Nrf2/ARE 信號通路在氧化應(yīng)激性疾病的作用研究進(jìn)展

周秋麗，周燕

（桂林醫(yī)學(xué)院，廣西 桂林）

0 引言

目前氧化應(yīng)激已被越來越多地認(rèn)為是導(dǎo)致疾病的各種病理生理形式的因素。在所有氧化應(yīng)激性疾病發(fā)生發(fā)展過程中，活性氧（ROS）生成過多或清除障礙出現(xiàn)瀑布式釋放后，會損傷機(jī)體各個系統(tǒng)組織，從而導(dǎo)致一系列的慢性氧化應(yīng)激性疾病。Nrf2/ARE 信號通路被認(rèn)為是機(jī)體內(nèi)調(diào)節(jié)氧化還原平衡的主要承擔(dān)者，Nrf2 是該通路的中樞調(diào)節(jié)因子，通過結(jié)合抗氧化物反應(yīng)元件（ARE）調(diào)節(jié)編碼抗氧化蛋白表達(dá)，發(fā)揮抗炎癥及損傷、抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)與調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡等作用，以抵抗內(nèi)外界氧化、化學(xué)物質(zhì)等刺激導(dǎo)致的氧化應(yīng)激反應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞微環(huán)境，在機(jī)體應(yīng)對各種外來損傷的防御中起著舉足輕重的作用。本文就Nrf2/ARE 與氧化應(yīng)激性疾病的進(jìn)展與關(guān)系作一綜述。

1 Nrf2 /ARE 信號通路的簡介

1.1 Nrf2/ARE 信號通路的結(jié)構(gòu)

Nrf2/ARE 信號通路分子結(jié)構(gòu)中核因子相關(guān)因子2 （NF-E2-related-factor 2，Nrf2）是細(xì)胞中與氧化應(yīng)激反應(yīng)密切相關(guān)的一種細(xì)胞因子。Nrf2 是具有七個Nrf2-ECH 同源結(jié)構(gòu)域（Neh1-7）的模塊蛋白，每個結(jié)構(gòu)域都具有不同的功能[1]。Keap1 是Nrf2 的重要受體。Keap1 中的核輸出序列（nuclear export sequence，NES）是終止Nrf2 的ARE 的必須部分。在穩(wěn)定的生理條件下，Nrf2 與Keap1 結(jié)合，并被Cul3 E3 泛素連接酶恒定地泛素化，隨后被蛋白酶體降解。然而受到氧化刺激時，Keap1 失活，導(dǎo)致Nrf2 被釋放。Nrf2 易位至細(xì)胞核，在其中與小Maf 蛋白異源二聚體，與ARE 結(jié)合并激活其靶基因的轉(zhuǎn)錄[2]，從而調(diào)節(jié)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）及II 相解毒酶等靶基因活性，以清除ROS 等有害物質(zhì)，維持細(xì)胞活性[3]。

1.2 Nrf2/ARE 信號通路的作用

Nrf2/ARE 信號通路被認(rèn)為是機(jī)體內(nèi)調(diào)節(jié)氧化還原平衡的主要承擔(dān)者。其主要作用體現(xiàn)在對抗氧化應(yīng)激、抗炎、抗凋亡、抗細(xì)胞損傷等方面，其中最主要的為抗氧化應(yīng)激作用。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 調(diào)控下游因子產(chǎn)生的解毒酶在細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)中起著重要作用，它們保護(hù)組織免受傷害，它與心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、惡性腫瘤關(guān)系密切。大量數(shù)據(jù)表明，Nrf2/ARE 通路是已知最強(qiáng)大的抗氧化應(yīng)激通路之一。

2 Nrf2/ARE 信號通路在各組織器官氧化應(yīng)激性疾病中的調(diào)節(jié)作用

Nrf2/ARE 信號通路對各組織器官氧化應(yīng)激疾病的調(diào)節(jié)作用各有不同，其疾病的轉(zhuǎn)歸也各有不同。

2.1 心血管系統(tǒng)

氧化應(yīng)激可通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、脂質(zhì)過氧化等機(jī)制導(dǎo)致多種心血管疾病的發(fā)生，如動脈粥樣硬化、心肌梗死、高血壓等。動脈粥樣硬化是由脂質(zhì)的沉積、炎癥和血管局部的氧化應(yīng)激的相互作用，從而引起內(nèi)皮細(xì)胞損傷和平滑肌細(xì)胞增殖。在小鼠模型中或人內(nèi)皮細(xì)胞，動脈粥樣硬化分析抗性與易感條件揭示與Nrf2 的活化相關(guān)聯(lián)的動脈粥樣硬化性[4-5]。使用白藜蘆醇或姜黃素誘導(dǎo)Nrf2 增多對高脂肪膳食誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙有保護(hù)作用[6-7]。動脈粥樣硬化斑塊的破裂可以觸發(fā)凝血級聯(lián)反應(yīng)的激活和之后冠狀動脈的阻塞而致心肌梗死。有實驗發(fā)現(xiàn)通過激活 Nrf2/ARE 信號通路，Azafrin 可增加SOD 的活力，降低MDA、肌鈣蛋白（cTnI）的表達(dá)，增加HO-1，NQO1 釋放，減少缺血再灌注損傷大鼠的心肌梗死面積，進(jìn)而發(fā)揮保護(hù)心肌作用，而對H2O2 誘導(dǎo)的H9C2 細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷模型的保護(hù)作用亦驗證了該機(jī)制[8]。有研究發(fā)現(xiàn)，對于結(jié)扎冠脈致急性心肌梗死大鼠模型，積草雪酸（Asiatic acid）可有效縮小梗死的面積，改善大鼠心功能，其機(jī)制主要與促進(jìn)Nrf2 及下游靶基因的表達(dá)有關(guān)[9]。這些為Nrf2/ARE 信號通路對心血管有保護(hù)作用再添佐證。

