Nrf2/HO-1通路在氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)中的作用

于馨雅 申元英 郭 樂(lè)

氧化應(yīng)激被定義為活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生和內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)之間的失衡。生理?xiàng)l件下,細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生少量的ROS,這些ROS在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮作用,很容易被抗氧化防御系統(tǒng)還原。然而,在病理生理?xiàng)l件下,ROS的產(chǎn)生超過(guò)了抗氧化防御系統(tǒng)的緩沖能力,會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)過(guò)氧化、DNA損傷,最終造成不可逆的細(xì)胞損傷和死亡。

炎癥是對(duì)有害刺激和某些條件(如感染或組織損傷)的適應(yīng)性反應(yīng),炎性細(xì)胞可產(chǎn)生可溶性介質(zhì),如花生四烯酸代謝產(chǎn)物、細(xì)胞因子和趨化因子等,它們的作用是進(jìn)一步將炎性細(xì)胞招募到損傷部位并產(chǎn)生更多的活性物質(zhì)。這些關(guān)鍵介質(zhì)可激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián),并誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子的變化,從而加重氧化損傷。另外,環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2, COX-2)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的誘導(dǎo)表達(dá),腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6, IL-6)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein, MCP-1)等的異常表達(dá),以及特異性microRNA的改變也參與了氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的炎性反應(yīng)[1]。

研究表明,核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2/血紅素加氧酶-1(nuclear factor erythroid-2-related factor 2/heme oxygenase 1, Nrf2/HO-1)通路在氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)的發(fā)生與調(diào)控中起重要作用,也是目前國(guó)內(nèi)外氧化應(yīng)激和炎性疾病發(fā)生、發(fā)展機(jī)制中的研究熱點(diǎn)。

一、Nrf2/HO-1信號(hào)通路

Nrf2是體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)因子,參與多種細(xì)胞內(nèi)防御機(jī)制相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。生理狀態(tài)下,Nrf2與Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein-1, Keap1)以復(fù)合體形式存在于細(xì)胞質(zhì)中并處于惰性狀態(tài),當(dāng)受到氧化應(yīng)激刺激時(shí),過(guò)量的ROS使Nrf2與Keap1解離進(jìn)入細(xì)胞核,通過(guò)抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element, ARE)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)解毒酶和抗氧化蛋白的基因表達(dá),從而促進(jìn)細(xì)胞解毒過(guò)程和抗氧化潛能[2]。Nrf2依賴ARE驅(qū)動(dòng)的基因編碼解毒和抗氧化酶包括NAD(P)H:醌氧化還原酶1(NQO1)、谷氨酸半胱氨酸連接酶催化亞基和修飾亞基,以及HO-1[3]。

HO-1是Nrf2下游的靶蛋白,能降解血紅素釋放膽綠素、CO和亞鐵離子。HO-1及其產(chǎn)物通過(guò)保護(hù)氧化損傷、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)以及促進(jìn)血管生成而發(fā)揮有益的作用[4]。生理狀態(tài)下,HO-1的表達(dá)較低,當(dāng)組織細(xì)胞受到血紅素、一氧化氮、重金屬、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子等刺激而處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí),HO-1可通過(guò)Nrf2的調(diào)控進(jìn)行應(yīng)答,表達(dá)量高度上調(diào),表現(xiàn)出明顯的抗氧化作用。

Nrf2/HO-1通路被認(rèn)為是抗NF-κB誘導(dǎo)的炎癥的上游分子之一,完整的Nrf2/HO-1通路發(fā)揮抗氧化、抗炎、維持線粒體穩(wěn)態(tài)、抑制細(xì)胞凋亡、調(diào)控細(xì)胞焦亡等多種效應(yīng),最終影響疾病的轉(zhuǎn)歸(圖1)。

圖1 Nrf2/HO-1信號(hào)通路

二、Nrf2/HO-1通路的作用機(jī)制

1.抗氧化與抗炎:研究表明,芍藥苷通過(guò)抑制NF-κB通路和激活Nrf2/HO-1通路來(lái)減輕脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導(dǎo)的人克隆結(jié)腸腺癌細(xì)胞炎性反應(yīng)[5]。Wang等[6]研究證實(shí)了蛆提取物通過(guò)降解Keap1和激活Nrf2減輕LPS誘導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎的炎癥和氧化應(yīng)激。

