葡萄糖利用。其間，胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中各個(gè)階段出現(xiàn)缺陷就會干擾胰島素發(fā)揮作用，降低胰島素敏感性而誘發(fā)IR。

IR的發(fā)生與氧化應(yīng)激、脂肪因子及受體缺陷等因素的作用密切相關(guān)。持續(xù)ROS刺激并進(jìn)入到機(jī)體組織細(xì)胞而加重的氧化應(yīng)激是IR發(fā)生的關(guān)鍵機(jī)制。另外，因機(jī)體脂肪細(xì)胞增殖、分化失常分泌的脂肪因子，可引起機(jī)體IR和高胰島素血癥的發(fā)生，成為DM及肥胖癥中IR的發(fā)病機(jī)制之一。而受體缺陷一直是IR發(fā)生的原因，多種受體后信號通路和干預(yù)靶點(diǎn)成為近年研究IR的熱點(diǎn)。作為內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)中重要組成部分，Nrf2/ARE通路通過其抗氧化應(yīng)激損傷和抗氧化還原、抗炎癥等保護(hù)防御作用與IR的發(fā)病機(jī)制緊密相連，在IR機(jī)制研究中引起了廣泛關(guān)注。

2.2 Nrf2/ARE通路與氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激在大量研究中被提出是IR的重要機(jī)制。Archuleta等〔8〕在研究不同劑量氧化劑對體外培養(yǎng)大鼠骨骼肌細(xì)胞IR影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激可致AKT磷酸化水平下調(diào)，IRS的絲氨酸磷酸化增多，最終導(dǎo)致胰島素信號通路受損，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力及活性降低，大鼠肌細(xì)胞產(chǎn)生IR，說明持續(xù)氧化應(yīng)激損傷可導(dǎo)致IR的發(fā)生。還有學(xué)者將綠茶中的兒茶素應(yīng)用于高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠得出，兒茶素能顯著降低受試動物的血糖水平，并通過清除ROS減輕氧化應(yīng)激損傷，提高胰島素敏感性，從而改善IR〔9〕。

核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB通路是現(xiàn)如今研究較熱的炎癥通路之一，它不僅控制著機(jī)體免疫和炎性反應(yīng),亦是氧化應(yīng)激的一個(gè)重要細(xì)胞內(nèi)靶點(diǎn),氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)通過IKB激酶(IKK)/NF-κB途徑發(fā)生眾多交匯〔10〕。實(shí)驗(yàn)證明，IKK/NF-κB通路的激活可引起脂肪組織、肝臟乃至下丘腦部位的代謝紊亂及炎癥反應(yīng)，并導(dǎo)致嚴(yán)重的外周及中樞IR〔11〕。倪陣〔12〕通過誘導(dǎo)Nrf2-/-小鼠為非酒精脂肪性肝炎(NASH)模型成功后觀察2 w發(fā)現(xiàn)，小鼠出現(xiàn)明顯IR，且小鼠肝臟組織中NF-κB、IL-1β、TNF-α、COX-2、內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)等表達(dá)顯著增高，說明敲除轉(zhuǎn)錄因子Nrf2可以使高脂飲食誘導(dǎo)下的小鼠肝臟IR、氧化應(yīng)激損傷加重，而其機(jī)制極有可能與誘導(dǎo) IKK/NF-κB 活化有關(guān)。趙曙光等〔13〕在進(jìn)行體外培養(yǎng)人肝細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，利用葡萄糖氧化酶誘導(dǎo)肝細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷后，予以姜黃素激活Nrf2表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有抗氧化功能的Ⅱ相解毒酶如GSH合成增加，ROS生成減少，肝細(xì)胞IR程度減輕，提示Nrf2信號通路的激活可改善氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的IR。但Meakin等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食飼養(yǎng)的 Nrf2-/-小鼠表現(xiàn)出比同樣高脂飲食飼養(yǎng)Nrf2+/+小鼠更強(qiáng)的抗氧化應(yīng)激能力及胰島素敏感性。其原因可能是因?yàn)橐葝u素信號傳導(dǎo)過程中因過氧化氫(H2O2)水平增加而激活的抗氧化能力，通過增加蛋白酪氨酸磷酸酶的滅活而拮抗胰島素信號受損引起的〔15〕。目前關(guān)于Nrf2通路與氧化應(yīng)激及IR的臨床研究較少。有學(xué)者在研究氧化應(yīng)激與慢性腎臟病(CKD)患者的關(guān)系時(shí)，分別在健康受試者和CKD患者外周血細(xì)胞中利用免疫印跡分析法得出Nrf2蛋白的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CKD患者中Nrf2蛋白表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過健康受試者，且在檢測出的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物及SOD水平亦較對照組升高，說明CKD患者存在氧化應(yīng)激損傷并與Nrf2/ARE通路密切相關(guān)〔16〕。近期，來自一項(xiàng)墨西哥的臨床研究發(fā)現(xiàn)，通過檢測DM及DM前期患者血中Nrf2蛋白表達(dá)、GSH、SOD、丙二醛(MDA)及相關(guān)氧化應(yīng)激指標(biāo)水平，得出DM患者的SOD、MDA水平較DM前期患者明顯升高，且在DM前期及DM患者血中都檢測出Nrf2蛋白的低表達(dá)，說明DM患者體內(nèi)存在氧化應(yīng)激，同時(shí)Nrf2通路參與其中，而IR作為DM患者主要發(fā)病機(jī)制及特征，提示Nrf2信號通路也參與到了IR的發(fā)生中〔17〕。

