Nrf2-ARE信号通路功能的研究进展

董渠龙，王华，侯海燕，陈亚琼

Nrf2-ARE信号通路功能的研究进展

董渠龙#，王华#，侯海燕，陈亚琼△

核因子E2相关因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）是机体抗氧化应激的中枢调节者。在正常情况下，其在胞质中被降解，不发挥生理作用。当其在体内被有毒有害物质激活后转位进入细胞核能与抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）结合形成Nrf2-ARE信号通路，从而使下游一系列具有机体保护性的Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶基因及蛋白得以表达，主要包括过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、醌氧化还原酶1（NQO1）以及血红素加氧酶1（HO-1）。这些被激活的保护性酶类能够参与体内的广泛调节作用，对人体进行多方面的保护，研究发现该通路与机体炎症、肿瘤、衰老、凋亡、神经损伤、生育、妇产科疾病等多方面均有密切联系。综述Nrf2-ARE信号通路功能的研究进展，旨在全面客观地认识其生理功能。

转录因子；NF-E2相关因子2；抗氧化反应元件；信号通路

【Abstract】Nuclear factor E2 related factor 2（Nrf2）is a pivotal regulator of antioxidative stress.Under normal condition，its degradation is mediated in the cytoplasm and therefore don′t exert physiologic function.When it was been activated by detrimental assault，Nrf2 can translocate into nuclear to bind with the antioxidant response element（ARE）then to form the Nrf2-ARE signal pathway，which subsequently activates a series of protective genes and proteins including catalase（CAT），superoxide dismutase（SOD），NAD （P）H:quinine oxidoreductase 1（NQO1）and heme oxygenase-1（HO-1）.These enzymes play an important role in protecting somatic cells from detrimental assault.Researches have demonstrated that the pathway is associated with inflammation，tumor，aging，apoptosis，nervous injury and fertility as well as obstetrical and gynecological diseases closely.In order to understand the physiologic function of the pathway comprehensively，the present review is proposed.

【Keywords】Transcription factors；Nuclear factor E2-related factor 2；Antioxidant response element；Signal pathway

（J Int Obstet Gynecol，2015，42：425-428）

核因子E2相关因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）抗氧化的核心作用已得到多项研究的证实和学术界的公认。在复杂的体内调节中，氧化应激与炎症、肿瘤、衰老、细胞损伤、生育等多方面关系密切，因此Nrf2在这些方面上所扮演的角色也引起了研究者的广泛关注。近年大量的临床研究和基础研究报道了 Nrf2-抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）通路的抗炎、抗氧化、抗凋亡、抗衰老、抗细胞损伤、保护生育以及防止一些妇产科疾病的作用，该通路在人体对抗有毒有害物质所致的机体病理改变上起到了有力的预防和减轻作用。随着研究的深入，该通路在人体中发挥的更多保护作用逐渐得到认识，其分子机制也日益清楚。该通路对人体的广泛保护作用已成为国内外研究的热门信号通路之一，全面了解该通路的功能可以从多个角度、多个层面上预防和治疗一些疾病。本文就Nrf2-ARE信号通路的功能进行综述。

1　Nrf2-ARE信号通路分子基础

Nrf2属于Cap-n-collar（CNC）家族，是携带有亮氨酸拉链结构的转录因子。Nrf2基因含有6个功能区，分别被命名为Neh1～6。Neh1为碱性亮氨酸拉链基本序列，与小Maf蛋白形成杂化异二聚体，能够识别ARE上DNA序列（GCTGAGTCA）并与之结合，启动目标基因转录；Neh2介导Nrf2的降解，起负性调节作用；Neh3的羧基端是Nrf2基因转录必不可少的功能区域；Neh4和Neh5能够协同共激活因子环磷酸腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）参与Nrf2目标基因转录活性的激活；Neh6含有大量丝氨酸残基，其功能尚未明确［1］。Nrf2基因几乎能在所有细胞中表达，正常情况下，其在胞质中通过Neh2与Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白 1（Kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1）结合而被降解。当机体处于氧化应激状态或体内的氧化磷酸化作用可以促使Nrf2与Keap1解体，随后Nrf2转位进入细胞核，在各个功能区的密切配合下与ARE结合，启动Nrf2-ARE信号通路并促使下游Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶基因的表达。这些酶在保护机体免受活性物质及一些毒害物质损害中起到重要作用，主要包括过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽硫转移酶（GST）、醌氧化还原酶1（NQO1）、γ-谷氨酸合成酶重链（γ-GCSH）和轻链（γ-GCSL）以及血红素加氧酶1（HO-1）等［2-3］。