2.維持線粒體穩(wěn)態(tài):線粒體是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所,也是細(xì)胞內(nèi)ROS的主要來(lái)源。Nrf2/HO-1通路的激活可能在維持糖尿病患者線粒體穩(wěn)態(tài)方面起到重要作用,有望成為防治或延緩糖尿病患者視網(wǎng)膜病變進(jìn)展的重要靶點(diǎn)[7]。Li等[8]通過(guò)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)了磷酸肌酸通過(guò)Nrf2/HO-1通路使線粒體功能正?；⒔档脱趸瘧?yīng)激,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

3.調(diào)節(jié)Ca2+濃度:細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度過(guò)高會(huì)通過(guò)細(xì)胞內(nèi)鈣超載、鈣依賴降解酶的激活和細(xì)胞凋亡等多種機(jī)制導(dǎo)致氧化應(yīng)激和機(jī)體功能障礙。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),κ阿片受體激動(dòng)劑U50488H通過(guò)激活Nrf2/HO-1通路抑制Ca2+內(nèi)流,改善心力衰竭大鼠心肌細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,從而減輕心肌損傷[9]。Park等[10]研究證實(shí),異槲皮苷和槲皮素通過(guò)Nrf2/HO-1通路恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)ROS水平和調(diào)節(jié)Ca2+濃度等,顯著抑制谷氨酸誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化死亡。Ca2+是機(jī)體各項(xiàng)生理活動(dòng)不可缺少的離子,Nrf2/HO-1通路通過(guò)對(duì)其調(diào)節(jié)可能參與凝血、肌細(xì)胞收縮、調(diào)節(jié)酶活性等多種重要的生命活動(dòng),從而在相關(guān)疾病中顯示出潛在的治療作用。

4.調(diào)控鐵死亡:鐵死亡是一種調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡,是鐵依賴和半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase)非依賴的非凋亡性細(xì)胞死亡,與ROS的產(chǎn)生密切相關(guān)。Chen等[11]研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1通過(guò)Nrf2/HO-1信號(hào)通路有效地改善了葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎。同樣,Li等[12]研究發(fā)現(xiàn),另一種鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1通過(guò)激活Nrf2/HO-1通路下調(diào)TGF-β1來(lái)緩解放射性肺纖維化?；谏鲜鲅芯磕軌虬l(fā)現(xiàn),Nrf2/HO-1通路對(duì)鐵死亡具有抑制作用。

5.抑制細(xì)胞凋亡:細(xì)胞凋亡是指細(xì)胞內(nèi)的死亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)被特定信號(hào)觸發(fā)所致的生理或病理性、主動(dòng)性的死亡過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn),Sirt5蛋白可能通過(guò)調(diào)節(jié)Nrf2/HO-1通路和B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)來(lái)減輕順鉑誘導(dǎo)的人腎近曲小管上皮細(xì)胞-2的凋亡和線粒體損傷[13]。Zhang等[14]研究認(rèn)為,蓮房原花青素通過(guò)調(diào)節(jié)Nrf2/HO-1通路的激活而增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化防御能力,并參與抑制線粒體介導(dǎo)的凋亡信號(hào)通路。Nrf2/HO-1通路與細(xì)胞凋亡的密切關(guān)系為氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)提供了潛在的研究方向。

6.調(diào)控細(xì)胞焦亡:細(xì)胞焦亡又稱細(xì)胞炎性壞死,是一種依賴caspase-1的程序性細(xì)胞壞死,主要表現(xiàn)為細(xì)胞滲透壓改變、細(xì)胞膜破裂、炎性物質(zhì)釋放,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。炎性小體是炎癥的中心調(diào)節(jié)器,越來(lái)越多的證據(jù)表明,Nrf2和炎性小體在不同水平上存在交聯(lián)。如Huang等[15]研究發(fā)現(xiàn),Nrf2的激活和HO-1的誘導(dǎo)可以抑制NLRP3(nucleotide-binding and oligomerization domain-like receptor thermal protein domain associated protein 3)炎性小體,從而抑制焦亡。同時(shí),近年來(lái)有研究發(fā)現(xiàn),和厚樸酚通過(guò)激活Nrf2抑制人支氣管上皮細(xì)胞中NLRP3、caspase-1、Gasdermin D等的表達(dá),從而抑制NLRP3炎性小體介導(dǎo)的焦亡,減輕氧化應(yīng)激,進(jìn)而減輕LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷[16]。

