吴志红 ,马燕芬 ,赵 磊 ,宋利文 ,高 民
(1.内蒙古农业大学动物科学学院,内蒙古 呼和浩特 010018;2.内蒙古农牧业科学院动物营养与饲料研究所,内蒙古呼和浩特 010031)
Nrf2-ARE信号通路在机体氧化应激损伤中的作用及与其他信号通路的关系
吴志红1,2,马燕芬2,赵 磊1,2,宋利文2,高 民2
(1.内蒙古农业大学动物科学学院,内蒙古 呼和浩特 010018;2.内蒙古农牧业科学院动物营养与饲料研究所,内蒙古呼和浩特 010031)
氧化应激损伤与机体中多种疾病的发生与发展过程密不可分,当机体产生严重氧化应激时,抑制氧化应激和清除氧自由基是治疗机体产生疾病的重要策略。Nrf2-ARE信号通路是机体内极为重要的内源性防御体系,通过调控Nrf2-ARE信号通路可起到维持机体细胞内氧化还原状态平衡和降低氧化应激造成损伤的作用。综述了Nrf2-ARE信号通路调控机体抗氧化酶活性、与机体氧化应激相关疾病的相关性及其与其他信号通路的关系,以期为深入了解Nrf2-ARE信号通路在抵抗机体产生氧化应激损伤的作用和机制方面提供参考。
氧化应激;Nrf2-ARE信号通路;PKC信号通路;MAPKs信号通路;PI3K信号通路
氧化应激是指由机体产生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)所介导的氧化与抗氧化物质失衡,从而引起机体组织细胞产生氧化损伤。氧化应激不仅可以直接导致机体细胞坏死,也可以通过激活机体内的氧化还原信号途径导致细胞衰老、凋亡,甚至坏死。目前研究已表明,机体产生氧化损伤是导致许多疾病发病的基础[1],也是机体多种疾病发病所共有的机制之一,但氧化应激也会同时启动机体产生内源性保护反应,具体产生何种结果关键是看机体内产生氧化应激的程度,严重的氧化应激可产生损伤作用,但适度的氧化应激可动员机体产生保护作用。因此,在机体产生严重的氧化应激时,抑制氧化应激和清除氧自由基可能是治疗机体产生疾病的重要策略。目前多项研究表明,Nrf2-ARE信号通路是机体极为重要的内源性防御体系,其中,核因子相关因子2(nuclear factor-E2-related factor 2,Nrf2)是对抗细胞产生氧化应激反应中最为关键的因子,Nrf2主要通过与抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE)相互作用,诱导编码抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶的表达,从而在细胞中抵御有害刺激,发挥着对细胞重要的保护作用,例如抗肿瘤、抗应激、抗凋亡、抗炎症反应以及神经保护等作用。Nrf2-ARE信号通路可在多种组织中被激活,并有效对抗外源性有害物质的损伤。近年来,该通路发挥抗氧化应激的保护作用备受关注。笔者主要对Nrf2-ARE信号通路及其激活机制、调控动物机体抗氧化酶活性、与机体氧化应激相关疾病的相关性及其与其他信号通路的关系进行综述,以期为深入了解Nrf2-ARE信号通路在抵抗机体产生氧化应激损伤的作用和机制方面提供参考,同时也为研发抗氧化药物奠定相关基础。
1.1 Nrf2-ARE信号通路 Nrf2是核转录因子的一种表达,能够控制细胞和一系列抗氧化基因对机体保护性解毒酶的表达,是细胞抵抗氧化应激或亲电试剂产生应激伤害的关键调控机制。Nrf2属于CNC(Cap‘n’Collar)转录因子家族成员,具有一个高度保守的碱性亮氨酸拉链(bZIP)结构,在肝脏、肾脏、皮肤、肺、消化道等处高度表达。在生理状态或没有任何刺激而处于相对抑制的状态下或低应激状态下,Nrf2与果蝇肌动蛋白结合蛋白Keap1(kelch-like ECH-associated protein,Keap1)以 N 端的Neh2区域结合位于胞浆中,并通过Keap1将其锚定于由肌动蛋白构成的细胞骨架上,从而无法进入细胞核发挥转录活性;但当受到亲电试剂或ROS的刺激时或处于氧化应激条件时,Nrf2将会与Keap1解偶联并在多种蛋白激酶的磷酸化作用下转移入细胞核中,在核内与Maf蛋白结合成异二聚体后与DNA启动子中的抗氧化反应元件ARE结合,从而启动下游抗氧化基因和一系列Ⅱ相解毒酶的转录,发挥强大的抗氧化作用,进而促进细胞的存活,提高细胞的抗氧化应激能力[2]。目前,Nrf2基因在人类、小鼠、大鼠、鸡和斑马鱼体内发现均有表达,因此,Nrf2在脊椎动物中是高度保守的[3]。但Nrf2基因敲除小鼠表现出对外来致氧化剂非常易感,更加容易患结肠炎、肾炎、肺气肿、肿瘤和血管性疾病等[3]。因此,激活体内Nrf2-ARE信号通路可能是防御机体产生氧化应激发生的有效措施之一。
