核因子E2 相關因子2/血紅素加氧酶-1 信號軸在心血管疾病中作用的研究進展△

楊貴林，趙明一，吳 敏，黃勁松，朱 平

［1.廣東醫(yī)科大學，廣東湛江 524000；2 廣東省心血管病研究所廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學科學院），廣州 510080；3.中南大學湘雅三醫(yī)院兒科，長沙410013］

提要：目前，心血管疾病仍是危害人類健康的最常見的疾病，而導致心血管疾病的主要原因之一是由于細胞的氧化應激。最新研究證明，核因子E2 相關因子2/血紅素加氧酶-1（nuclear factor erythroid-2-related actor 2/heme oxygenase 1，Nrf2/HO-1）處在氧化應激的中心位置，激活后能發(fā)揮抗炎、抗氧化、減少線粒體損傷、調(diào)節(jié)細胞凋亡、自噬、焦亡等作用。激活Nrf2/HO-1 信號軸在大多數(shù)情況下對心血管疾病具有保護作用，但也可能產(chǎn)生不良作用。本文就Nrf2/HO-1 信號軸在心血管疾病中的最新研究進展進行綜述。

目前，心血管疾病仍是威脅人類健康的最常見疾病，其全球發(fā)病率和病死率都很高，其中病死人數(shù)占全球死亡人數(shù)的三分之一［1］。而導致心血管疾病主要原因之一是細胞的氧化應激（oxidative stress，OS）。OS 是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡，促氧化能力超過抗氧化能力，導致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成增加。ROS，尤其是超氧陰離子和過氧化氫，能誘導促炎基因表達，是心血管細胞中重要的信號分子。最新研究證明：核因子E2 相關因子2/血紅素加氧酶-1（nuclear factor erythroid-2-related factor 2/heme oxygenase 1，Nrf2/HO-1）處在氧化應激的中心位置，在激活Nrf2/HO-1 信號軸后，能調(diào)控一系列的抗氧化基因和Ⅱ相解毒酶的表達，并增加一系列抗氧化物質(zhì)的生成，以此發(fā)揮抗炎、抗氧化、減少線粒體損傷、調(diào)節(jié)細胞凋亡、自噬、焦亡等作用。激活Nrf2/HO-1 信號軸在大多數(shù)情況下對心肌缺血再灌注損傷、動脈粥樣硬化、心律失常、原發(fā)性高血壓（高血壓）、心力衰竭等心血管疾病具有保護作用，但也可能對動脈粥樣硬化和心力衰竭產(chǎn)生不良作用。本文就關于Nrf2/HO-1 信號軸對心血管疾病的作用的最新研究進展進行綜述，為臨床治療提供分子基礎。

1 Nrf2/HO-1 信號軸

Nrf2 屬于中文全稱（cap‘n’collar-basic leucine zipper，CNC-bZIP）轉(zhuǎn)錄激活因子家族成員，包含7 個結(jié)構域，分別為Neh1～7；而介導其泛素化降解的Keap1 包含5 個結(jié)構域，分別為NTR，BTB，IVR，DGR 和CT 區(qū)。在生理狀態(tài)下，Nrf2 的Neh2 結(jié)構域與keap1 的DGR 區(qū)結(jié)合后位于細胞質(zhì)中保持惰性，在keap1 功能結(jié)構域BTB 和IVR 區(qū)參與下經(jīng)Cul3/Rbx1/E3 泛素化降解以維持濃度穩(wěn)定。在ROS 和親電子基團等應激條件下，keap1 中的SH-1 基團構象改變及Nrf2 磷酸化，導致兩者解偶聯(lián)，Nrf2 從keap1 中釋放轉(zhuǎn)位入細胞核內(nèi)。Nrf2 通過Neh1 結(jié)構域與Maf 蛋白形成異二聚體后，結(jié)合抗氧化反應元件（antioxidant response element，ARE），激活一系列的抗氧化基因和Ⅱ相解毒酶，包括HO-1、鐵蛋白、銅鋅超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶等［2-3］。HO-1 是分子量為32 kDa的應激蛋白超家族成員，它聯(lián)合NADPH 及細胞色素P450，通過膽綠素還原酶（biliverdin reductase，BVR），催化血紅素分解為膽綠素、二價鐵離子和一氧化碳（carbon monoxide，CO），而膽綠素可進一步由BVR 還原為膽紅素，HO-1、膽紅素、二價鐵離子和CO 具有抗氧化、抗炎、減少線粒體損傷、調(diào)節(jié)細胞凋亡、自噬、焦亡等作用［4-9］（圖1）。