2.2 呼吸系統(tǒng)

目前，由于呼吸系統(tǒng)的特殊解剖結(jié)構(gòu)，空氣污染、煙霧、職業(yè)暴露等易造成呼吸系統(tǒng)的氧化應(yīng)激損傷。慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一種以不可逆的氣流受限為特征的常見慢性肺疾病。一項關(guān)于吸煙者Nrf2 基因多態(tài)性與氣流受限之間關(guān)系的隊列研究表明，Nrf2 受損可能導(dǎo)致慢性阻塞性肺病的發(fā)展，其原因是肺內(nèi)過多的氧化負(fù)擔(dān)和細(xì)胞凋亡[10]。在慢性香煙煙霧暴露下，CDDO-Im 誘導(dǎo)Nrf2 及其靶基因的更顯著上調(diào)，從而減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的野生型小鼠的肺氧化應(yīng)激、組織破壞，甚至肺動脈高壓；但是，在缺Nrf2 的小鼠中沒有明顯觀察到這些保護(hù)作用[11]。在最近的一項研究中，蘿卜硫烷在大鼠肺泡上皮細(xì)胞系中通過激活Nrf2 信號來抵消香煙煙霧暴露誘導(dǎo)的氧化損傷[12]。蘇木酮A 是Nrf2 一種激動劑，可以預(yù)防由OVA 引起的過敏性氣道炎癥，抑制BALF 中炎性細(xì)胞，細(xì)胞因子和OVA 特異性IgE 的增加，并恢復(fù)IFN-γ 的水平，以及其機(jī)制Nrf2 調(diào)節(jié)的Th1/Th2 平衡可能產(chǎn)生作用[13]。上述研究證明Nrf2/ARE 信號通路對呼吸系統(tǒng)疾病的預(yù)防和治療具有明確的應(yīng)用價值。

2.3 神經(jīng)系統(tǒng)

Nrf2/ARE 信號通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達(dá)，并對急性腦損傷和神經(jīng)退行性疾病進(jìn)行調(diào)節(jié)。腦缺血再灌注損傷機(jī)制尚不明確，目前認(rèn)為有多種因素參與損傷過程，氧化應(yīng)激被認(rèn)為是腦缺血再灌注損傷的一個主要因素。周濤等[14]發(fā)現(xiàn)在腦缺血再灌注損傷組大鼠SOD、GPX 降低，腦組織Nrf2 和HO-1 蛋白表達(dá)量顯著升高。而己酮可可堿組大鼠SOD、GPX 顯著升高，Nrf2 和HO-1蛋白表達(dá)量顯著降低，說明己酮可可堿可降低大鼠腦缺血再灌注損傷，其作用可能與激活Nrf2/ARE 信號通路，降低氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)。如果在人腦中發(fā)生Nrf2 活性的抑制，意味著涉及氧化應(yīng)激的易感性增強(qiáng)，炎癥的持續(xù)時間延長和更加嚴(yán)重，則可能發(fā)展為阿爾茨海默氏?。ˋD），帕金森氏病（PD）等。一項研究發(fā)現(xiàn)，Nrf2與AD 介導(dǎo)的認(rèn)知功能下降之間存在明確的聯(lián)系，進(jìn)一步加強(qiáng)了Nrf2 與AD 之間的聯(lián)系[15]。Lipton 等[16]發(fā)現(xiàn)鼠尾草酸可以通過刺激小鼠AD 模型的Keap1/Nrf2 信號通路增加小鼠神經(jīng)組織中2期抗氧化劑和抗炎酶的水平起到了神經(jīng)保護(hù)作用。目前在基因水平上已揭示了轉(zhuǎn)錄因子Nrf2 和PD 之間的聯(lián)系。有結(jié)果表明，人類Nrf2 的NFE2L2 基因啟動子中的功能性單倍型，轉(zhuǎn)錄活性略有增加，與降低PD 的風(fēng)險和延遲發(fā)病年齡有關(guān)[17]。這為該信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用指明了新路徑。

2.4 消化系統(tǒng)