1.2 Nrf2-ARE信号通路的激活机制 Nrf2的激活主要涉及其与Keap1的相互作用以及依赖于此的Nrf2的稳定性。生理正常状态下,Keap1-Nrf2复合体位于胞浆中,并结合于Cul3-Rbx E3连接酶轴心复合体上。当Keap1亲核物质或活性氧攻击或者Nrf2被各种磷酸化信号磷酸化作用后,Nrf2会从Keap1-Nrf2复合体中解离出来进入细胞核中与AR启动子序列结合,进而启动受ARE调控的下游基因的转录活性[4]。目前发现Nrf2的激活机制主要有以下几种:第一,Nrf2-Keap1解偶联:Keap1的IVR区中有25个半胱氨酸,他们是Nrf2-Keap1-ARE调控系统中首先对亲电试剂或氧化剂起反应的传感蛋白,也是细胞内氧化还原的感应器与开关[5]。许多亲核物质和活性氧能够通过影响细胞内的氧化还原状态而对半胱氨酸的巯基进行修饰,从而使Keap1的构象发生改变,引起Keap1-Nrf2复合物解偶联,游离的Nrf2进入细胞核内,转录下游基因的表达,从而激活Nrf2信号通路。第二,Keap1介导的蛋白酶对Nrf2的降解作用减弱:生理状态下,Keap1与Nrf2结合存在于胞浆中,而Keap1作为泛素化连接酶促进Nrf2的泛素化和在蛋白酶作用下使其降解。在外界因素如亲核物质或细胞内活性氧直接攻击作用下造成Keap1结构改变,使其与Nrf2的偶联及对Nrf2的泛素化作用减弱,可以使胞浆中Nrf2含量增加,且半衰期延长[6]。第三,磷酸化信号对Nrf2的磷酸化作用:已明确Nrf2能被PKC家族中的众多成员磷酸化使Nrf2与Keap1解离,PKC磷酸化作用位点位于Nrf2的第40位丝氨酸和第568 位酪氨酸[7-8]。
Nrf2-ARE信号通路调节编码下游抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶,是迄今为止发现的最为重要的内源性抗氧化通路。Nrf2-ARE信号通路调节编码的下游抗氧化酶主要包括:γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glutamyl cysteine synthetase,γ-GCS)、 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、谷胱甘肽 S转移酶(glutathione-S-transferases,GSTs)。调控的下游Ⅱ相解毒酶主要有:血红素氧合酶-1(HO-1)、醌氧化还原酶 1[NAD(P)H-quinone oxidoreductase 1,NQO1]、谷氨酰半胱氨酸连接酶(Glutamate cysteine ligase,GCL)及 GCL 催化亚基(GCLC)和调节亚基(GCLM)等。这些酶大部分是机体抗氧化能力的重要组成部分,能够清除体内多种致癌物质及其他毒性或氧化性物质,从而消除这些物质对DNA及生物功能蛋白的破坏,以维持机体内环境的稳定,起到抗毒、抗氧化、抗癌、抗衰老等作用。
2.1 调控抗氧化酶 (SOD、GSH-Px、CAT、GSTs)SOD处于氧化应激防御系统的第一位置,能够通过还原反应清除超氧阴离子自由基,将其转化成过氧化氢,从而阻断了自由基的连锁反应,保护细胞免受超氧阴离子自由基的损伤,是机体内一种重要的抗氧化酶。当体内缺少SOD时会引起心扩张、脑部神经疾病如脑血管病和缺血性心脏病、新生儿死亡、神经退行性疾病、医学手术救治后继发性损伤等,因此给人体不断补充SOD具有抗衰老的特殊作用,且体内SOD表达增高能抑制氧化应激引起的细胞死亡和组织损伤。CAT和GSH-Px也是体内最重要的抗氧化分子,能将过氧化氢催化分解为无毒的水分子,GSH-Px也能催化过氧化反应中形成的脂质过氧化物。这3种抗氧化酶的相互作用,能清除体内的自由基,阻断自由基的链式反应,从而保护机体免受自由基的氧化损伤。研究表明,机体内 CAT、SOD、GSH-Px、GSTs表达水平增强主要是由于受到Nrf2的调控后,进而起到维持细胞内氧化还原状态平衡和降低氧化应激造成损伤的作用[9]。