2 Nrf2/HO-1 信號軸與心肌缺血再灌注損傷

在缺血性疾病搶救和治療過程中，對組織造成損傷的主要因素，不是缺血本身，而是恢復血液供應后，過量的自由基攻擊這部分重新獲得血液供應的組織內(nèi)的細胞造成的，這種損傷，叫做組織缺血再灌注損傷（ischemia reperfusion injury，I/R）。急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）為導致心血管病患者死亡的重要原因，挽救瀕死心肌的關鍵在于及時疏通梗死動脈、恢復心肌血液供應［10］。然而，再灌注會引起許多疾病，如ROS 過多、鈣超載、線粒體功能障礙、炎癥和凋亡等［11-12］。在心肌I/R應激中出現(xiàn)ROS 劇增，導致內(nèi)源性自由基清除劑酶的耗竭。針對ROS 的抗氧化劑或內(nèi)源性自由基清除劑的上調(diào)已被證明可以減輕心肌I/R 損傷［13］。

圖1 Nrf2/HO-1 信號通路在氧化應激中的調(diào)控機制圖示

有研究表明，一些抗氧化產(chǎn)物在心肌I/R 損傷的心肌保護作用是通過Nrf2/HO-1 信號軸實現(xiàn)的。Zeng 等［14］對人參皂苷Rd 的研究表明，激活Nrf-2/ HO-1 信號通路可以減輕心肌I/R 損傷。當心臟發(fā)生I/R 時，Nrf2 從keap1 分離，轉(zhuǎn)位至細胞核，然后與ARE 結(jié)合，激活HO-1、醌氧化還原酶（NQO1）等2 期抗氧化物和解毒基因，HO-1 和醌氧化還原酶的上調(diào)可以保護心臟免受I/R 損傷引起的氧化應激。在Langendorff 等［15］灌注的心臟中，用4-羥基壬烯醛、α-硫辛酸，或硫酸氫鹽治療，可以激活I/R 后心臟組織中的Nrf2，增加心肌內(nèi)的谷胱甘肽（glutathione，GSH）濃度，減小梗死面積，減輕體內(nèi)心肌細胞凋亡［16］。另外，有研究證實了HO-1 在心臟中的細胞保護作用。在I/R 中過表達的HO-1 能降低離體大鼠心臟缺血損傷，而抑制HO-1 的活性則抵消了這種保護作用，并且在許多情況下增強I/R損傷［17-18］。在用基因治療或藥理學方法治療后，具有心臟特異性過表達HO-1 或增強心臟HO-1 濃度的轉(zhuǎn)基因小鼠，無論是在短期內(nèi)還是在缺血事件發(fā)生1 年后，其梗死面積均明顯減小，心臟功能改善［19］。以上說明Nrf2/HO-1信號軸的激活可以減輕心肌的I/R。

缺血預處理（ischemic preconditioning，IPC）現(xiàn)象被認為是預防心肌缺血損傷、縮小梗死面積的最有效機制之一。IPC 可以作為一種“早期預警”信號，在長時間缺血事件之前激活Nrf2。Nrf2 的急性激活在I/R 后被證明具有心臟保護作用。并且IPC 可誘導蛋白激酶C 的活化，進而促進Nrf2 的易位和對HO-1 的誘導［16，20］。

3 Nrf2/HO-1 信號軸與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是導致冠狀動脈疾病的主要原因［21］，脂質(zhì)代謝障礙為動脈粥樣硬化的病變基礎，其特點是受累動脈病變從內(nèi)膜開始，一般先有脂質(zhì)和復合糖類積聚、出血及血栓形成，進而纖維組織增生及鈣質(zhì)沉著，并有動脈中層的逐漸蛻變和鈣化，導致動脈壁增厚變硬、血管腔狹窄。在動脈粥樣硬化發(fā)生過程中，氧化應激和慢性炎癥在血管平滑肌細胞（VSMC）的活化中起著至關重要的作用［22］。氧化應激也是內(nèi)皮功能障礙的主要原因，是內(nèi)皮組織損傷的主要原因之一，氧化應激產(chǎn)生的ROS 幾乎參與了動脈粥樣硬化的每一個階段的發(fā)病機制，ROS 可通過改變細胞氧化還原狀態(tài)而引發(fā)內(nèi)皮功能障礙，進而誘發(fā)血管炎癥［4，22-23］。慢性血管炎癥是由促炎細胞因子（如TNF-α）引起的，腫瘤壞死因子-α（TNF-α）能增加ROS，刺激氧化還原信號通路導致動脈粥樣硬化［5］。Nrf2 通過其依賴基因及蛋白包括HO-1 發(fā)揮抗氧化、調(diào)節(jié)炎癥的作用［24］，表明Nrf2/HO-1 信號軸具有抗動脈粥樣硬化作用。但Nrf2 可能同時也具有促動脈粥樣硬化作用。

