徐倩 李倩倩 石廣霞 劉存志

Nrf2-ARE通路與中樞系統(tǒng)疾病關(guān)系的最新研究進(jìn)展

徐倩 李倩倩 石廣霞 劉存志

Nrf2-ARE通路是體內(nèi)內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)中的一條通路。核細(xì)胞因子Nrf2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2)和它的胞質(zhì)接頭蛋白 Keap1 (kelch-like ECH-associated protein1)是細(xì)胞抗氧化反應(yīng)的中樞調(diào)節(jié)者,Nrf2 通過與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element,ARE)相互作用,誘導(dǎo)編碼抗氧化酶和Ⅱ相解毒酶的表達(dá),在細(xì)胞的防御保護(hù)中發(fā)揮重要作用[1]。

1 Nrf2的基本結(jié)構(gòu)

Nrf2/ECH(NF-E2-related factor2/Chick enerythroid-derived CNC-homology factor) 屬于CNC(cap-n-collar)轉(zhuǎn)錄因子家族成員。Nrf2含有6個(gè)不同的功能區(qū),分別被命名為Neh1 到Neh6(Nrf2-ECH homology)[2]。Neh1 區(qū)中有一個(gè)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)bZIP[leucime zipper(bZIP)],bZIP與小Maf 蛋白(small,Maf proteins,包括MafG、MafK、MafF)形成異二聚體是Nrf2識(shí)別ARE上DNA基序(GCTGAGTCA)并與之結(jié)合、啟動(dòng)目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄的重要前提。Neh2區(qū)是Nrf2與胞漿蛋白Keap1結(jié)合區(qū),Neh2上的ETGE基序在這一過程中有重要作用,ETGE缺失或突變會(huì)解除與Nrf2-Keap1的相互作用[3]。Neh1 與Neh2之間為2個(gè)激活區(qū)Neh4和Neh5。Neh4和Neh5與共激活因子CREB結(jié)合蛋白CBP結(jié)合會(huì)促使CBP協(xié)同參與對(duì)Nrf2目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄活性的激活[4]。

2 Nrf2-ARE通路的調(diào)控機(jī)制

Nrf2通路是體內(nèi)關(guān)鍵內(nèi)源性氧化還原通路之一。正常情況下,Nrf2與胞漿蛋白伴侶分子Keap1錨定在胞漿內(nèi),使其活性處于相對(duì)抑制狀態(tài);發(fā)生氧化應(yīng)激時(shí),Keap1可以作為一個(gè)氧化還原敏感調(diào)節(jié)器釋放Nrf2,解離后進(jìn)入細(xì)胞核,在核內(nèi)基因啟動(dòng)子區(qū)與ARE結(jié)合,啟動(dòng)受ARE 調(diào)控的NQO1的轉(zhuǎn)錄。Nrf2信號(hào)可以根據(jù)細(xì)胞內(nèi)氧化還原水平的改變而快速啟動(dòng)或關(guān)閉,其介導(dǎo)的保護(hù)作用主要通過下調(diào)膠質(zhì)細(xì)胞的活化實(shí)現(xiàn),而小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中氧自由基(ROS)的主要來源[5]。Ⅱ相酶主要包括:血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1,HO-1),谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶族(glutathione S-transferases,GSTs)和NAD(P)H醌氧化還原酶1 [NAD(P)H quinoneoxidoreductase1,NQO1〗。 它們協(xié)同構(gòu)成多效的細(xì)胞內(nèi)抗氧化及解毒防御體系,清除 ROS,驅(qū)除內(nèi)源性及外源性化學(xué)物質(zhì)引起的細(xì)胞毒作用,維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原電位[6]。Itoh等[7]利用Nrf2基因敲除小鼠,證實(shí)了Nrf2與ARE之間的相互作用,以及對(duì)于下游轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的影響。Nrf2可誘導(dǎo)抗氧化酶基因,從而抑制活性氧ROS介導(dǎo)的星形細(xì)胞凋亡。