7.調(diào)控細(xì)胞自噬:自噬是調(diào)節(jié)體內(nèi)環(huán)境的一種天然保護(hù)機(jī)制,當(dāng)受到外部傷害性刺激時(shí),適當(dāng)?shù)卣T導(dǎo)自噬可以減少對(duì)機(jī)體的傷害。研究表明,亞砷酸鹽通過(guò)PI3K/Akt途徑促進(jìn)Nrf2和下游mTOR的上調(diào),繼而抑制自噬[17]。此外,還有研究發(fā)現(xiàn),西格列汀通過(guò)激活A(yù)MPK/mTOR和Nrf2/HO-1通路,提高自噬/凋亡率,減輕鎘所致的睪丸損傷[18]。總之,該通路的活化程度對(duì)自噬的調(diào)節(jié)效果不同,進(jìn)而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不同效應(yīng)。

三、Nrf2/HO-1通路在各系統(tǒng)疾病中的作用

1.呼吸系統(tǒng):呼吸系統(tǒng)疾病是臨床上最常見(jiàn)的疾病之一,因此,其發(fā)病機(jī)制、診斷和治療值得進(jìn)一步研究。Wu等[19]研究指出,Nrf2/HO-1通路可以抑制LPS誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生,減少炎性介質(zhì)IL-1β和TNF-α的表達(dá),從而減輕肺損傷。急性呼吸窘迫綜合征是一種以進(jìn)行性呼吸困難、肺動(dòng)脈高壓、通透性肺水腫和肺微血栓形成為主要特征的臨床綜合征,而Nrf2/HO-1通路可以拮抗TNF-α介導(dǎo)的毛細(xì)血管內(nèi)皮損傷,從而改善毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能,降低毛細(xì)血管通透性,刺激內(nèi)皮細(xì)胞釋放大量抗炎性細(xì)胞因子。

2.心血管系統(tǒng):心血管疾病可導(dǎo)致心絞痛和呼吸急促,嚴(yán)重威脅著人類健康和生活質(zhì)量。Nrf2/HO-1通路已用于治療病毒性心肌炎、心肌缺血再灌注損傷等常見(jiàn)心血管疾病。Yang等[20]研究表明,蓮葉提取物(nelumbo nucifera leaf extract, NLE)具有抗動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)的作用,補(bǔ)充NLE可增加Nrf2及其下游靶點(diǎn)的表達(dá)。因此,利用其上調(diào)Nrf2的特性,NLE有望成為治療AS的潛在藥物。還有研究發(fā)現(xiàn),蕨麻提取物直接增強(qiáng)心肌細(xì)胞的內(nèi)源性抗氧化防御,并通過(guò)Nrf2/HO-1通路間接激活一氧化氮(NO)通路,從而緩解心律失常和心肌梗死。另外,一些研究表明,線粒體功能障礙可能導(dǎo)致心血管疾病的發(fā)展,如高血壓心臟病,而Nrf2/HO-1通路具有減輕線粒體損傷的作用,或許可以作為一種治療高血壓心臟病的方法。