激活Nrf2/HO-1 信號軸有抗動脈粥樣硬化作用。動脈粥樣硬化斑塊形成的一個重要階段是巨噬細胞浸潤內(nèi)皮和巨噬細胞吸收積累的低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）后形成泡沫細胞。Zhu 等［25］發(fā)現(xiàn)Nrf2 能抑制泡沫細胞形成，當巨噬細胞暴露于氧化低密度脂蛋白（oxidized low-density lipoprotein，oxLDL）時，Nrf2 表達的增加，而Nrf2 可以通過激活Ⅱ期抗氧化酶間接保護巨噬細胞免受oxLDL 介導的損傷，從而抑制泡沫細胞的形成，防止動脈粥樣硬化斑塊的形成。另外，一些研究結(jié)果鞏固了Nrf2在維持血管完整性和內(nèi)皮功能中的抗動脈粥樣硬化作用，這可能是通過釋放NO 和防止細胞凋亡來實現(xiàn)的［26-28］。這進一步提示Nrf2 在抵抗動脈粥樣硬化中起重要作用。HO-1 在動脈粥樣硬化斑塊中高度表達，主要定位于巨噬細胞和泡沫細胞，其抗氧化和抗炎特性可能是抵消早期病變發(fā)展的基礎。特別是HO-1 降低免疫細胞的招募和浸潤，調(diào)節(jié)巨噬細胞極化，也促使表型向抗炎表型轉(zhuǎn)變，抑制樹突狀細胞的成熟，從而影響動脈粥樣硬化病變的形成［29-35］。此外，Yet 等［36］證明HO-1 在動脈粥樣硬化病變形成中起保護作用。當apoE-/-小鼠（缺乏apoE 的小鼠）以西方飲食喂養(yǎng)8 周時，動脈粥樣硬化病變在進展，盡管血漿總膽固醇濃度升高，但apoE-/-HO-1-/-小鼠（同時缺乏HO-1 和apoE 的小鼠）的病變比apoE-/-小鼠更大、更嚴重，這說明HO-1 在動脈粥樣硬化損傷形成中起保護作用。以上研究證實Nrf2/HO-1 信號軸具有抗動脈粥樣硬化作用，對心血管具有保護意義。

然而，有證據(jù)表明，Nrf2 的激活并不總是導致積極的結(jié)果，可能會加速某些心血管疾病的發(fā)生，例如動脈粥樣硬化［20］。雖然Nrf2 能刺激抗動脈粥樣硬化的HO-1 表達，但該轉(zhuǎn)錄因子同樣也能刺激促動脈粥樣硬化清道夫受體CD36 蛋白的表達［37］。而羧甲基賴氨酸（carboxymethyl lysine，CML）及CD36 與泡沫細胞的遷移有關，CML/CD36能抑制泡沫細胞向血管旁淋巴結(jié)遷移，從而加速apoE-/-小鼠動脈粥樣硬化的演進，這可能與CML/CD36 通過細胞游離膽固醇、活性氧、p-FAK、Arp2/3 復合體及F-actin 聚合的介導抑制泡沫細胞遷移有關［38］。Ruotsalainen 等［39］在對LDL 受體缺陷小鼠（LDLR-/-）和只表達apoB-100 的LDLR-/-小鼠（LDLR-/-ApoB100/100）兩種動脈粥樣硬化的替代模型的研究發(fā)現(xiàn)，Nrf2 缺乏明顯減少早期和晚期動脈粥樣硬化評估的病變大小和范圍，另外，Nrf2缺乏增加了斑塊鈣化，加重了老齡LDLR-/-ApoB100/100 小鼠主動脈斑塊的成熟。這些進一步表明Nrf2 可能具有促動脈粥樣硬化作用。然而，關于Nrf2 的矛盾作用的報道需要進行更多的研究。

4 Nrf2/HO-1 信號軸與心律失常

心律失常是心血管疾病中重要的一組疾病，是由于竇房結(jié)激動異?；蚣赢a(chǎn)生于竇房結(jié)以外，激動的傳導緩慢、阻滯或經(jīng)異常通道傳導，即心臟活動的起源和（或）傳導障礙導致心臟搏動的頻率和（或）節(jié)律異常。有研究表明ROS、炎癥、自噬與心律失常的發(fā)生息息相關。心血管組織ROS 濃度的迅速增加會引發(fā)異常強烈的炎癥，炎癥會破壞心肌的協(xié)調(diào)收縮能力，導致心律失常，而增強自噬可能改善心律失常發(fā)生的過程［40］。激活Nrf2/HO-1 信號軸能有效降低ROS 濃度、改善炎癥、增強自噬，從而抑制心律失常的發(fā)生。Yang 等［41］對大鼠心肌I/R 模型研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡子苷（arctigenin，ATG）可能通過激活Nrf2 信號通路來減少氧化應激，從而減輕心肌I/R 誘導的室性心律失常。Bak 等［42］證明在心肌I/R 中，HO-1 mRNA 和CO 濃度的升高能有效地預防心室顫動（ventricular fibrillation，VF）的發(fā)生。以上說明激活Nrf2/HO-1 信號軸可能能防止心律失常的發(fā)生。但目前沒有研究直接證明Nrf2/HO-1 信號軸對心律失常的抑制作用。

