Keap1-Nrf2/ARE抗氧化通路在腫瘤中的研究進展

云圖婭 蘇秀蘭

[摘要] 活性氧可通過攻擊損傷脫氧核糖核酸或核糖核酸造成細胞突變，誘導細胞癌變。Keap1-Nrf2/ARE是機體重要的氧化應激通路，Nrf2作為該系統(tǒng)的主效應因子，通過激活調(diào)控機體內(nèi)多種Ⅱ相解毒酶的表達預防正常細胞惡變，發(fā)揮抗癌作用。有細胞及動物實驗證明Nrf2可以促進腫瘤的發(fā)展，同時也能增加腫瘤細胞對化療藥物的耐受性。研究Keap1-Nrf2/ARE通路信號轉導對于腫瘤的預防、發(fā)展和靶向治療至關重要。

[關鍵詞] 氧化應激;Keap1-Nrf2/ARE通路;腫瘤;耐藥

[中圖分類號] R73 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2019）10（a）-0056-04

Research progress of Keap1-Nrf2/ARE antioxidant pathway in tumors

YUN Tuya ? SU Xiulan

Clinical Medicine Research Center， Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot ? 010030， China

[Abstract] Reactive oxygen species can cause cell mutation and induce cell carcinogenesis by attacking deoxyribonucleic acid or ribonucleic acid. Keap1-Nrf2/ARE is an important oxidative stress pathway in the body. As the main effector of this system， Nrf2 can prevent malignant transformation of normal cells and play an anti-cancer role by activating and regulating the expression of various phase Ⅱ detoxifying enzymes in the body. Cellular and animal experiments have shown that Nrf2 can promote the development of tumors and increase the tolerance of cancer cells to chemotherapeutic drugs. Research on signal transduction of Keap1-Nrf2/ARE pathway is essential for cancer prevention， development and targeted therapy.

[Key words] Oxidative stress; Keap1-Nrf2/ARE pathway; Tumor; Drug resistance

在日常生活中經(jīng)常會遭受各種化學和物理污染，包括環(huán)境污染物、食品添加劑、天然植物生物堿、紫外線和電離輻射等。此外，在生理代謝和病理過程中還存在許多內(nèi)在毒物，包括活性氧（ROS）和促炎細胞因子。ROS擔當著控制細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)重要信使的角色，但超負荷的氧化應激會損傷細胞結構，其導致的慢性炎癥，后期還可能致癌[1]。Keap1-Nrf2/ARE系統(tǒng)是脊椎動物在進化過程中獲得的最關鍵的細胞保護機制之一，是一種綜合的氧化還原敏感信號系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)基因的1%～10%[2]。Nrf2是體內(nèi)多種Ⅱ相解毒酶的主要轉錄激活因子，細胞損傷時Nrf2將上調(diào)并激活下游Ⅱ相解毒酶，增強細胞對氧化應激的耐受能力，因此，靶向Keap1-Nrf2/ARE信號通路被認為是預防和治療由氧化應激和炎癥引起的疾病的合理方法[3]。同時有研究發(fā)現(xiàn)，Nrf2在腫瘤中呈現(xiàn)高表達，腫瘤細胞可通過Nrf2信號通路增強自身的抗氧化應激能力，從而增加對放療和化療的耐受性。本文簡要介紹了Keap1-Nrf2/ARE信號通路及其在腫瘤發(fā)病及耐藥方面的新進展。

1 Keap1-Nrf2-ARE抗氧化通路概述

1.1 Keap1

Keap1是由624個氨基酸殘基組成的二聚體蛋白質(zhì)，主要位于細胞質(zhì)中。同時，它也在細胞質(zhì)和細胞核之間穿梭。Keap1的氨基酸序列在小鼠，大鼠和人類中是高度保守的。Kelch結構域具有6個重復序列（KR1-KR6）和多個蛋白質(zhì)接觸位點，其介導Keap1與Nrf2在細胞骨架肌動蛋白或肌球蛋白的結合。人類Keap1共含有27個半胱氨酸殘基，其中7個（即Cys151、Cys257、Cys273、Cys288、Cys297、Cys434、Cys613）對ROS和親電子試劑具有高度反應性，并被認為參與氧化還原反應[4]。Keap1的特定半胱氨酸殘基修飾是氧化應激條件下細胞中蛋白質(zhì)構象變化的原因，Keap1可與Nrf2結合阻止其進入細胞核。因此，Keap1也被稱為Nrf2的抑制劑[5]。