2.2 调控HO-1 HO-1是一种血红素降解的催化酶,在NADPH和细胞色素P-450还原酶及分子氧的作用下,HO-1催化血红素降解为胆红素、CO和铁离子,现已证实HO-1及其酶解产物直接影响抗氧化损伤能力的变化,是机体最重要的内源性保护体系之一。研究表明,鹅掌菜酚[10]和丹参[11]可以分别减轻小鼠成纤维细胞和巨噬细胞产生的氧化应激损伤,其机制主要为鹅掌菜酚和丹参的应用增加了Nrf2蛋白的表达,使Nrf2与Keap1解偶联并转移入细胞核后,增强了HO-1蛋白的表达;但在应用Nrf2 siRNA之后,HO-1表达明显下降。以上研究说明Nrf2上调了HO-1的表达从而起到抗氧化应激损伤的作用。
2.3 调控NQO1 NQO1是机体在抵抗氧化应激中的一种最重要的酶,它在机体细胞内属于Ⅱ相解毒酶,具有催化醌、醌亚胺、氮氧化合物等双电子还原作用,从而降低机体产生的氧化损伤[12]。研究表明,丙炔苯丙胺可抑制由1-甲基-4-苯基吡啶离子引起的氧化应激,其机制主要为丙炔苯丙胺通过调控细胞外信号调节激酶 (extracellular signal-regulated kinase,ERK)和磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B (phosphatidyl inositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/PKB)信号通路,通过增强Nrf2的表达量和核转位,增强了NQO1蛋白的表达水平;但在使用Nrf2 siRNA之后,NQO1表达水平并未升高[13]。此外,高糖(10~30 mmol/L葡萄糖)水平也能显著增加Nrf2的表达量,并且上调NQO1的表达,但Nrf2基因敲除的细胞或者Keap1过表达的细胞则无此作用[14]。以上研究说明NOQ1表达水平增强是受到Nrf2的调控后从而起到抗氧化应激损伤的作用。
2.4 调控GCL及其GCLC和GCLM GCL是还原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)的合成关键酶,也是Nrf2-ARE信号通路的Ⅱ相解毒酶,其合成可增加GSH的合成,但GCL全酶的结构和活性则受到氧化应激的显著影响。GSH是一种含巯基的抗氧化剂,也是体内重要的抗氧化剂和自由基清除剂,在抵御氧化应激中发挥着重要作用,是细胞自我保护的重要物质。在许多低等生物中,GCL是一条简单的多链,但在大部分真核生物中GCL是由催化亚基GCLC和调节亚基GCLM组成的异二聚体蛋白,GCLC和GCLM是非常重要的抗氧化蛋白酶,对提高抗氧化应激能力有重要作用。研究发现,GCLC和GCLM对GSH的合成起着关键作用,其表达下调可引起细胞GSH合成减少,导致ROS产生增多,从而导致细胞产生氧化损伤[15],且二者分别由不同的基因所编码。其中,GCLC的分子量较大,由637个氨基酸组成,约73 kD,包含一个活性位点,这个位点负责ATP依赖性谷氨酸γ-羧基和半胱氨酸氨基的连接形成。GCLC几乎含有GCL所有底物的结合位点和催化亚基,具有GCL所有的催化活性,GSH能反馈抑制GCLC。由于GCLC在GCL催化活性中处于关键地位,GCLC的表达可能会有效地调节体内GSH的表达水平,从而保护机体组织器官免受氧化应激的损伤。但GCLC翻译后修饰(如磷酸化作用、豆蔻酰化作用、半胱天冬酶介导的分裂)则对GCL活性影响较小。GCLM的分子量较小,由274个氨基酸组成,约31 kD;GCLM无催化活性,但GCLM可直接与GCLC相互作用而增加GCLC的催化活性。GCLM可降低谷氨酸和ATP的Km值(一定温度下某酶促反应最大反应速度一半时的底物浓度),增加 GSH 反馈性抑制的 Ki值(抑制常数)[16]。研究发现,Nrf2在调控GSH稳态方面起着关键作用,Nrf2-ARE信号通路能调控合成GSH所需的γ-GCS、GCLM、GCLC酶类,且Nrf2能调控以GSH为底物的GSH-Px和GST的表达水平[9]。但在Nrf2基因敲除的小鼠中发现,GCLC和GCLM的表达水平较野生型小鼠要低,说明Nrf2可通过增强GCLC和GCLM的表达水平从而起到抗氧化应激损伤的作用[17]。
