Nrf2信号通路作为虾青素治疗新靶点的研究进展

商冠华 田春梅

滨州医学院附属医院儿科，滨州 256600

虾青素（3，3'-二羟基-4，4'-二酮基-β，β'-胡萝卜素）隶属于叶黄素亚类，是一种红橙色脂溶性酮式类胡萝卜素，因其抗氧化活性而备受关注。在自然界中，它主要由藻类（如雨红球菌）、酵母菌（如树叶黄菌）和细菌（如胡萝卜素副球菌）产生。其也大量存在于海洋动物中，如鲑鱼、鳟鱼、虾、螃蟹［1-2］。在类胡萝卜素中，与角黄素、叶黄素、玉米黄素和β-胡萝卜素相比，虾青素具有更强的抗氧化特性［2］。此外，虾青素还具有多种生物活性，如抗炎、抗肿瘤、抗凋亡、抗脂质过氧化、抗血栓形成和神经保护等。该萜类化合物被广泛应用于各种实验研究中，抑制各种疾病状态所涉及的病理生理过程。有研究表明，虾青素对糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病、肝脏和肾脏疾病等都有一定治疗作用，尽管虾青素的具体分子机制仍未被完全揭示，但核因子E2 相关因子2（nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）信号通路已被证实具备显著的生物学功效，调节氧化还原稳态以及细胞解毒相关基因的表达［3-4］。因此，Nrf2 信号通路可能转化为各种疾病治疗的新靶点［5］。

Nrf2 信号通路主要是指Kelch 样ECH 相关蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）-Nrf2/抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）信号通路，由于可以抵御自然界氧化、机体衰老以及其他损伤所引起的氧化应激，被认为是重要的自身抗氧化应激通路［6］。此外，Nrf2 信号通路还与许多氧化应激相关的疾病有一定联系，如心血管疾病、阿尔茨海默病、帕金森病、糖尿病等。本文就虾青素激活Nrf2信号通路在各种疾病的作用作一综述。

Keap1-Nrf2/ARE信号通路的基本结构

1.Nrf2的结构

Nrf2 是一个分子量为66 kDa 的蛋白，被归类到Cap-n-Collar 调节蛋白族，因具有高度保守的碱性区-亮氨酸拉链结构（basic leucine zipper，bZip），Nrf2 也是一种特殊转录因子［7］。Nrf2蛋白由605个氨基酸残基构成，其功能主要表达在7 个功能结构域（Neh1～7）上，这些结构域各自具备独特性，从而发挥出不同的功能［8］。Neh1～7 结构域：⑴Neh1 结构域由高度保守的碱性区-亮氨酸拉链区域组成，该区域与小肌肉腱膜纤维肉瘤蛋白形成二聚体并结合到ARE 上，这是一个在许多基因的启动子区域发现的顺式作用增强子序列，会启动Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶的基因表达［9-11］。⑵Neh2 区是一个负调控结构域，它包含高亲和性ETGE 结合位点和低亲和性DLG 结合位点，是Nrf2 的主要胞内调节因子Keap1 的结合位点。ETGE 和DLG 之间的7个赖氨酸残基随后成为Keap1介导的泛素化作用靶点，进而导致Nrf2的蛋白酶体降解［12-14］。⑶Neh3结构域是一个反式激活域，它招募转录共激活因子染色质域解旋酶DNA 结合蛋白6（chromo-ATPase/helicase DNA-binding protein 6，CHD6），CHD6 负责与ARE 基因的反式激活［12，15］。⑷Neh4 和Neh5 也作为反式激活域，通过与cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）和转录激活因子BRG1（Brahma-related gene-1）的相互作用，进而启动了相关基因的转录［9，16］。⑸Neh6 是一个富含丝氨酸的结构域，在Keap1 独立调控Nrf2 中发挥重要作用，它负向调节了Nrf2 的稳定性［17-18］。⑹Neh7 结构域通过与视黄素X受体α（retinoid X receptor α，RXRα）相互作用，参与了Nrf2转录活性的负调控［13，19］。

2.Keap1的结构

Keap1 是一个69 kDa 的富含半胱氨酸的阻遏蛋白，属于Kelch家族。由5个结构域组成：⑴N末端区域（NTR区）。⑵BTB 二聚结构域，参与了Cul3-Rbx1-ligase 复合体的形成和Keap1 的同二聚化，在Nrf2 的泛素化及蛋白酶体降解中发挥关键作用［20］。⑶IVR 区，由易氧化的高活性半胱氨酸残基（如Cys273、Cys288 和Cys297）组成，其中Cys273 和Cys288 能够抑制Keap1 的活性，在发生氧化应激时，Cys273 和Cys288 能够阻断Keap1 与Cul3 E3 泛素连接酶和Nrf2的相互作用，实现了Keap1的完全分离［21-22］。⑷DGR结构域由6个重复的Kelch结构组成，与Nrf2的N端Neh2结构域结合，抑制了Nrf2的活性。⑸C末端区域（CTR）。