胃腸道暴露于多種有害因素之下，例如幽門螺桿菌、非甾體抗炎藥、胃酸、部缺血再灌注和精神壓力。這些應(yīng)激源會導(dǎo)致胃腸道組織內(nèi)產(chǎn)生自由基，引起氧化應(yīng)激反應(yīng)。無論急性還是慢性暴露氧化應(yīng)激會導(dǎo)致多種胃腸道疾病，例如炎癥，潰瘍，癌癥和各種功能障礙。有研究表明與野生型小鼠相比，Nrf2 缺陷型小鼠的炎癥水平更高。在Nrf2-/- 小鼠中，促炎性介質(zhì)包括IL-1β，IL-6，TNF-α，iNOS 和COX-2 的表達(dá)顯著增加[18]。Sabzevary-Ghahfarokhi M 等[19]研究發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸組織中通過定量PCR 檢測，UC 患者組的Nrf2 的表達(dá)水平與對照組相比，Nrf2 的基因表達(dá)增加。同時，Nrf2 表達(dá)可提高UC 患者結(jié)腸組織中谷胱甘肽s -轉(zhuǎn)移酶-4 的mRNA 表達(dá)。目前有很多研究已發(fā)現(xiàn)中藥對抗二甲基亞硝胺、CCl4 或?qū)σ阴０被诱T導(dǎo)的肝損傷的有保護(hù)作用。例如甜菜苷[20]、石楠藤[21]等能明顯地提高受損肝臟中Nrf2 及HO-1的表達(dá)。這些結(jié)果表明通過激活Nrf2/ARE 信號通路及隨后由Nrf2 控制的基因表達(dá)的誘導(dǎo)，表現(xiàn)出對抗藥物性肝損的保肝作用。因此Nrf2/ARE 信號通路在保護(hù)消化系統(tǒng)免受各種氧化應(yīng)激的影響中起著重要作用。

2.5 泌尿系統(tǒng)

氧化應(yīng)激是腎臟疾病共同的發(fā)病機(jī)制，而Nrf2/ARE 信號通路是機(jī)體一條重要的抗氧化應(yīng)激通路，參與了腎臟疾病的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)防的各個過程。一項體內(nèi)研究表明，在碘造影劑誘發(fā)的大鼠急性腎損傷中，它激活Nrf2 表達(dá)，抑制腎氧化應(yīng)激并減輕腎小管損傷[22]。Zahran 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，西地那非能激活大鼠腎缺血/再灌注損傷模型中抗氧化劑抗凋亡基因，抑制促炎細(xì)胞因子基因，從而發(fā)揮對腎臟保護(hù)作用，其中Nrf2/ARE 通路起到很重要的作用。有大量的實驗證實，Nrf2 活化劑對慢性腎臟疾病有保護(hù)作用。Tapia E 等[24]證實，霉酚酸酯和姜黃素通過上調(diào)Nrf2-Keap1-ARE 通路的表達(dá)，使5/6 腎切除CKD 大鼠恢復(fù)腎組織抗氧化能力，減少腎臟炎性細(xì)胞浸潤。

2.6 腫瘤

全面的基因組分析發(fā)現(xiàn)，在各種類型的癌癥中，Keap1 或Nrf2 基因以及著名的抑癌基因或癌基因中發(fā)生體細(xì)胞突變和其他改變。大量研究都證實，Nrf2 具有抗腫瘤和預(yù)防癌癥的作用[25]。Nrf2 信號的破壞在體外影響癌細(xì)胞系的細(xì)胞周期進(jìn)程和增殖[26-27]。癌細(xì)胞中的Nrf2 沉默導(dǎo)致細(xì)胞遷移和腫瘤轉(zhuǎn)移的減弱。癌基因K-Ras，B-Raf 和Myc 可以刺激小鼠成纖維細(xì)胞中Nrf2 的轉(zhuǎn)錄和激活，從而導(dǎo)致ROS 的細(xì)胞負(fù)荷總體降低[28]。Nrf2 表達(dá)下調(diào)是潛在治療癌癥的方法。體外研究表明，在對阿霉素敏感的人卵巢癌細(xì)胞系A(chǔ)2780 中，Nrf2 信號傳導(dǎo)活性下調(diào)了[29]。寧燦健等[30]研究發(fā)現(xiàn)用MNNG 誘導(dǎo)大鼠胃癌模型后，Nrf2、HO-1 和NQO1 蛋白表達(dá)均上升，說明Nrf2/ARE 信號通路參與了胃癌的發(fā)生發(fā)展，但經(jīng)白藜蘆醇處理后，Nrf2、HO-1 和NQO1 水平均明顯降低，說明白藜蘆醇可能是通過抑制該信號通路來延緩胃癌的發(fā)展。

3 問題與展望

綜述以上研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，Nrf2 是與氧化應(yīng)激密切相關(guān)的一個因子。而氧化應(yīng)激是多種疾病的致病因素，比如炎癥、腫瘤、退行性病變等。Nrf2 在氧化應(yīng)激中起到了多種反應(yīng)的橋梁作用。深入探索Nrf2/ARE 信號通路在氧化應(yīng)激性疾病中的發(fā)病機(jī)制，能為相關(guān)疾病靶向藥物治療提供分子基礎(chǔ)，并且有利于充分發(fā)揮其在臨床藥物研究中的潛在價值。