1.2 Nrf2

人類的Nrf2具有605個氨基酸殘基，形成了6個保守結構域（Neh1～Neh6）。Neh1具有bZip基序，其負責與小Maf（肌肉腱膜纖維肉瘤）蛋白的異二聚化[6]。N末端的Neh2結構域含有與Keap1 Kelch結構域結合的DLG和ETGE基序，其負性調(diào)節(jié)Nrf2的轉錄活性。C末端的Neh3、Neh4和Neh5通過與組蛋白乙酰轉移酶結合介導Nrf2反式激活活性。Nrf2的Neh6結構域在Keap1非依賴性降解途徑中起關鍵作用。Nrf2轉錄因子普遍表達并存在于各種器官和組織中，包括腎、肺、心臟、肝臟和腦等，是一種有效的轉錄激活因子，可防御細胞毒性和氧化損傷及識別ARE的特定DNA序列[7]。在生理狀態(tài)下，Nrf2與細胞質(zhì)中的Keap1結合，導致蛋白酶體降解。在應激暴露時，出現(xiàn)Keap1半胱氨酸修飾的特定模式。Keap1釋放Nrf2，其轉移到細胞核后與小Maf蛋白形成異二聚體復合物。該復合物識別位于細胞保護基因中的抗氧化反應元件的增強子序列，激活它的轉錄。

1.3 ARE

ARE也稱為親電子反應元件，是存在于編碼解毒酶和細胞保護蛋白的基因上游調(diào)節(jié)區(qū)中的含有特定DNA序列的順式調(diào)節(jié)元件。生理狀態(tài)下的機體處于氧化應激時，Nrf2活化易位至細胞核后與Maf蛋白形成異二聚體，激活ARE調(diào)控的Ⅱ期解毒酶和結構蛋白，它們對新陳代謝、異生素的解毒、氧化還原穩(wěn)態(tài)和細胞存活至關重要[8]。

2 Keap1-Nrf2/ARE抗氧化通路與腫瘤發(fā)病及治療的關系

2.1 與腫瘤預防的關系

化學致癌物自細胞和機體中先經(jīng)Ⅰ相代謝酶向疏水的化學致癌物中引入羥基，后經(jīng)肝臟Ⅱ相代謝酶作用下，將羥基上再糖基化以提高化合物的水溶性，促進其排出。其中Ⅱ相代謝酶的誘導不會增加致癌風險，故可通過誘導Ⅱ相代謝酶的活性進行化學防癌。Nrf2可通過與ARE相互作用，調(diào)節(jié)抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶的表達。用具有抗氧化活性的白藜蘆醇處理人肺腺癌細胞后利用熒光素酶發(fā)現(xiàn)細胞核內(nèi)Nrf2水平大幅升高，若敲除Nrf2基因后再加入白藜蘆醇，癌細胞內(nèi)氧化還原酶的量未提高，說明白藜蘆醇可能通過Nrf2途徑增加抗氧化酶的表達[9]。肝臟是人體代謝的首站，在代謝和解毒各種外源性物質(zhì)的過程中易受到中間代謝產(chǎn)物的氧化損傷。長期暴露于二乙基亞硝胺的大鼠，可通過上調(diào)Nrf2及其靶基因的表達發(fā)揮抗腫瘤的作用，Nrf2缺失小鼠在接觸對乙酰氨基酚后出現(xiàn)了急性肝毒性[10]。接觸柴油機廢氣會增加Nrf2缺失小鼠中DNA加合物的形成[11]。Nrf2可防止化學致癌物誘導胃和皮膚，腸道和膀胱中腫瘤的形成，這是由于Nrf2具有降低化學誘導的致癌細胞中ROS損傷DNA的能力[12]。將化學致癌物喹啉長期用于Nrf2敲除小鼠，發(fā)現(xiàn)其肝腫瘤的多樣性和發(fā)生率明顯高于野生型小鼠[13]。已經(jīng)證明石榴具有抗氧化特性，長期服用能預防肝癌的發(fā)生[14]。木犀草素可以通過激活Nrf2/ARE信號通路對結直腸癌起到化學預防作用[15]。因此，Nrf2在腫瘤化學預防方面被視為一個潛在的分子靶點。通過研發(fā)Nrf2的相關抑制劑或激動劑對腫瘤預防有重要作用。

2.2 與腫瘤發(fā)展的關系

癌癥預計將居于21世紀人類死因的首位[16]。Keap1-Nrf2/ARE通路與前列腺癌、肝癌、乳腺癌及肺癌等多種癌癥密切相關[17]。肺癌細胞系或肺癌組織通過Keap1體細胞突變或基因雜合性丟失，喪失對Nrf2的負性調(diào)控作用進而上調(diào)Nrf2蛋白水平及其下游基因的轉錄，從而促進了腫瘤的發(fā)展。非小細胞肺癌（NSCLC）組織中Nrf2蛋白、Keapl蛋白表達升高，且與腫瘤組織的分化程度相關，這對臨床判斷NSCLC患者腫瘤的侵襲生長能力有一定的意義[18]。此外，在胃癌（11.1%）、肝癌（2%～8%）、結腸直腸癌（7.8%）、前列腺癌（1.3%）、膽囊癌（30.7%）、卵巢癌（37%）、膠質(zhì)瘤（1.7%）、頭頸部腫瘤（42%）和腎透明細胞癌（4.7%）中均發(fā)現(xiàn)了Keap1點突變[19]。宋洋等[20]發(fā)現(xiàn)，胃癌組織中的Nrf2明顯高于正常組織，且其陽性率與侵犯程度、淋巴結轉移及TNM分期密切相關。在信號通路期間激活的Nrf2可以直接調(diào)節(jié)抗凋亡蛋白如Bcl-2家族和Caspases3/7，從而發(fā)揮抗凋亡作用[21]。研究已證明，實體腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉移均伴隨新生血管的形成。誘導新生血管生成的主要因子為血管內(nèi)皮生長因子（VEGF），Keap1/Nrf2信號通路在胃癌新生血管形成方面起到重要作用，Nrf2可促進VEGF的分泌[22]。