3.ARE的结构

ARE 被定义为一个顺式作用的DNA 增强子基序，是机体重要的抗氧化反应元件。该特异性序列的DNA 片段启动序列中含有许多Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶，并且能被多种氧化性和亲电子化合物所激活。有研究表明，Nrf2 与ARE结合调控了重要抗氧化酶及Ⅱ相解毒酶的转录激活，如NAD（P）H：醌氧化还原酶1［NAD（P）H：quinone oxidoreductase 1，NQO1］、超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）、谷胱甘肽过氧化物 酶（glutathione peroxidase，GPx）、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽转移酶（glutathione S-transferase，GST）、血红素氧合酶1（heme oxygenase-1，HO-1），进而保护机体组织细胞的正常功能［17，23］。

4.Keap1-Nrf2/ARE信号通路的抗氧化应激作用

Nrf2-Keap1-ARE 信号通路作为氧化应激的关键信号传导途径，可以有效地调节机体的氧化应激反应。机体在正常情况下，Nrf2蛋白通过ETGE 和DLG 位点与Keap1蛋白的DGR 区域相结合，从而将其固定到细胞内，激活Cul3-Rbx1-ligase 复合体的形成与Nrf2蛋白的泛素化，并被蛋白酶降解，使Nrf2 处于失活状态［24］。当机体受到活性氧（reactive oxygen species，ROS）或其他外界因素刺激后，Nrf2 会与Keap1 发生解离，进而活化后的Nrf2 蛋白会转入细胞核中，与小肌肉腱膜纤维肉瘤蛋白形成二聚体并结合到抗氧化反应元件上，并调控了重要的Ⅱ相解毒酶、抗氧化酶基因的转录激活，从而发挥抗氧化损伤的作用［25］。

虾青素介导Nrf2信号通路在各种疾病中的保护作用

1.抗糖尿病作用

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，虾青素具有抗氧化应激、抗炎、神经保护作用，已被用于治疗糖尿病及其并发症［26］。Chen 等［3］证实了在妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）小鼠中，虾青素能够通过激活SOD、GPx 和过氧化氢酶（catalase，CAT）等抗氧化酶，恢复Nrf2/Keap1信号通路，缓解GDM 症状，改善GDM 小鼠的葡萄糖耐受不良、β 细胞功能及生殖结局。Xie 等［27］研究表明，采用虾青素治疗减轻了链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠代谢参数、肾脏形态和细胞外基质积累。高糖诱导自适应激活的Nrf2/ARE 信号通路，增加肾小球系膜细胞中纤维连接蛋白、细胞间粘附分子-1 和转化生长因子-β1 的表达，增加细胞内ROS 的生成。而虾青素促进Nrf2 的核转位和转录活性，上调了SOD1、NQO1 和HO-1 的表达，最终抑制较高水平的ROS，抑制纤维连接蛋白，从而缓解糖尿病肾病的病理进展。Chen 等［4］同样报道了虾青素通过促进Nrf2 信号通路，减轻糖尿病小鼠肾小球系膜细胞中高血糖诱导的氧化应激以及肾脏形态和生理的改变。

2.肾脏保护作用

Liu 等［28］报道了在阿奇霉素介导的局灶节段性肾小球硬化小鼠模型中，虾青素治疗的小鼠在肾功能参数以及肾小球和间质纤维化方面有显著改善。虾青素通过促进Nrf2的表达，抑制肾核苷结合寡聚结构域样受体蛋白3炎性小体的激活，发挥抗炎和抗氧化作用，从而减少肾小球硬化和间质纤维化，改善肾功能。

Qiu 等［29］证明了虾青素可通过清除自由基对缺血再灌注诱导的急性肾损伤小鼠进行有效保护，它主要通过Nrf2 信号通路降低肾组织的氧化应激和炎症反应。虾青素预处理后的肾脏SOD 和丙二醛水平降低，表明虾青素在缺血再灌注损伤后具有较强的自由基清除活性，可通过清除自由基来缓解肾小管坏死、凋亡和炎症反应，从而保存肾功能和肾的微结构。

3.肝脏保护作用

Yang 等［30］注意到，雄性肥胖小鼠补充虾青素12 周后，肝脏中的Nrf2 及抗氧化酶（如SOD 和GPx）的转录水平升高，从而提高了肝脏内源性抗氧化基因表达。从载脂蛋白E敲除小鼠2/2的研究中发现，虾青素可以通过增加Nrf2及其目标抗氧化基因的表达来减轻肝脏中的氧化应激［31］。