氧化应激不仅直接损伤机体器官组织,还可使炎症细胞渗出、炎前介质基因表达增加、蛋白酶/抗蛋白酶失衡,最终导致疾病的发生发展,因此,纠正机体器官内氧化/抗氧化失衡已成为防治机体产生疾病的途径之一。目前已证实,Nrf2-ARE信号通路是近年来新发现的机体抵抗内外界氧化和化学等刺激的防御性转导通路,是迄今为止最为重要的抗氧化应激通路。Nrf2-ARE信号通路广泛参与大多数疾病的发生与发展的生理过程,在疾病的发生及防治中起着关键作用,Nrf2-ARE信号通路既可以预防机体正常细胞产生病变,也可以促进疾病的发生,同时也是化学预防器官产生癌变和治疗机体多器官疾病的一个潜在靶点。目前的研究证明,Nrf2是一把双刃剑,其对正常细胞和癌细胞都有保护作用,并且可能是癌细胞耐药的原因[6]。一般机体正常细胞的生长依赖于自身的氧化还原稳态,Nrf2是维持这种稳态的关键因子,且Nrf2对全身多个器官或组织具有保护作用。但是在Nrf2介导的抗氧化应激反应不足以抵抗外源性氧化应激的情况下,细胞内的氧化还原稳态就被破坏,组织细胞出现肥大、凋亡以及纤维化,继而组织的形态结构发生改变,最终导致疾病的发生。目前已经证明,Nrf2-ARE信号通路与中枢神经系统性疾病[18-19]、心血管系统性疾病[20]、肝脏疾病[21]、肾脏疾病[22]、肺脏疾病[23]、肿瘤[24]、肠炎[25]、白癜风[26]、白内障[27]等多种氧化应激相关疾病的发生发展密切相关。目前,Nrf2-ARE 信号通路的研究主要集中于鼠[21]和人[18,27]方面,在单胃动物和反刍动物方面的研究较少,今后需对该方面做深入研究。因此,通过调控Nrf2-ARE信号通路从而调控其下游基因的表达,可为预防和治疗氧化应激所致的机体器官组织产生疾病提供理论和技术依据。
目前已证实,蛋白激酶C(PKC)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)、磷脂酰肌醇 3 激酶(PI3K)均参与了Nrf2-ARE信号通路的激活及其依赖的基因表达调控过程,主要是通过作用于Nrf2导致其磷酸化,从而促使其与Keap1分离,激活Nrf2。其中,PKC通过作用于Nrf2的丝氨酸-40(Sre-40),利用使其磷酸化的方式破坏 Keap1-Nrf2的偶联[28];MAPKs利用直接或间接磷酸化Nrf2的方式激活Nrf2;PI3K通过丝状肌动蛋白重排的方式改变Nrf2结构的方式激活Nrf2[29]。不同的蛋白激酶通过磷酸化Nrf2的不同位置,促进Nrf2在细胞核内的积聚或外流,从而调节Nrf2的激活与抑制。
4.1 与PKC信号通路的关系 体内和体外的研究都表明,在氧化应激条件下,PKC信号通路可以通过直接磷酸化的方式激活Nrf2,Nrf2磷酸化后可以促进Nrf2向核内转位,直接与Keap1解聚,并促进ARE的反式激活。当Nrf2第40位丝氨酸突变成丙氨酸后,PKC依赖的解聚作用消失,提示Nrf2第40位的丝氨酸是PKC的作用位点[28]。而利用丙氨酸代替Ser-40,以上激活作用则会明显下降[30]。因此,PKC及其上游的信号分子参与了Nrf2的活性调节。
4.2 与MAPKs信号通路的关系 MAPKs信号通路主要包括p38 MAP激酶(p38 MAP kinase)途径、c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)途径、细胞外调节蛋白激酶 (extracellular signalregulated kinase,ERK)途径。不同的MAPKs信号通路其MAPKK激酶(MAP3K或MKKK)和MAPK激酶(MAP2K或MKK)的底物、分子间的相互连接以及支架蛋白不同[31]。MAPKs信号通路可被包括渗透压的改变、氧化应激、细胞因子、生长因子、抗原、毒素和药物等在内的多种因素激活[32-33]。目前认为,p38和JNK属于“应激诱导”的MAPK,而ERK被认为是与细胞增殖、转化和分化相关的MAPK。当机体内ROS水平升高时,引起下游的一些细胞因子、抗氧化酶表达水平的变化,可能与激活MAPKs 信号通路有关[34-35]。
