KEAP1-NRF2信号通路调控视网膜氧化应激的研究进展

谷志明,钟维琪,兰长骏,廖 萱

0 引言

氧气是生命活动所必需的化学元素。缺氧等因素可诱使机体活性氧(reactive oxygen species, ROS)和自由基释放增多,从而打破正常的氧代谢平衡并造成细胞膜脂质代谢失调。因此大量ROS和自由基得以穿透细胞膜而进入细胞质和细胞核,影响RNA及蛋白质的正常表达,最终引起组织结构紊乱和功能异常[1]。视网膜作为眼部最重要的感光元件,也是人体内氧耗量最大的组织之一,因其多不饱和脂肪酸含量丰富且线粒体密度较高,所以对氧代谢变化极为敏感。当各种原因引起氧供失衡后,视网膜极易出现脂质过氧化,并诱发一系列连锁反应导致氧化应激(oxidative stress, OS)损害[2-3]。已有研究表明多种视网膜疾病均与OS有关,而Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(kelch-like ECH-associated protein 1, KEAP1)与核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, NRF2)共同构成的KEAP1-NRF2信号通路在其中扮演了重要角色,因此本文拟对此作一简要综述。

1 KEAP1-NRF2信号通路

KEAP1是一种含有5个结构域并广泛存在于正常组织细胞质中的结合蛋白,NRF2是包含6个同源且高度保守碱性亮氨酸拉链结构域的抗氧化基因调节蛋白。KEAP1-NRF2信号通路在调节抗OS基因及抵御ROS和自由基等有害物质损伤中发挥了重要作用,通过调节下游多种酶类及蛋白表达,以维持机体的氧化还原稳态和细胞存活,因此成为重要的内源性抗OS通路之一[4-5]。正常情况下,KEAP1在细胞质中通过双重甘氨酸重复区与NRF2紧密结合,对其进行泛素化修饰并使其降解。组织缺氧诱发OS后,酪氨酸激酶催化KEAP1与NRF2在细胞质解离,随后KEAP1在细胞质迅速降解,NRF2则持续进入细胞核调控其下游的抗氧化反应元件而发挥抗OS作用,以保护机体免受过量ROS和自由基伤害[6]。

2 KEAP1-NRF2调控视网膜氧化应激的机制

视网膜是体内氧耗量最高的组织之一,含有大量不饱和脂肪酸且具有极高的线粒体密度,因此对氧含量变化高度敏感,极易受到OS损伤。ROS和自由基异常增多是诱发OS的中心环节,缺血缺氧、过度光照以及高糖环境均是促进视网膜ROS和自由基增多,并引起OS而导致损伤的重要原因。

2.1KEAP1-NRF2与视网膜缺血缺氧所致氧化应激缺血缺氧是促进视网膜ROS与自由基异常增多而引起OS的首要因素[7]。血流供应减少使视网膜出现相对缺氧,并诱导ROS异常累积后,大量消耗了超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)及过氧化氢酶,因此削弱了组织的抗氧化能力,致使构成血-视网膜屏障的视网膜内皮细胞(retinal endothelial cell, REC)和视网膜色素上皮层代谢异常[8-10];继而在肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)、核苷酸结合寡聚化结构域受体蛋白3 (NOD-like receptor protein 3, NLRP3)等炎性因子作用下引起血管渗漏和新生血管形成[11-12],最终造成视觉功能损伤。增强KEAP1-NRF2信号通路活性并上调抗氧化基因SOD等的表达,可抑制TNF和NLRP3小体异常蓄积,并逆转视网膜中内皮-间质转化以及上皮-间质转化[11-12],改善上述病理变化。此外,参与炎症反应的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶调节体内ROS表达,并影响视网膜中NRF2的抗氧化能力[13-14]。干预KEAP1-NRF2信号通路在对抗OS所致损伤方面具有重要作用,有望成为治疗相关疾病的靶点。另有研究发现,激活NRF2刺激REC旁分泌可促进血运重建并抑制病理性新生血管形成[15],KEAP1-NRF2在视网膜中抗OS作用机制的多样性值得进一步研究。

2.2KEAP1-NRF2调控光照所致视网膜氧化应激除缺血缺氧外,过度光照是破坏视网膜微环境并诱导OS而损伤视网膜的另一重要因素。适当的光照刺激可被视网膜神经元感知并传递至大脑产生正常视觉信号。然而随着光照时间延长及光照强度提高,可使视网膜上的感光细胞吸收能量增多并导致ROS累积,同时诱使自由基与细胞膜上的多不饱和脂肪酸相互作用生成丙二醛等脂质过氧化产物,对细胞膜正常结构和功能造成破坏,继而促进细胞凋亡并导致其出现不可逆损伤[16-18]。过量释放的ROS可引起视网膜转录因子肌细胞增强因子2氧化还原修饰异常,并抑制NRF2转录,进而引起视网膜对光诱导OS反应增强,并出现感光细胞层厚度变薄、感光细胞死亡、视紫红质减少等形态变化及功能障碍等病理改变[19]。增强NRF2通路活性并促进SOD和血红素加氧酶-1(heme oxygenases-1, HO-1)等内源性抗氧化物表达后,降低了ROS含量,光致OS引起的视网膜损伤也得以缓解[20]。但Liang等[21]指出NRF2抑制光致OS损伤的功效仅限于视网膜轻度损伤,对于严重损害的保护作用似乎不甚明显。因此,KEAP1-NRF2信号通路对于光致OS损伤的保护作用还有待深入研究。