El-Baz 等［32］研究了富含虾青素的雨生红球藻对D-半乳糖（D-galactose，D-Gal）致衰老大鼠肝脏的改善作用。注射D-Gal［200 mg/（kg·d）］后，肝脏氧化应激标志物CAT、GST 和髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）水平均升高，Nrf2 表达水平降低。同时，D-Gal 通过诱导核因子κB 增加炎症细胞因子（如白细胞介素6）水平。虾青素可通过刺激Nrf2/Keap 信号通路，恢复CAT、GST、MPO 水平，降低白细胞介素6、诱导核因子κB 水平，从而改善D-Gal 诱导大鼠衰老相关的肝脏变化，具有良好的抗衰老作用。

4.心血管保护作用

Xue 等［33］证明了虾青素可降低冠状动脉微栓塞诱导的心功能障碍、心肌梗死的发生及心肌细胞凋亡。虾青素通过重新激活Nrf2/HO-1 信号通路抑制冠状动脉微栓塞诱导的氧化应激，而HO-1抑制剂锌原卟啉Ⅸ完全消除了虾青素在CEM 中的益处，表明了虾青素通过Nrf2/HO-1 通路抑制氧化应激调节大鼠冠状动脉微栓塞后的心肌细胞凋亡，从而改善心脏功能障碍。有研究显示，虾青素通过线粒体介导的凋亡和Nrf2 通路的激活，对赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）诱导的心肌损伤具有保护作用［34］。OTA 组小鼠心肌Keap1蛋白表达增加，心肌组织中总Nrf2和HO-1蛋白表达减少。因此，OTA 抑制Keap-1/Nrf2 通路的激活，而虾青素可上调心肌组织中总Nrf2 和HO-1 蛋白表达，降低Keap-1 蛋白表达，这减少了由OTA 引起的氧化应激，从而保护心脏免受氧化应激诱导的心肌细胞凋亡［34］。

5.肺保护作用

慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）主要是长期吸入有害气体（如香烟烟雾）而引起，香烟烟雾含有许多有害物质，如氧化剂（自由基、过氧化氢等）。根据相关研究表明，COPD的病因是氧化-抗氧化失衡和蛋白酶-抗蛋白酶失衡所致，其中，氧化应激是COPD 发病的重要因素［35-36］。Kubo 等［37］研究表明，在COPD 小鼠模型中，摄入虾青素可通过激活肺内Nrf2-ARE 信号通路，引起Nrf2 及HO-1 的表达水平升高，还可减少支气管肺泡灌洗液炎症细胞数量，改善肺气肿。因此，针对激活Nrf2-ARE 通路的治疗，使用虾青素可能是减轻COPD 发病机制中氧化应激一种新的预防和治疗策略。

6.神经保护作用

虾青素可以减轻大鼠脑损伤，从而起到保护大脑的作用。Zhang等［38］研究表明了在蛛网膜下腔出血模型中，注射虾青素可明显减轻蛛网膜下腔出血后的早期脑损伤，通过抑制氧化应激，减轻脑水肿及血脑屏障破坏程度，减少神经细胞凋亡，并改善神经功能。

Wu 等［39］再次证实了虾青素在蛛网膜下腔出血后24 h激活了Nrf2-ARE 通路，上调Nrf2 蛋白表达水平，激活抗氧化反应基因，从而调控Ⅱ相解毒酶、抗氧化应激酶的表达，使蛛网膜下腔出血引起的皮质氧化损伤减轻，并进一步减轻了大鼠早期脑损伤程度。

结论

综上所述，Nrf2 信号通路通过减少氧化应激和炎症反应，在改善各种疾病进展中发挥了关键作用。靶向Nrf2 信号通路在治疗各种疾病中具有潜在的优势，该通路是细胞抗氧化应激的主要调节因子，其调节了细胞氧化还原稳态以及细胞解毒相关的基因表达。

虾青素是一种天然存在的β-胡萝卜素，因具有强大的抗氧化活性而闻名，具有抗氧化、抗炎、神经保护等多种生物活性作用。其中，虾青素主要通过激活Nrf2 信号通路来发挥其强大的抗氧化及抗炎作用。本文综述了虾青素激活Nrf2 通路的作用机制及其在各种疾病中的保护作用，但仍没有具体数据表明虾青素可以在人体体内通过调节Nrf2信号通路来发挥作用，这需要我们进一步去研究和探讨。根据以往在动物模型的研究数据表明，Nrf2 信号通路很有可能作为虾青素治疗各种疾病的新靶点，虾青素可能成为一种有前途的治疗药物，通过其抗氧化应激及抗炎在各种疾病中发挥作用［3-5］。而这就需要我们设计更多良好的临床试验来研究虾青素是否可以在人体体内通过调节Nrf2信号通路来发挥作用，并对以过度氧化应激和炎症为特征的疾病具有一定治疗作用。

作者贡献声明商冠华：酝酿和设计试验，实施研究，采集数据，分析/解释数据，起草文章；田春梅：对文章的知识性内容作批评性审阅，获取研究经费，行政、技术或材料支持，指导，支持性贡献