研究表明,MAPKs主要通过直接磷酸化Nrf2的方式激活Nrf2,促进ARE的活化[36]。但也有研究表明,MAPKs对Nrf2的活性有影响,但在机体不同细胞 MAPKs信号通路中的 ERK、JNK、p38调控Nrf2活性的结果不同,原因可能为MAPKs对Nrf2的调控是间接的,因为MAPKs可直接磷酸化Nrf2,但并不显著激活Nrf2[37]。说明不同细胞类型、外界刺激及化学异物刺激不同,对MAPKs信号通路与Nrf2间的作用机制会产生不同的影响。现已发现,MAPKs与Nrf2信号通路在参与调控机体炎症[38]、细胞凋亡[39]、黏液分泌[40-41]、氧化应激[42]等方面具有重要作用,提示一些疾病的病理特征与MAPKs信号通路及转录因子Nrf2密切相关,即MAPKs信号通路对Nrf2的活性有影响。虽然MAPKs信号通路与Nrf2-ARE信号通路共同对细胞产生影响的具体作用机制复杂,至今尚不明确,可能与不同的细胞类型、不同的外界刺激及化学异物刺激有关,仍有待于做进一步研究,但能够确定的是,MAPKs信号通路与Nrf2-ARE信号通路之间存在交互作用。
4.3 与PI3K/Akt信号通路的关系 PI3K是参与细胞生长以及骨架重塑的重要激酶,其激活后可导致脂质底物磷酸化而形成第二信使,并激活下游蛋白激酶B,即Akt。因此,检测Akt的磷酸化可间接反映PI3K的激活[43]。PI3K/Akt信号通路广泛存在于细胞中,参与细胞的生长、增殖,并抑制细胞的凋亡,且与Wnt信号通路等相交联,共同调节细胞的生长。目前已证明,PI3K/Akt信号通路在乳腺癌[44]、卵巢癌[45]、子宫内膜癌[46]、鼻咽癌[46]及恶性胶 质瘤[47]等 恶 性肿瘤及 急 性 脑 缺 血[48]、帕 金 森 病[49]、阿尔茨海默病[50]等多种神经系统疾病中起重要作用。其机制为细胞外受体的激活使受体酪氨酸激酶残基磷酸化,激活PI3K,PI3K激活后的产物使Akt活化,活化的Akt一方面能提高细胞的RNA翻译效率,促进细胞生长;另一方面可使下游靶基因产物Nrf2磷酸化,磷酸化的Nrf2脱落进入细胞核,启动下游代谢酶转录,从而促进细胞内蛋白合成,促进细胞的增殖、分化。研究表明,PI3K/Akt-不典型蛋白激酶 C(antypical protein kinase C,aPKC)信号通路参与激活Nrf2及其对抗氧化基因的调节[51],其机制可能是氧化应激造成机体氧化/抗氧化失衡,通过 PI3K/Akt-aPKCι/ζ信号通路激活 Nrf2,引起Nrf2核转位,上调谷氨酰半胱氨酸合成酶mRNA和蛋白质的表达,提高其活性,增加谷胱甘肽合成,对抗氧化应激,达到维持氧化/抗氧化平衡的目的[52]。由以上分析可知,PI3K信号通路对Nrf2的活性有影响,说明PI3K/Akt信号通路与Nrf2-ARE信号通路之间存在交互作用。
综上所述,严重的氧化应激不仅对机体细胞结构产生损伤作用,而且还可引起多种疾病。Nrf2-ARE信号通路作为机体内重要的抗氧化调节通路,能使细胞通过诱导多种编码调节Ⅱ相解毒酶和抗氧化蛋白的基因表达,从而在细胞中抵御有害刺激,能够维持机体细胞内氧化还原状态的平衡和降低氧化应激造成的细胞损伤,对防御、减轻氧化应激对机体的危害起着举足轻重的保护作用。但是Nrf2的持续激活,也会产生很多不利的后果,特别是有关Nrf2-ARE信号通路在很多氧化应激相关疾病中的发病机制还不是很清楚,还需在这方面开展深入研究。目前有关Nrf2-ARE信号通路在机体氧化应激损伤中的作用及其与其他信号通路的关系的研究主要集中于医学和大小鼠方面,在单胃动物和反刍动物方面的研究很少,或者可以说几乎没有,今后还需在这方面开展相关研究。
