Nrf2在多器官保护中的作用研究进展

【摘要】  细胞需要面对包含活性氧族和亲电子剂等多种微环境损害,它们通过多种机制应对有毒或致癌物质的损伤。其中最重要的细胞防御机制是通过转录因子Nrf2(nuclear factorerythroid 2 p45related factor 2)调节的。大量的研究均证实,Nrf2能够抵御广谱的毒性物质和致病原对细胞的损伤。Nrf2介导的细胞保护反应无细胞特异性和器官特异性,Nrf2可保护肺脏、肝脏、消化道、神经系统和心血管系统等多种器官或组织。因此,Nrf2在多器官保护中具有巨大的治疗潜力。

【关键词】  Nrf2;多器官保护

　　Role of Nrf2 in multiorgan protection

　　ZHANG Lingmin1,ZHANG Mingxin2,JING Guixia1

　　(First Affiliated Hospital of Medical School,X'an Jiaotong University,1.Department of Anaesthesiology,2.Department of Oncosurgery,Xi’an Shanxi 710061,China)

　　【Abstract】 Since cells constantly encounter various microenvironment insults induced by reactive oxygen species or electrophiles,they have evolved defense mechanisms to cope with these injuries.One of the most important cellular defense mechanisms is mediated by the transcription factor Nrf2.Numerous studies have shown that Nrf2 protects many cell types and organ systems,including lung,liver,digestive gut,neural system,cardiovascular system,and so on,from a broad spectrum of toxic insults and disease pathogenesis in a cell or organ independent way.The widespread nature of Nrf2 may have an important therapeutic potential in multiorgan protection.

　　【Key words】 Nrf2;multiorgan protection

　　细胞间质及其中的体液成分,参与构成细胞生存的微环境,微环境的稳定是保持细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动的重要条件,微环境成分的异常变化可使细胞发生病变。类似于细胞环境酸碱平衡,细胞氧化还原稳态也是细胞内外环境稳态的一部分。细胞也存在类似于酸碱缓冲对一样的氧化还原缓冲对(氧还对),如各种抗氧化氧化物质的还原型/氧化型氧还对等。无论是正常细胞还是肿瘤细胞都趋于维持还原稳态以保证自身的生长及增殖,而Nrf2在这种稳态的维持中起关键作用[1]。

　　活性氧族和亲电子剂引起的细胞损伤可包括癌症、自身免疫性疾病、神经退行性疾病等的多种疾病;这些毒性物质通常被Ⅱ相解毒酶和抗氧化蛋白解毒。因此,转录调节编码Ⅱ相解毒酶和抗氧化蛋白基因的顺式作用调节元件抗氧化反应元件(ARE)在细胞防御体系中作用重大。总之,研究发现ARE驱动的Ⅱ相解毒酶诱导表达有一条共同通路,通过对ARE相结合的转录因子的研究发现了Nrf2。后续对Nrf2基因敲除的小鼠研究确定了Nrf2在调节Ⅱ相解毒酶和内源性抗氧化剂表达的中枢作用。在Nrf2敲除的小鼠中,正常情况和诱导情况下的Ⅱ相酶水平如谷胱甘肽 S转移酶(GST)、还原型辅酶Ⅰ醌类氧化还原酶(NQO1)、γ谷氨酰半胱氨酸合成酶(γGCS)显著减少[2]。Venugopal等[3]和Itoch等[4]最先研究了Nrf2在ARE驱动基因表达机制中的功能及Nrf2激活并参与ARE驱动的基因表达的分子机制。进一步的研究报道显示,Nrf2在多环境下(致癌物、亲电子物质、活性氧族、柴油机废气、炎症、钙紊乱、紫外线和香烟烟油)的多器官保护(肺脏、肝脏、肾脏、胃、小肠、中枢神经系统、脾脏细胞、巨噬细胞、红细胞和视网膜上皮)中起关键作用[5]。

