在神經(jīng)退行性疾病中Nrf2對線粒體功能的調(diào)節(jié)

王家怡 聶政

(成都醫(yī)學(xué)院 1學(xué)員2隊，四川 成都 610500;2人體解剖與組織胚胎學(xué)教研室發(fā)育與再生四川省重點實驗室 )

氧化應(yīng)激是由活性氧(ROS)自由基介導(dǎo)的，包括超氧陰離子、過氧化氫(H2O2)和羥基自由基等。在正常生理條件下，ROS 生成水平與機體抗氧化能力處于動態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng) ROS 的產(chǎn)生超過細(xì)胞抗氧化能力則會發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，而大腦對氧化應(yīng)激尤為敏感〔1〕，神經(jīng)退行性疾病其發(fā)病機制可能與氧化應(yīng)激及相應(yīng)的損傷有關(guān)。線粒體作為細(xì)胞的動力工廠，細(xì)胞所需總能量的90%都由線粒體產(chǎn)生。而神經(jīng)元進行糖酵解的能力十分有限，所以需高度依賴氧的氧化磷酸化作用供能。線粒體供能障礙主要體現(xiàn)在ROS的生成增多，腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生成減少和Ca2+穩(wěn)態(tài)平衡的打破等〔2〕。因此，如何調(diào)節(jié)線粒體功能，有可能成為治療神經(jīng)退行性疾病的新靶點，核因子E2相關(guān)因子(Nrf)2是一種細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子，其在調(diào)節(jié)線粒體功能方面發(fā)揮著重要作用。

1 Nrf2的結(jié)構(gòu)及調(diào)控機制

Nrf2是cap′n′collar(CNC)家族中最具活力的誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子〔3〕。Nrf2有Neh1～Neh6六個結(jié)構(gòu)域，在細(xì)胞核內(nèi)，Neh1與Maf蛋白結(jié)合形成二聚體，Neh4、Neh5結(jié)構(gòu)域與CREB結(jié)合蛋白結(jié)合可促使核內(nèi)的Nrf2-Maf與抗氧化反應(yīng)元件(ARE)上游啟動子結(jié)合，進而啟動下游基因轉(zhuǎn)錄，Neh2可與胞漿蛋白kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白(Keap)1結(jié)合并被其負(fù)性調(diào)節(jié)。Keap1是一種存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Nrf2抑制蛋白，可阻止Nrf2進入細(xì)胞核，介導(dǎo)泛素將其降解，使其數(shù)量維持在較低水平。在生理條件下，Nrf2多數(shù)與Keap1結(jié)合存在于細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)Nrf2激活時，Nrf2與Keap1解離，進入細(xì)胞核與ARE結(jié)合以啟動下游Ⅱ相解毒酶、抗氧化蛋白、蛋白酶體、分子伴侶等基因的轉(zhuǎn)錄〔4〕。血紅素加氧酶-1、過氧化物酶1 、超氧化物歧化酶、H2O2、 谷胱甘肽過氧化物酶等多種抗氧化蛋白均受Nrf2調(diào)節(jié)編碼〔5〕，Nrf2在抗氧化應(yīng)激方面發(fā)揮著重要作用。此外，Nrf2還可影響線粒體膜電位，線粒體呼吸及線粒體結(jié)構(gòu)和功能完整性等。