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Role of Nrf2-ARE Pathway in Oxidative Stress Injury and Its Relationship with Other Signaling Pathways
WU Zhi-hong1,2,MA Yan-fen2,ZHAO Lei1,2,SONG Li-wen2,GAO Min2
(1.College of Animal Science,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China;2.Institute of Animal Nutrition and Feed,Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031,China)
Oxidative stress injury is considered to be closely associated with development of a variety of diseases in the body.When oxidative stress is severe,the inhibiting of oxidative stress and scavenging of oxygen free radical can be served as an important strategy for treatment of related diseases.Nrf2-ARE signaling pathway is an extremely important endogenous defense system in the body,which can maintain the balance of redox state in the cell and reduce the injuries produced by oxidative stress by regulating Nrf2-ARE signaling pathways.The role of Nrf2-ARE pathway in regulating antioxidant enzymes activity,the association of Nrf2-ARE pathway with the emergence of oxidative stress related diseases,and the relationship of Nrf2-ARE pathway with other signaling pathways were reviewed in this article,so as to provide a reference for a better understanding of the role of Nrf2-ARE signaling pathway in resisting oxidation stress injury in the body as well as of related mechanisms.
oxidative stress;Nrf2-ARE signaling pathway;PKC signaling pathway;MAPKs signaling pathway; PI3K signaling pathway
Q257
A文章顺序编号1672-5190(2016)03-0042-07
2016-03-10
项目来源:国家自然科学基金(31460616);内蒙古自然科学基金(2014BS0348);内蒙古农牧业科学院青年创新基金(2015QNJJM07);现代农业(奶牛)产业技术体系专项资金(CARS-37)。
吴志红(1992—),女,硕士研究生,主要研究方向为动物营养与饲料科学。
高民(1962—),男,研究员,博士,硕士生导师,主要研究方向为反刍动物营养调控理论与技术。马燕芬(1979—),女,副研究员,博士,主要研究方向为动物营养调控理论与技术。
(责任编辑:慕宗杰)