　　1 Nrf2及其调控机制

　　1.1 Nrf2的基本结构

　　Nrf2于1994年由Moi等[6]作为结合在β珠蛋白基因启动子NFE2重复序列的因子被克隆出。属于转录因子CNC家族,含有亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZip)结构。Nrf2基因含有多个同源结构域,分别命名为Neh16.Neh1有一个CNC型样的亮氨酸拉链结构,是Nrf2与DNA结合及与其他转录因子形成二聚体的必要条件[7]。Neh2位于N端,包含数个可与泛素结合的赖氨酸残基,从而介导蛋白酶对Nrf2的降解以实现Nrf2活性的负性调节;此外,Neh2还可以与Keap1的Kelch结构域结合[8]。C端的Neh3对于维持Nrf2的转录活性必不可少。Neh4和Neh5是两个富含酸性残基的独立转录结构域,可以和CREB 结合蛋白(CBP)相互作用[9]。Neh6含有大量的丝氨酸残基,但精确功能未知。

　　1.2 Nrf2的调控机制

　　Nrf2的活性由负性调节蛋白Keap1精确调控。Keap1被认为是通过分别与肌动蛋白细胞骨架和Nrf2相结合从而将Nrf2限制于细胞质中。当细胞暴露于氧化应激或者化学预防剂时,Nrf2从Keap1中解离,易位至细胞核,与Maf结合成异二聚体,进一步激活了ARE介导的下游基因表达。研究[1011]证实Keap1的作用不仅仅是将Nrf2固定在细胞质,而且在靶向Nrf2泛素化和蛋白酶降解中也起积极作用。体内外研究均对Nrf2Keap1的分离模型进行了验证[8,12]。虽然Keap1介导的泛素化及降解是控制Nrf2活性的主要途径,但仍存在其他的调控模式,主要包括亚细胞定位、转录后修饰及磷酸化,具体机制仍在研究中[8,1314]。

　　2 Nrf2的多器官保护作用

　　在细胞微环境的动态平衡中会产生的大量的活性亲电子物质或氧化应激,直接或间接干扰DNA、蛋白质等生物大分子的生理功能,从而产生多种器官的病理损伤,如不同器官肿瘤的形成过程便是多基因突变和其他生物大分子改变积累的结果。为了对抗微环境中的各种损伤,细胞在进化过程中获得防御这些毒性作用的复杂机制,其中最重要的细胞防御机制便是通过转录因子Nrf2调节的。Nrf2最开始被确认具有预防肿瘤功能,通过诱导Ⅱ相酶和内源性抗氧化剂的表达灭活有致癌活性的中间物。新近的微点阵技术为研究Nrf2调控的基因表达谱提供了有力的工具。微点阵分析的数据证实Nrf2能够调控一系列的基因,功能远不止Ⅱ相酶和内源性抗氧化剂。Nrf2的下游基因可以根据功能分为以下几大类:细胞氧化还原稳态、细胞生长和凋亡、炎症反应以及泛素介导的降解途径[15]。精确调控诱导这些蛋白表达,也就是所谓的Nrf2介导的防御反应,对于细胞对抗外源性致伤因素的不利作用和维持细胞氧化还原稳态至关重要。既然活性氧族与多种人类疾病的病理相关,因此可以推测Nrf2具有除化学预防的多种作用。实际上,越来越多的证据证实了Nrf2对抗多种疾病的病理状态的多器官保护作用,如肺纤维化和急性肺损伤、肺气肿、哮喘、阿尔茨海默病、帕金森病、脑缺血、老化和心血管疾病、炎症、狼疮样自身免疫性肾炎和黄斑变性等[1]。

　　2.1 肺脏

　　微点阵分析确认了肺脏中Nrf2依赖的抗氧化和细胞保护基因包含几乎所有的抗氧化酶,如血红素氧合酶1(hemeoxygenase1,HO1)和一些GST家族的成员[16]。Nrf2可通过增加解毒和抗氧化能力保护肺脏抵御二丁基羟基甲苯诱导的急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、高氧损伤和博来霉素介导的肺纤维化[17]。近来的研究进一步证实,基因敲除Nrf2(Nrf2-/-)的小鼠对香烟烟油诱导的肺气肿[18]、卵清蛋白(ovalbumin,OVA)诱导的哮喘[19]、柴油机排出颗粒物(diesel exhaust particle,DEP)诱导的气道炎症[20]等肺部疾病的易感性。