2.3 Nrf2/ARE通路與脂肪因子 脂肪因子是指在正常生理情況下由脂肪細(xì)胞所分泌的一系列蛋白和激素類物質(zhì)，包括脂聯(lián)素、抵抗素、TNF-α、瘦素和IL-6、IL-8、IL-10等。脂聯(lián)素是由成熟脂肪細(xì)胞分泌，與內(nèi)臟脂肪組織IR抗密切相關(guān)，同時(shí)它也是過氧化物酶增殖體激活受體(PPAR)γ的重要激動因子，是目前已知具有增強(qiáng)胰島素敏感性作用最強(qiáng)的脂肪因子〔18〕。抵抗素能通過促進(jìn)細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制子(SOCS)-3的表達(dá)并增加它與IRS競爭性結(jié)合，使磷酸化的酪氨酸殘基水平降低、PI3K及Akt激活減少等，阻斷了胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，減少了脂肪細(xì)胞中胰島素的利用，使脂肪細(xì)胞內(nèi)游離脂肪酸含量明顯增加，最終引起高胰島素血癥進(jìn)而導(dǎo)致IR〔19〕。還有脂肪因子如TNF-α和IL-6可以直接干擾 IRS1/PI3K/Akt 胰島素信號通路而導(dǎo)致IR的發(fā)生〔20〕。Xu等〔21〕研究證實(shí)，誘導(dǎo) Nrf2 激活可阻斷脂肪堆積、分化，抑制脂肪因子的分泌。還有國外學(xué)者在治療肥胖及肥胖相關(guān)代謝疾病中，發(fā)現(xiàn)姜黃素通過激活Nrf2通路抑制NF-κB 的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而導(dǎo)致脂肪細(xì)胞因子的下調(diào)，包括TNF-α、IL-6、抵抗素、瘦素和單核細(xì)胞趨化蛋白-1，并上調(diào)了脂聯(lián)素等基因產(chǎn)物〔22〕，說明Nrf2通路的激活可直接調(diào)節(jié)脂肪因子的分泌，并可通過影響脂肪因子的生理作用改善IR。

2.4 Nrf2/ARE通路與受體缺陷 一直以來，受體缺陷都是IR發(fā)病機(jī)制的中心環(huán)節(jié)，它表現(xiàn)為受體功能與結(jié)構(gòu)的異常，主要包括InR數(shù)目減少及親和力下降導(dǎo)致與胰島素結(jié)合減少、InR抗體的形成等〔23〕。研究表明，氧化應(yīng)激持續(xù)刺激可以誘導(dǎo)胰島素轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中多種激酶活化，如蛋白激酶C、蛋白激酶K等，從而抑制IRS的正常酪氨酸磷酸化，降低IRS與InR的結(jié)合力，并減弱IRS激活其下游PI3K的磷酸化，阻礙胰島素信號向下游的傳遞〔24〕，因此可以得出氧化應(yīng)激參與了IR作用過程，長時(shí)間的氧化應(yīng)激損傷甚至可以導(dǎo)致InR缺陷并阻斷正常胰島素信號傳導(dǎo)。而Nrf2/ARE通路本身具有抗氧化應(yīng)激作用，推測Nrf2/ARE通路可能通過該效用發(fā)揮減輕IR氧化應(yīng)激損傷及促進(jìn)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用，但有關(guān)受體缺陷與Nrf2/ARE通路直接關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。

綜上，Keap1-Nrf2-ARE通路成為DM、肥胖等代謝性疾病研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過激活Nrf2-ARE通路，可以減少高血糖、高血脂等引起的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)損傷、ROS生成過多而導(dǎo)致的IR及胰島β細(xì)胞功能障礙。目前為止，關(guān)于Keap1-Nrf2-ARE通路的研究還大部分集中在細(xì)胞及動物實(shí)驗(yàn)，Nrf2的持續(xù)表達(dá)與激活是否又會對機(jī)體產(chǎn)生不利影響，Nrf2/ARE通路激活后通過上調(diào)Nrf2的表達(dá)極有可能為改善IR、保護(hù)T2DM胰島β細(xì)胞功能提供新的治療靶點(diǎn)。

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〔2015-12-05修回〕

(編輯 苑云杰/王一涵)

萬 沁(1971-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，碩士，主要從事糖尿病大血管并發(fā)癥研究。

曾 越(1989-)，女，在讀碩士，主要從事糖尿病大血管并發(fā)癥研究。

R587

A

1005-9202(2017)04-1009-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.04.102