Nrf2-ARE通路与中枢系统疾病关系的最新研究进展

徐倩 李倩倩 石广霞 刘存志

Nrf2-ARE通路与中枢系统疾病关系的最新研究进展

徐倩 李倩倩 石广霞 刘存志

Nrf2-ARE通路是体内内源性抗氧化系统中的一条通路。核细胞因子Nrf2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2)和它的胞质接头蛋白 Keap1 (kelch-like ECH-associated protein1)是细胞抗氧化反应的中枢调节者,Nrf2 通过与抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE)相互作用,诱导编码抗氧化酶和Ⅱ相解毒酶的表达,在细胞的防御保护中发挥重要作用[1]。

1 Nrf2的基本结构

Nrf2/ECH(NF-E2-related factor2/Chick enerythroid-derived CNC-homology factor) 属于CNC(cap-n-collar)转录因子家族成员。Nrf2含有6个不同的功能区,分别被命名为Neh1 到Neh6(Nrf2-ECH homology)[2]。Neh1 区中有一个亮氨酸拉链结构bZIP[leucime zipper(bZIP)],bZIP与小Maf 蛋白(small,Maf proteins,包括MafG、MafK、MafF)形成异二聚体是Nrf2识别ARE上DNA基序(GCTGAGTCA)并与之结合、启动目标基因转录的重要前提。Neh2区是Nrf2与胞浆蛋白Keap1结合区,Neh2上的ETGE基序在这一过程中有重要作用,ETGE缺失或突变会解除与Nrf2-Keap1的相互作用[3]。Neh1 与Neh2之间为2个激活区Neh4和Neh5。Neh4和Neh5与共激活因子CREB结合蛋白CBP结合会促使CBP协同参与对Nrf2目标基因转录活性的激活[4]。

2 Nrf2-ARE通路的调控机制

Nrf2通路是体内关键内源性氧化还原通路之一。正常情况下,Nrf2与胞浆蛋白伴侣分子Keap1锚定在胞浆内,使其活性处于相对抑制状态;发生氧化应激时,Keap1可以作为一个氧化还原敏感调节器释放Nrf2,解离后进入细胞核,在核内基因启动子区与ARE结合,启动受ARE 调控的NQO1的转录。Nrf2信号可以根据细胞内氧化还原水平的改变而快速启动或关闭,其介导的保护作用主要通过下调胶质细胞的活化实现,而小胶质细胞和星形胶质细胞是中枢神经系统中氧自由基(ROS)的主要来源[5]。Ⅱ相酶主要包括:血红素加氧酶1(heme oxygenase-1,HO-1),谷胱甘肽-S-转移酶族(glutathione S-transferases,GSTs)和NAD(P)H醌氧化还原酶1 [NAD(P)H quinoneoxidoreductase1,NQO1〗。 它们协同构成多效的细胞内抗氧化及解毒防御体系,清除 ROS,驱除内源性及外源性化学物质引起的细胞毒作用,维持细胞内的氧化还原电位[6]。Itoh等[7]利用Nrf2基因敲除小鼠,证实了Nrf2与ARE之间的相互作用,以及对于下游转录因子表达的影响。Nrf2可诱导抗氧化酶基因,从而抑制活性氧ROS介导的星形细胞凋亡。

3 Nrf2-ARE通路与中枢系统疾病

自由基氧化应激损伤学说是近年来研究的热点[8]。对阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)等神经退行性疾病特定的遗传和环境因素的研究表明,自由基增多、脂质过氧化、钙稳态失调、细胞色素C释放是氧化应激增强的主要原因,最终导致神经元凋亡、死亡。氧化应激的增强可能是这些神经退行性疾病的基础[9]。体内外模型显示,Nrf2-ARE通路能有效阻断由于谷胱甘肽(GSH)消耗、脂质过氧化、胞内钙超载、神经兴奋性毒素和线粒体电子传递链断裂而致的神经毒性,而且还能增加神经元能量和氧化还原电位抑制性神经递质信号和代谢过程[10]。

机体有一套复杂的氧化应激应答系统来应对自由基和有毒物质的损害。当暴露于亲电子试剂或活性氧刺激时,机体自身能诱导出一系列的保护性蛋白,以缓解细胞所受的损害[11]。这一协调反应是由保护性蛋白DNA上游调节区的ARE 来调控的。DNA芯片检测显示,Nrf2在原代星形胶质细胞和神经元中上调ARE 调节的基因,除了基因调节之外,Nrf2还能够调节星形胶质细胞的还原电位、免疫及炎症反应,以及培养神经元中的 Ca2+稳态、生长因子、信号分子和受体通道[12]。而近年来的研究发现,Nrf2通过与ARE相互作用调节编码抗氧化蛋白,是迄今为止发现的最为重要的内源性抗氧化应激通路[13]。