　　2.2 肝脏和胃肠道

　　Nrf2在肝脏和胃肠道保护中也起作用。Nrf2-/-鼠对于对乙酰氨基酚诱导的小叶中心型肝细胞坏死和肝毒性、苯并[a]芘诱导的肿瘤形成以及Fas和TNFα介导的肝细胞凋亡等疾病的敏感性增加,而且脂质过氧化和DNA损伤的水平增加,Nrf2-/-小鼠对化学毒性的高敏感性部分源于解毒酶的基础和诱导表达的减少。同时,Nrf2在抵御缺血再灌注损伤、肝纤维化、胆结石、细胞色素P450 2E1相关的氧化应激、环境毒物和重金属相关疾病及畸变隐窝等疾病中也起重要作用[20]。

　　2.3 肾脏

　　Nrf2介导的Ⅱ相解毒酶和抗氧化剂的表达在防御药物性肾损伤和缺血再灌注肾损伤等方面具有重要作用。多种药物尤其是化疗药在大剂量使用时均会引起肾毒性的副作用,其中顺铂是代表性药物。研究表明,氧化性损伤是顺铂肾毒性的主要机制之一。Park等[21]通过引入Ⅱ相酶诱导剂3H1,2dithiole3thione(D3T)激活Nrf2信号途径改善了顺铂引起的肾毒性。肾脏的缺血再灌注损伤主要发生在肾脏移植、休克和血管手术等疾病或外科手术中,Yoon等[22]研究Nrf2诱导剂莱菔硫烷能够诱导Nrf2介导的HO1、NAD(P)H:醌氧化还原酶1[NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1,NQO1]、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)的表达,防御缺血再灌注肾损伤。

　　2.4 心脏

　　与肝脏和肾脏相似,心脏的氧化还原损伤主要是缺血再灌注损伤。Nrf2作为内源性抗氧化途径的中枢转录因子可调节抗氧化剂和Ⅱ相酶的表达,可作为心脏保护的靶点之一[23]。但PurdomDickinson等[24]研究发现:H2O2预处理的心肌细胞能够引起Nrf2及其下游基因表达,并可保护细胞抵抗阿霉素诱导的凋亡,而通过腺病毒介导的Nrf2基因转染增加了心肌细胞的NQO1的表达,但抵抗阿霉素诱导凋亡的能力却没有相应的增加,说明在心脏保护中只是部分依赖于Nrf2信号途径。心脏保护的模式及靶点还有待于进一步探索。

　　2.5 神经系统

　　Nrf2ARE信号途径在神经保护方面也显示出作用。叔丁基对苯二酚(tBHQ)激活的Nrf2ARE信号途径能保护成神经细胞瘤细胞免受氧化性谷氨酸盐的毒性和双氧水诱导的凋亡。原代培养的Nrf2-/-的小鼠的星形胶质细胞和神经元较之野生型细胞,对氧化损伤、钙离子紊乱和线粒体毒性更加易感[25]。Hwang等[26]发现咖啡白脂(kahweol)预处理的神经细胞能够激活Nrf2及其下游的HO1的表达,保护神经细胞免受帕金森相关神经毒素6OHDA(6hydroxydopamine)的损伤,且能够被PI3K和p38的抑制剂所抑制,说明了PI3K和p38在Nrf2介导的神经保护中的重要作用。

　　2.6 其他

　　Nrf2还被证实在多种细胞和器官中具有保护效应。莱菔硫烷诱导的Ⅱ相酶基因表达保护视网膜色素上皮细胞免受光氧化伤害[27],而且Nrf2在巨噬细胞和上皮细胞防御柴油机废气化学物质方面起重要作用[28]。此外,Nrf2被认为在创伤愈合和角质细胞分化中发挥作用[29]。最后,Nrf2-/-的小鼠易罹患狼疮样自身免疫性肾炎、自身免疫病、溶血性贫血和脾大[5]。

　　3 展望

　　总之,大量研究证实Nrf2能够保护不同类型的器官和细胞。这就提出了一个问题:单个蛋白如何能够保护多器官免受多种毒性物质的损伤?Lee等[5]对可能的机制进行了分析:Nrf2的细胞防御反应不仅通过调节经典的ARE介导的相关基因表达,而且还与不同细胞在不同环境下的防御体系中的细胞特异性的靶基因的表达有关,这种设想被组织芯片分析证实。Nrf2的这种广谱特性使Nrf2对于多器官疾病具有巨大的治疗潜力。相信随着Nrf2研究的进一步加深,多器官保护剂Nrf2的应用模式也将不断进步,从而使器官损伤的预防成为可能。

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