3 Nrf2-ARE通路與中樞系統(tǒng)疾病

自由基氧化應(yīng)激損傷學(xué)說是近年來研究的熱點(diǎn)[8]。對(duì)阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)等神經(jīng)退行性疾病特定的遺傳和環(huán)境因素的研究表明,自由基增多、脂質(zhì)過氧化、鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)、細(xì)胞色素C釋放是氧化應(yīng)激增強(qiáng)的主要原因,最終導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡、死亡。氧化應(yīng)激的增強(qiáng)可能是這些神經(jīng)退行性疾病的基礎(chǔ)[9]。體內(nèi)外模型顯示,Nrf2-ARE通路能有效阻斷由于谷胱甘肽(GSH)消耗、脂質(zhì)過氧化、胞內(nèi)鈣超載、神經(jīng)興奮性毒素和線粒體電子傳遞鏈斷裂而致的神經(jīng)毒性,而且還能增加神經(jīng)元能量和氧化還原電位抑制性神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)和代謝過程[10]。

機(jī)體有一套復(fù)雜的氧化應(yīng)激應(yīng)答系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)自由基和有毒物質(zhì)的損害。當(dāng)暴露于親電子試劑或活性氧刺激時(shí),機(jī)體自身能誘導(dǎo)出一系列的保護(hù)性蛋白,以緩解細(xì)胞所受的損害[11]。這一協(xié)調(diào)反應(yīng)是由保護(hù)性蛋白DNA上游調(diào)節(jié)區(qū)的ARE 來調(diào)控的。DNA芯片檢測(cè)顯示,Nrf2在原代星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中上調(diào)ARE 調(diào)節(jié)的基因,除了基因調(diào)節(jié)之外,Nrf2還能夠調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞的還原電位、免疫及炎癥反應(yīng),以及培養(yǎng)神經(jīng)元中的 Ca2+穩(wěn)態(tài)、生長(zhǎng)因子、信號(hào)分子和受體通道[12]。而近年來的研究發(fā)現(xiàn),Nrf2通過與ARE相互作用調(diào)節(jié)編碼抗氧化蛋白,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最為重要的內(nèi)源性抗氧化應(yīng)激通路[13]。

3.1 ALS ALS首先由Jean-Martin Charcot醫(yī)生描述。顯著病理表現(xiàn)為選擇性運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡,臨床表現(xiàn)為肌肉跳動(dòng)、反射亢進(jìn)(上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受損)、無力、肌肉萎縮、癱瘓(下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷)等,最后由于呼吸衰竭而死亡。ALS中5%～10%由于家族遺傳引起。家族性ALS(fALS)中,Cu/Zn超氧化物歧化酶(SOD)突變占20%[14]。ALS可能的機(jī)制包括氧化應(yīng)激、谷氨酸興奮毒作用、異常蛋白聚集及炎癥等。研究表明,氧化應(yīng)激與以上多種致病機(jī)制有關(guān)[15]。Nrf2是近年發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞抵抗內(nèi)外界氧化和化學(xué)等刺激的關(guān)鍵因子,通過與ARE結(jié)合上調(diào)抗氧化基因的表達(dá),對(duì)抗氧化應(yīng)激。應(yīng)用Ⅱ相酶誘導(dǎo)劑干預(yù)ALS體外器官型脊髓培養(yǎng)模型,可激活Nrf2/ARE通路,誘導(dǎo)NQO1、HO1等表達(dá)上調(diào),降低氧化應(yīng)激水平,對(duì)THA誘導(dǎo)的選擇性運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷具有明顯保護(hù)作用[16]。

Sarlette等[17]的研究表明,ALS患者運(yùn)動(dòng)皮層和脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元內(nèi)的Nrf2蛋白和mRNA表達(dá)均明顯下降,在大鼠ALS模型中也觀察到明顯的HO1的上升,但是HO1的保護(hù)作用極其有限,僅在起病階段有作用。Nrf2/ARE通路激活可通過對(duì)抗氧化應(yīng)激、降低谷氨酸毒性、增強(qiáng)蛋白酶功能及抗炎等,多靶點(diǎn)發(fā)揮神經(jīng)元保護(hù)作用。SOD1/G93A轉(zhuǎn)基因小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞選擇性過表達(dá)Nrf2可以增加神經(jīng)元的抗氧化損傷能力,推遲SOD1/G93A轉(zhuǎn)基因小鼠起病時(shí)間,延長(zhǎng)生存期[18]。