5 Nrf2/HO-1 信號軸與高血壓

高血壓是指以體循環(huán)動脈血壓［收縮壓和（或）舒張壓］增高為主要特征（收縮壓≥140 mmHg，1 mmHg=0.133 kPa，舒張壓≥90 mmHg），可伴有心、腦、腎等器官的功能或器質(zhì)性損害的臨床綜合征。高血壓與下丘腦室旁核的高氧化應激有關，其特點是血管收縮性增強，同時內(nèi)皮氧化應激增加，血管炎癥和血管重建增強［4，43-44］。Nrf2 可誘導HO-1 表達，上調(diào)的HO-1 在自發(fā)性高血壓大鼠中具有降壓作用。HO-1 可通過其催化血紅素分解產(chǎn)物之一CO 發(fā)揮降壓作用。CO 具有直接的血管舒張作用，并且還能抑制血管收縮劑內(nèi)皮素的生成［45-46］。Sun 等［44］采用自發(fā)性高血壓大鼠模型，發(fā)現(xiàn)石榴提取物激活下丘腦室旁核AMPK，進而激活Nrf2/HO-1 信號通路，清除自由基，減輕氧化應激，降低室旁核的慢性交感神經(jīng)活性，從而降低高血壓大鼠交感神經(jīng)的過度活動和動脈血壓。這些研究提示Nrf2/HO-1 信號軸的激活能降低血壓。

6 Nrf2/HO-1 信號軸與心力衰竭

心力衰竭是指由于心臟的收縮功能和（或）舒張功能發(fā)生障礙，不能將靜脈回心血量充分排出心臟，導致靜脈系統(tǒng)血液淤積，動脈系統(tǒng)血液灌注不足，從而引起心臟循環(huán)障礙癥候群，通常是持續(xù)的、異常的神經(jīng)激素和機械應力的結(jié)果。導致心力衰竭的關鍵病理生理過程是心臟重構，心力衰竭發(fā)生發(fā)展的關鍵因素是氧化應激［16］。如前所述，激活Nrf2/HO-1 信號軸能誘導一系列抗氧化物質(zhì)的表達，從而發(fā)揮抗氧化作用。Xing 等［47］證明，CDDO-9，11-二氫三氟酰胺（dh404）通過Nrf2 介導的抑制心肌細胞肥大和成纖維細胞增殖，可以抑制壓力超載誘導的心肌氧化應激、心臟重構不良和心力衰竭。在Nrf2 缺失的情況下，壓力超載和AngⅡ誘導的病理心臟重構和心功能障礙更為嚴重，Nrf2 在這些病理中起負反饋調(diào)節(jié)作用。另外，有研究表明，過表達Nrf2 可顯著抑制肥大因子誘導的心肌細胞和成纖維細胞ROS 的產(chǎn)生和增加，而敲除Nrf2對心肌細胞和成纖維細胞的抑制作用則相反，因此Nrf2對病理性心肌肥大和心力衰竭具有保護作用［16，20］。雖然Nrf2 的急性激活具有心臟保護作用，但有證據(jù)表明，Nrf2的慢性激活可能對心臟功能有害，導致心力衰竭的病理生理過程，這可能與Nrf2 的慢性激活與人B 晶狀體蛋白過表達的小鼠心肌肥厚和心力衰竭模型中的“還原應激”理論有關［48］。另外一些研究表明，Nrf2 激活的HO-1 對慢性心力衰竭有治療作用，在心力衰竭時，HO-1 的上調(diào)可減輕病理性左心室重構，減少心肌肥厚、氧化應激和炎癥［4］。以上說明Nrf2/HO-1 信號軸激活的快慢對心力衰竭有不同的影響，快速激活能抑制心力衰竭，慢性激活將促進心力衰竭。

心血管疾病是威脅人類健康的最常見的疾病。因此，能找出各種心血管疾病的發(fā)病機制將有利于我們防治心血管疾病。心血管疾病的主要原因之一是細胞的氧化應激，而Nrf2/HO-1 信號軸處在氧化應激的中心位置。因此，激活Nrf2/HO-1 信號軸能有效防治各種心血管疾病。這為心血管疾病的靶向藥物治療提供了方向，提示我們研究治療心血管疾病的藥物可以從Nrf2/HO-1 信號軸下手，尋求新的高效的治療方法。