3.1 ALS ALS首先由Jean-Martin Charcot医生描述。显著病理表现为选择性运动神经元死亡,临床表现为肌肉跳动、反射亢进(上运动神经元受损)、无力、肌肉萎缩、瘫痪(下运动神经元损伤)等,最后由于呼吸衰竭而死亡。ALS中5%～10%由于家族遗传引起。家族性ALS(fALS)中,Cu/Zn超氧化物歧化酶(SOD)突变占20%[14]。ALS可能的机制包括氧化应激、谷氨酸兴奋毒作用、异常蛋白聚集及炎症等。研究表明,氧化应激与以上多种致病机制有关[15]。Nrf2是近年发现的细胞抵抗内外界氧化和化学等刺激的关键因子,通过与ARE结合上调抗氧化基因的表达,对抗氧化应激。应用Ⅱ相酶诱导剂干预ALS体外器官型脊髓培养模型,可激活Nrf2/ARE通路,诱导NQO1、HO1等表达上调,降低氧化应激水平,对THA诱导的选择性运动神经元损伤具有明显保护作用[16]。

Sarlette等[17]的研究表明,ALS患者运动皮层和脊髓运动神经元内的Nrf2蛋白和mRNA表达均明显下降,在大鼠ALS模型中也观察到明显的HO1的上升,但是HO1的保护作用极其有限,仅在起病阶段有作用。Nrf2/ARE通路激活可通过对抗氧化应激、降低谷氨酸毒性、增强蛋白酶功能及抗炎等,多靶点发挥神经元保护作用。SOD1/G93A转基因小鼠星形胶质细胞选择性过表达Nrf2可以增加神经元的抗氧化损伤能力,推迟SOD1/G93A转基因小鼠起病时间,延长生存期[18]。

3.2 PD PD是一种中老年人常见的运动障碍性疾病,又称震颤麻痹,其病理特征为黑质致密区多巴胺能神经元变性缺失和路易小体形成,临床主要表现为静止性震颤、肌强直、运动迟缓等症状。PD患者的黑质多巴胺神经元进行性减少,其病理生理过程包括线粒体复合体Ⅰ活性的降低,脂质、蛋白及DNA氧化物的增加[19]。

Dietz等[20]对PD患者死后解剖发现,Nrf2主要分布在黑质的神经元细胞核内,处于激活状态。研究证实,PD病变机制中存在着氧化应激 Keap1-Nrf2-ARE 信号通路的改变。GSH 是细胞内主要的巯基抗氧化剂, PD 患者中,Nrf2的靶点GSH 和 Q10 水平均降低,表明 PD 中 Nrf2 应答反应减弱或缺失[21]。而Ramsey等[22〗的研究发现,a-synuclein和Nrf2缺失导致的神经炎性反应、神经元衰亡和蛋白质的异常聚集是早期PD患者的病理表现。

3.3 AD AD是最多见的脑变性疾病,以进行性脑功能失调为特征表现,主要表现为记忆、认知、语言和行为障碍以及人格改变等。确诊后,病人的平均存活时间为8～10年。到目前为止,还没有有效的治疗措施[23]。AD主要的病理变化为老年斑(SP)和神经纤维缠结(NFT)及神经元丢失。NFT主要由过磷酸化tau缠结后形成,与AD 脑组织神经元减少直接相关[24]。

Smith等[24]的实验表明氧化损伤发生在 AD 的早期,在 NFT 和SP出现之前就已出现。在 AD 患者脑内发现了过氧化亚硝酸盐,进一步证明了氧化应激与 AD 的病理改变直接相关。Nrf2是细胞调节抗氧化应激反应的重要转录因子,在调控细胞对抗外来异物和氧化损伤方面起重要作用[25]。在AD患者海马中,Nrf2的表达明显下降。Choudhry 等[26]发现在AD转基因大鼠中,Nrf2的表达较正常大鼠减少一半,同时伴有Aβ的聚集。近年研究发现,激活Nrf2-ARE通路可以减轻Aβ介导的神经功能障碍以及神经毒性,而Nrf2能够通过抑制氧化应激减少Aβ聚集来发挥保护作用[27]。

4 小结

自由基和氧化应激在中枢神经系统疾病发生发展中发挥重要作用,然而一些外源性抗氧化剂的使用并没有达到预期的效果[28-29],内源性抗氧化通路Nrf2-ARE由于在调控细胞抗氧化解毒抗炎中的核心作用,已越来越引起研究人员的重视。Nrf2介导的细胞防御机制在对抗各种环境应激和内源性应激的反应中均能起效,是参与保护中枢神经系统的重要效应分子,但其具体保护机制还有待进一步阐明。虽然现在已有为数不少的Nrf2激动剂,但寻找对人体安全有效且能顺利透过血脑屏障的药物仍是一大挑战。深入研究Nrf2在中枢神经系统疾病发生发展中的作用机制,以及抗氧化作用的机制,寻找有效的抗氧化机制激活靶点或药物,将为中枢神经系统疾病的防治提供一条新的途径。

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