2.3 與腫瘤耐藥的關系

化療作為癌癥的主要治療方法之一，其療效深受耐藥的制約。在耐藥形成的過程中，ABCG2可將化療藥物從腫瘤細胞內(nèi)轉運到細胞外，使化療藥物的療效降低。王昕海等[23]檢測到人胃癌組織中Keap1突變組中Nrf2和ABCG2的表達顯著升高，由此證明Nrf2的激活可增加ABCG2表達而發(fā)揮耐藥作用。動物實驗表明，輻射暴露中Nrf2缺失的小鼠較野生型小鼠相比壽命縮短，顯示出Nrf2可以保護腫瘤細胞，加強其對放療的抵抗[24]。使用化療過程中的主要產(chǎn)物，即過氧化氫處理腫瘤細胞時，發(fā)現(xiàn)其中的Nrf2會加速蛋白酶的產(chǎn)生，而當使用了Nrf2抑制劑時，腫瘤細胞生成蛋白酶及處理過氧化氫的能力會減弱，表明Nrf2可通過增強腫瘤細胞對化療藥物的耐受性而促進腫瘤細胞增殖[25]。Keap1過表達可影響人肺鱗癌H520細胞中Nrf2及其下游靶基因表達，抑制癌細胞生長和轉移，提升對卡鉑和吉西他濱的敏感性[26]。因此在針對Nrf2/ARE通路活化的癌癥治療策略中，發(fā)現(xiàn)新的Nrf2抑制劑是非常合理的。鴉膽子苦醇（BRU）系苦木科植物鴉膽子果實中提取的一種苦木內(nèi)酯類化合物，可有效抑制肺癌細胞的Nrf2通路，達到抗腫瘤的作用[27]。研究證明，BRU可以消除吉西他濱誘導的胰腺癌細胞中Nrf2的活化，可增強吉西他濱誘導的人胰腺癌細胞的生長抑制和凋亡，可增強順鉑誘導的直腸癌細胞的生長抑制和凋亡[28]。Nrf2抑制劑可通過下調(diào)解毒酶和藥物排泄轉運蛋白增加腫瘤對化療藥物的敏感性[29]。此外，Keap1突變還具有激活Nrf2其他生物學功能的作用，有研究表明，Keap1突變可直接上調(diào)PPARγ而介導NSCLC的化療耐藥[30]。

3 小結與展望

過量的ROS導致氧化應激，氧化應激參與機體的各種病理（尤其是癌癥）生理過程。Keap1-Nrf2途徑在保護細胞免受氧化和異生生物應激中起重要作用。Nrf2轉錄因子與Ⅱ相減毒酶基因的調(diào)節(jié)有關，可調(diào)控相關酶的表達保護正常細胞，預防腫瘤發(fā)生。同時Keap1-Nrf2系統(tǒng)也是一把雙刃劍，在腫瘤細胞中，Nrf2活性過度升高有助于癌細胞的存活和增殖。相關研究表明Nrf2與腫瘤化療耐藥密切相關，發(fā)現(xiàn)Nrf2的雙重作用使科學家能夠了解癌癥中Nrf2的信號傳導以及針對Nrf2抑制劑的開發(fā)，進而預防和治療癌癥。通過開發(fā)Nrf2抑制劑，發(fā)揮其對化療藥物減毒增敏的作用，提高臨床腫瘤放化療效果?；谶@樣一種探索，近幾年的生物制劑熱度持續(xù)上升。生物制劑被定義為靶向特定癌細胞生長因子，受體和分子途徑的藥物，與常規(guī)藥物比較，生物制劑具有較少的副作用，并且可以靶向特殊受損細胞。目前市場上對于天然抗氧化肽的開發(fā)已經(jīng)遍及食品及藥品等眾多行業(yè)，來源遍及水生、陸生生物等多個體系[31]。逐漸加深對抗氧化肽的研究，研究其通過調(diào)控Keap1-Nrf2/ARE通路及與腫瘤預防和治療相關的因子，安全而高效地造福于人類的健康事業(yè)。

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（收稿日期：2019-05-28 ?本文編輯：李亞聰）