3.2 PD PD是一種中老年人常見的運(yùn)動(dòng)障礙性疾病,又稱震顫麻痹,其病理特征為黑質(zhì)致密區(qū)多巴胺能神經(jīng)元變性缺失和路易小體形成,臨床主要表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩等癥狀。PD患者的黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元進(jìn)行性減少,其病理生理過程包括線粒體復(fù)合體Ⅰ活性的降低,脂質(zhì)、蛋白及DNA氧化物的增加[19]。

Dietz等[20]對(duì)PD患者死后解剖發(fā)現(xiàn),Nrf2主要分布在黑質(zhì)的神經(jīng)元細(xì)胞核內(nèi),處于激活狀態(tài)。研究證實(shí),PD病變機(jī)制中存在著氧化應(yīng)激 Keap1-Nrf2-ARE 信號(hào)通路的改變。GSH 是細(xì)胞內(nèi)主要的巰基抗氧化劑, PD 患者中,Nrf2的靶點(diǎn)GSH 和 Q10 水平均降低,表明 PD 中 Nrf2 應(yīng)答反應(yīng)減弱或缺失[21]。而Ramsey等[22〗的研究發(fā)現(xiàn),a-synuclein和Nrf2缺失導(dǎo)致的神經(jīng)炎性反應(yīng)、神經(jīng)元衰亡和蛋白質(zhì)的異常聚集是早期PD患者的病理表現(xiàn)。

3.3 AD AD是最多見的腦變性疾病,以進(jìn)行性腦功能失調(diào)為特征表現(xiàn),主要表現(xiàn)為記憶、認(rèn)知、語言和行為障礙以及人格改變等。確診后,病人的平均存活時(shí)間為8～10年。到目前為止,還沒有有效的治療措施[23]。AD主要的病理變化為老年斑(SP)和神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)及神經(jīng)元丟失。NFT主要由過磷酸化tau纏結(jié)后形成,與AD 腦組織神經(jīng)元減少直接相關(guān)[24]。

Smith等[24]的實(shí)驗(yàn)表明氧化損傷發(fā)生在 AD 的早期,在 NFT 和SP出現(xiàn)之前就已出現(xiàn)。在 AD 患者腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)了過氧化亞硝酸鹽,進(jìn)一步證明了氧化應(yīng)激與 AD 的病理改變直接相關(guān)。Nrf2是細(xì)胞調(diào)節(jié)抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子,在調(diào)控細(xì)胞對(duì)抗外來異物和氧化損傷方面起重要作用[25]。在AD患者海馬中,Nrf2的表達(dá)明顯下降。Choudhry 等[26]發(fā)現(xiàn)在AD轉(zhuǎn)基因大鼠中,Nrf2的表達(dá)較正常大鼠減少一半,同時(shí)伴有Aβ的聚集。近年研究發(fā)現(xiàn),激活Nrf2-ARE通路可以減輕Aβ介導(dǎo)的神經(jīng)功能障礙以及神經(jīng)毒性,而Nrf2能夠通過抑制氧化應(yīng)激減少Aβ聚集來發(fā)揮保護(hù)作用[27]。

4 小結(jié)

自由基和氧化應(yīng)激在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用,然而一些外源性抗氧化劑的使用并沒有達(dá)到預(yù)期的效果[28-29],內(nèi)源性抗氧化通路Nrf2-ARE由于在調(diào)控細(xì)胞抗氧化解毒抗炎中的核心作用,已越來越引起研究人員的重視。Nrf2介導(dǎo)的細(xì)胞防御機(jī)制在對(duì)抗各種環(huán)境應(yīng)激和內(nèi)源性應(yīng)激的反應(yīng)中均能起效,是參與保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要效應(yīng)分子,但其具體保護(hù)機(jī)制還有待進(jìn)一步闡明。雖然現(xiàn)在已有為數(shù)不少的Nrf2激動(dòng)劑,但尋找對(duì)人體安全有效且能順利透過血腦屏障的藥物仍是一大挑戰(zhàn)。深入研究Nrf2在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制,以及抗氧化作用的機(jī)制,尋找有效的抗氧化機(jī)制激活靶點(diǎn)或藥物,將為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治提供一條新的途徑。

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