2.3KEAP1-NRF2调控高糖所致视网膜氧化应激高糖环境可通过促进脂质代谢并增加游离脂肪酸含量,使细胞膜出现脂质过氧化,造成细胞及线粒体异常凋亡而诱发OS[22]。此外,高糖还可中断氧化呼吸链的电子传递,引起细胞膜电位下降,继而诱使ROS和自由基等超氧化物过度生成,从而造成组织损伤[23-24]。激活NRF2可恢复降低的视网膜细胞膜电位水平,并促进其下游的抗氧化物表达而缓解高糖所致OS[25]。半胱氨酸残基修饰变化可以调控KEAP1与NRF2解离速度而影响NRF2核易位,并与抗氧化反应元件结合,因此在保护视网膜免受高糖所致OS中同样发挥重要作用[26]。这些结果提示了KEAP1-NRF2缓解高糖所致OS损伤作用机制的复杂性。

2.4KEAP1-NRF2对视网膜细胞自噬的调节线粒体是进行有氧呼吸并产生能量的主要场所,对氧含量变化高度敏感,因此是ROS的主要作用靶点。另外,线粒体也是调节OS及细胞自噬的关键环节。研究表明OS引起胞质蛋白、线粒体和内质网等结构破坏后,自噬机制开始清除受损的细胞器,并通过自噬受体蛋白p62诱导KEAP1降解,同时促使NRF2从细胞质转移至细胞核中积聚而参与调控DNA损伤反应,最终使NRF2与抗氧化基因结合而维持细胞稳态并发挥保护作用[27-28]。剧烈的OS可抑制视网膜上皮细胞NRF2表达并降低抗氧化物HO-1水平,导致自噬功能障碍并引起损伤。使用NRF2激活剂瞬时上调p62可抑制自噬体降解,自噬反应的保护作用也因此增强[29-31]。提示时相变化可能影响NRF2对自噬机制的调节。由于自噬机制既可发挥正面作用,也可产生不良影响;因此NRF2改善OS所致自噬异常而减轻视网膜损伤的调节机制尚需更多研究来深入探讨。

3 KEAP1-NRF2与其他通路相互作用

KEAP1-NRF2信号通路作为调控OS的中心环节,多种信号通路均能与其相互影响而发挥抗OS作用。腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信号通路是参与细胞能量代谢的重要因子。激活AMPK可与NRF2共同作用而减弱视网膜中由OS所致细胞内脂质异常蓄积,从而避免组织损伤[32]。丝氨酸/苏氨酸激酶(phosphoinositide kinase-3/serine-threonine-protein kinase, PI3K/AKT)信号通路通过调节细胞代谢、生长、增殖和凋亡,以维持视网膜的正常功能。OS可使视网膜中的PI3K/AKT表达下降,继而抑制细胞增殖并促进凋亡,最终引起损伤。激活PI3K/AKT可提高NRF2磷酸化及核易位水平,视网膜细胞抗OS能力也得以增强,并通过抑制视网膜细胞上皮间质转化而缓解组织功能异常[33-35]。NRF2还可与JNK信号通路相互作用而激活其下游HO-1、NQO-1等二相抗氧化基因来减轻OS所致视网膜损伤[36]。

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)作为调节细胞膜到细胞核信号转导的重要因子,对减轻OS所致视网膜炎症有重要意义。有报道称,降低MAPK磷酸化及活化水平可引起NRF2表达增加,并抑制炎性通路NF-kb的磷酸化水平而使其失活,进而抑制细胞凋亡以减轻视网膜炎症反应[37]。然而另有研究报道激活MAPK/ERK信号通路以促进NRF2表达而抑制OS所致细胞凋亡的作用仅在激活早期出现,MAPK/ERK激活晚期反而促进视网膜的细胞凋亡,提示NRF2对细胞凋亡的调控作用与时相有关,MAPK与NRF2在不同时相的反馈机制存在差异[38]。由此可见,NRF2对OS所致炎性因子的调节作用机制极为复杂,如何对其进行调控而减轻OS所致视网膜损伤值得进一步研究。

4 总结与展望

综上所述,调控KEAP1-NRF2信号通路与其上下游多种信号通路的相互作用,是增强视网膜抗氧化能力,清除异常蓄积的ROS和自由基,并减轻脂质过氧化而缓解OS所致损伤的重要途径,提示KEAP1-NRF2信号通路在治疗相关疾病方面具有强大潜力,为治疗OS所致视网膜损伤提供了新思路和靶点。