2 Nrf2在神經(jīng)退行性疾病中對線粒體的調(diào)節(jié)

2.1Nrf2在阿爾茨海默癥病(AD)中對線粒體的調(diào)節(jié) AD是一種最常見的因神經(jīng)系統(tǒng)變性引發(fā)的疾病，其病理學(xué)特征主要為tau蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)和淀粉樣蛋白(Aβ)集聚形成的細(xì)胞外老年斑的沉積。Aβ可在外膜易位酶(TOM)復(fù)合體的協(xié)助下進入線粒體與細(xì)胞色素還原酶亞單位Ⅰ的亞鐵血紅素結(jié)合，該二聚體可與Aβ結(jié)合性乙醇脫氫酶反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞色素C的釋放和ROS的產(chǎn)生增多〔6〕。有研究顯示，mtDNA的氧化水平在AD患者的額葉、頂葉和顳葉均有所增高〔7〕，而mtDNA的突變可增加AD的患病率〔8，9〕，這進一步提示AD與氧化應(yīng)激及其導(dǎo)致的線粒體功能障礙密切相關(guān)。Branca等〔10〕研究表明Nrf2-/-的淀粉樣前體蛋白(APP)/早老素(PS)1小鼠的學(xué)習(xí)能力，空間記憶及認(rèn)知能力均有所下降，而APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠的學(xué)習(xí)能力在向其兩側(cè)海馬組織注射Nrf2的慢病毒載體后得到顯著提高?？梢奛rf2與AD的病生理相關(guān)，且起到了抑制作用。在生理狀態(tài)下，Nrf2主要表達于細(xì)胞核中，而Ramsey等〔11〕實驗表明，在AD患者額葉皮層核組分中Nrf2的水平降低，這提示在AD患者的腦組織中，某些過程阻斷了Nrf2的核活性，進而導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和喪失。AD發(fā)病機制復(fù)雜，目前氧化應(yīng)激及其引發(fā)的線粒體功能障礙導(dǎo)致AD已得到證實。AD患者的腦組織中受Nrf2調(diào)節(jié)的相關(guān)抗氧化基因表達、mRNA及蛋白質(zhì)含量均出現(xiàn)異常，說明Nrf2在AD中具有抗氧化應(yīng)激作用。Nrf2在AD中還具有調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生的作用，在AD模型中海馬組織中過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子(PGC)-1α、Nrf1、Nrf2和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的表達均顯著下降導(dǎo)致線粒體的轉(zhuǎn)錄翻譯水平下降〔12〕。

2.2Nrf2在帕金森病(PD)中對線粒體的調(diào)節(jié) PD是除AD之外的第二大神經(jīng)退行性疾病，其病理表現(xiàn)主要為中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元進行性、不可逆性丟失及被稱為路易體(LB)的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)聚集體的形成。其以運動強直、靜止性震顫、運動遲緩及姿勢步態(tài)障礙為主要臨床特征。根據(jù)對PD患者尸檢結(jié)果顯示其黑質(zhì)部位線粒體復(fù)合物Ⅰ，復(fù)合物Ⅱ及復(fù)合物Ⅲ均存在缺陷〔13，14〕。1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)，作為PD造模用劑能誘導(dǎo)PD的臨床和病理特征。MPTP已被證實可抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ。MPTP在體內(nèi)生成的MPP+可在線粒體內(nèi)產(chǎn)生NO等自由基〔15〕，可使線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔的開放增加，使線粒體膜電位降低〔16〕，導(dǎo)致線粒體損傷。此外，有報道稱PD的致病基因PINK1的突變可導(dǎo)致出現(xiàn)線粒體功能障礙的特征：ATP生成減少，mtDNA增多等。同樣，PD致病基因Parking的突變可造成ATP生成減少，線粒體膜電位降低和線粒體形態(tài)異常等〔17〕。還有研究顯示，PD患者腦內(nèi)脂質(zhì)過氧化、ROS表達升高等氧化損傷現(xiàn)象明顯〔18〕。提示PD的發(fā)病機制與線粒體功能障礙有關(guān)。