3.消化系統(tǒng):對(duì)乙酰氨基酚(acetaminophen, APAP)所致的肝損傷對(duì)臨床來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn),Feng等[21]研究發(fā)現(xiàn),富甲烷生理鹽水可降低炎性細(xì)胞因子水平,抑制NF-κB的表達(dá),同時(shí)通過(guò)Nrf2/HO-1/NQO1信號(hào)通路及其下游產(chǎn)物的抗炎、抗氧化、抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和抗凋亡特性來(lái)預(yù)防APAP誘導(dǎo)的肝損傷。此外,Arab等[22]的研究揭示了達(dá)帕利嗪通過(guò)激活A(yù)MPK/mTOR和Nrf2/HO-1通路,抑制HMGB1/RAGE/NF-κB級(jí)聯(lián)反應(yīng),增強(qiáng)結(jié)腸自噬,抑制細(xì)胞凋亡,從而減輕大鼠實(shí)驗(yàn)性炎癥性腸病。通過(guò)上述研究可以看出,Nrf2/HO-1通路在消化系統(tǒng)不同疾病的轉(zhuǎn)歸中均能發(fā)揮作用,且其激活方式不同,提示該通路可能具有廣泛的結(jié)構(gòu)體系及與不同信號(hào)通路之間的交叉影響。

4.泌尿系統(tǒng):慢性腎臟疾病(chronic kidney disease, CKD)與心血管疾病交織在一起已成為全球健康問(wèn)題的主要負(fù)擔(dān)。Fan等[23]研究發(fā)現(xiàn),Sir6/Nrf2/HO-1通路可以減輕血管緊張素Ⅱ介導(dǎo)的DNA氧化損傷和足細(xì)胞損傷,從而在CKD中發(fā)揮保護(hù)作用。膜性腎病(membranous nephropathy, MN)是引起腎病綜合征的多種腎小球疾病之一。研究顯示,姜黃素通過(guò)調(diào)節(jié)PI3K/Akt/mTOR和Nrf2/HO-1通路誘導(dǎo)自噬,減輕腎臟氧化應(yīng)激,進(jìn)而顯著減輕MN的發(fā)生、發(fā)展。另外,Wang等[24]通過(guò)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激活Nrf2/HO-1可明顯減輕草酸誘導(dǎo)的氧化損傷和尿草酸鈣結(jié)石形成,這一結(jié)果可能為泌尿系結(jié)石的治療開(kāi)辟新的方向。

5.神經(jīng)系統(tǒng):阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一種起病隱匿、進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,主要發(fā)生于老年人群,且隨著年齡的增長(zhǎng),其患病率顯著升高,主要表現(xiàn)為記憶等認(rèn)知或行為改變。大量研究表明,氧化應(yīng)激是AD發(fā)病的一個(gè)重要的早期因素,并參與了淀粉樣蛋白的生成。Kong等[25]研究發(fā)現(xiàn),白藜蘆醇干預(yù)可降低腦組織中Nrf2的含量,增加核Nrf2含量和Nrf2核轉(zhuǎn)位率,同時(shí)上調(diào)HO-1的表達(dá),提示Nrf2/HO-1通路參與了AD的抗氧化防御機(jī)制。Park等[26]研究證實(shí),拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ抑制劑β-拉帕醌(β-lapachone)通過(guò)上調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的p-AMPK/Nrf2/HO-1信號(hào)通路,對(duì)神經(jīng)毒素MPTP誘導(dǎo)的帕金森病小鼠起到神經(jīng)保護(hù)作用。通過(guò)上述研究可以看出,Nrf2的調(diào)節(jié)作用已經(jīng)在幾種神經(jīng)退行性疾病中顯示出來(lái),而不僅僅是AD。

四、展 望

氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)相互作用、相互影響。Nrf2/HO-1通路在氧化應(yīng)激性疾病中的調(diào)控機(jī)制十分復(fù)雜,除抗炎和抗氧化作用外,還參與了線粒體穩(wěn)態(tài)的維持以及細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)。然而,Nrf2在人類疾病中扮演著復(fù)雜而多變的角色,不僅可以預(yù)防慢性病和癌癥的發(fā)生,還可以促進(jìn)癌細(xì)胞的存活,使腫瘤細(xì)胞對(duì)放化療產(chǎn)生耐藥性。Nrf2和HO-1的雙重作用表明,該信號(hào)通路的調(diào)節(jié)機(jī)制仍未完全闡明。因此,深入探究Nrf2/HO-1通路在氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)中的作用機(jī)制,可以為靶向藥物治療的研究提供分子基礎(chǔ),有助于實(shí)現(xiàn)Nrf2/HO-1通路在臨床藥物研究中的潛在價(jià)值。