LB的主要成分是α-突觸核蛋白(SNCA)，主要存在于神經(jīng)元的突觸前末梢〔19〕。SNCA的積累會損害Mt cpx1的功能〔20〕，致使從Mt cpx1到Mt cpx3的電子傳遞活性受損，降低線粒體最大呼吸能力。SNCA的過表達還可能引發(fā)持續(xù)mtROS的積累，損害mtDNA，線粒體質(zhì)量減少〔21〕。Fu等〔21〕實驗發(fā)現(xiàn)在SNCA積累增加的早期階段，Nrf2的含量升高。細(xì)胞核內(nèi)Nrf2的上調(diào)實際上是對SNCA誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的反應(yīng)，旨在加速SNCA積累的清除〔22〕，保護線粒體功能免受氧化應(yīng)激的損傷，減少線粒體質(zhì)量的退減。此外，有報道稱Nrf2激活劑在PD的MPTP模型中具有神經(jīng)保護作用〔23～25〕，且Nrf2的缺乏會增加對復(fù)合物Ⅰ抑制劑的敏感性〔21〕，提示在PD中Nrf2發(fā)揮重要的保護線粒體功能的作用。有報道稱，在PD模型的細(xì)胞中存在線粒體腫大、水腫的現(xiàn)象，表明線粒體清除失敗是PD發(fā)病機制之一。滲透性轉(zhuǎn)變以誘導(dǎo)細(xì)胞死亡是當(dāng)線粒體完整性喪失無法修復(fù)時維持線粒體完整性的一種方式〔26〕。用異硫氰酸酯硫噴素誘導(dǎo)Nrf2可對受再調(diào)節(jié)的滲透率過渡產(chǎn)生抗性〔27，28〕。因此，PD中線粒體生物發(fā)生的調(diào)節(jié)與Nrf2相關(guān)。

2.3Nrf2在亨廷頓病(HD)中對線粒體的調(diào)節(jié) HD是一種因四號染色體亨廷頓蛋白(HTT)基因中多態(tài)性三核苷酸重復(fù)序列(CAG)n的病理性擴增引起的進行性常染色體顯性遺傳病〔29〕。其以紋狀體和大腦皮層退化為病理特征，以肌張力障礙、非自主肢體舞蹈樣運動和認(rèn)知障礙為主要臨床表現(xiàn)。現(xiàn)有的許多研究均表明線粒體功能障礙可能是HD的發(fā)病機制之一。喹啉酸(QA)作為一種HD小鼠模型的造模劑，可使大鼠的紋狀體線粒體嵴結(jié)構(gòu)發(fā)生異常〔30〕。有報道顯示，未表現(xiàn)出運動障礙癥狀的HD患者的紋狀體消耗和攝取葡萄糖的能力較弱〔31〕，且基底節(jié)和皮層線粒體對丙酮酸的利用率較弱〔32〕，提示HD患者體內(nèi)線粒體ATP的生成能力較弱。PGC-1α作為一種轉(zhuǎn)錄激活因子可誘導(dǎo)線粒體的生物合成，在HD患者體內(nèi)的PGC-1α的表達水平較正常偏低〔33，34〕。N-乙酰天冬氨酸(NAA)在神經(jīng)元中含量較高，其代謝情況可反映神經(jīng)元中線粒體的功能狀況，而在HD患者丘腦和基底節(jié)區(qū)出現(xiàn)NAA缺失〔35，36〕。一些抗氧化蛋白，如谷胱甘肽過氧化物酶，H2O2酶和超氧化物歧化酶(但不是所有ARE基因產(chǎn)物)，在人類HD腦中增加〔37〕，提示Nrf2在HD患者中并未完全激活也并未完全抑制，處于一種部分抑制的狀態(tài)，僅有部分活化以應(yīng)對線粒體氧化應(yīng)激造成的損傷。此外，對HD小鼠模型進行Nrf2藥物刺激以對抗氧化應(yīng)激是有效的〔38，39〕，進一步表明Nrf2可作為HD治療的新靶點。

綜上，線粒體作為動力工廠，在神經(jīng)元的衰老與凋亡中發(fā)揮著重要作用。Nrf2影響線粒體生理學(xué)的許多方面，包括線粒體生物發(fā)生、呼吸、ATP生產(chǎn)、氧化還原穩(wěn)態(tài)及這種必需細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)完整性和動態(tài)。如今，Nrf2的激活已成為預(yù)防和治療神經(jīng)退行性疾病的熱門方向，越來越多的Nrf2的激活劑被發(fā)現(xiàn)。但如何有效控制Nrf2的激活量，使其在臨床預(yù)防和治療神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮恰當(dāng)作用將成為當(dāng)下及未來的研究發(fā)展趨勢。