2　Nrf2-ARE信号通路功能

Nrf2-ARE信号通路是机体抗氧化应激的主要承担者，保护机体免受氧化应激导致的各种病理改变。随着研究的深入，现已发现该通路在人体中的作用广泛，与炎症、肿瘤、衰老、凋亡、神经损伤、人类生育以及一些妇产科疾病等均有关。

2.1与炎症的关系炎症反应是机体的一种自我保护机制，但其作用紊乱会导致机体损伤，造成炎症性疾病。当机体某部位的炎症反应紊乱时，中性粒细胞形变能力降低，从而滞留、聚集、活化；同时存在的趋化因子、细胞因子等炎症介质又进一步促进中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞的聚集，加重炎症反应。炎症反应常伴随有氧化应激，氧化物的存在可释放出活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），包括过氧化氢（H2O2）、超氧自由基（O2-）、羟自由基（·HO）等物质，对组织造成损伤。

Nrf2基因被激活后，启动Nrf2-ARE信号通路，使重要的抗炎酶HO-1基因得以表达，从而增加一氧化碳（CO）含量并且抑制巨噬细胞的活性，起到抗炎的作用［4］。Yu等［5］在以大白兔为模型的实验中发现，通过电针激活Nrf2-ARE通路，随后高表达的HO-1可显著降低内毒素导致急性肺损伤的严重程度，表明该通路在对抗大白兔急性肺损伤中起重要的抗炎作用。Ramyaa等［6］研究发现，槲皮苷可以通过激活 Nrf2-ARE信号通路来降低环氧合酶 2 （Cyclooxygenase 2，COX-2）的表达，而COX-2被公认为是重要的炎症因子。Saw等［7］对紫外线B段（UVB）放射引起小鼠皮肤炎的研究发现，Nrf2基因敲除小鼠更易发生皮肤炎，而莱菔硫烷则可以通过激活正常小鼠的Nrf2基因来降低或者预防皮肤炎的发生。2.2与肿瘤的关系肿瘤是一种严重威胁人类健康的疾病，当前研究提示Nrf2-ARE信号通路可以减轻部分肿瘤造成的伤害。Sid等［8］研究发现，AICAR （5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside）作为一磷酸腺苷（AMP）依赖的蛋白激酶的激活剂，可以通过激活Nrf2基因而调节肝癌细胞的氧化还原状态，减轻正常肝细胞的损伤，一旦使Nrf2基因沉默，AICAR的保护作用便消失。Leinonen等［9］在研究肺癌的基因治疗中发现，利用病毒载体使Nrf2基因高表达可以启动ARE激活人肺癌细胞内的胸腺嘧啶核苷激酶/丙氧鸟苷（TK/GCV），从而介导肺癌细胞的凋亡。Guo等［10］在研究白血病中发现，Nrf2基因具有抗肿瘤细胞增殖、转移和抗血管生成的作用，并且可以通过激活早幼粒细胞白血病蛋白（PML）来清除体内过多的ROS，从而对抗白血病引起的机体损伤。此外，Nrf2-ARE通路对口腔鳞状细胞癌、肺癌、胶质母细胞瘤等肿瘤均有一定的抑制和治疗作用［11-12］。

值得注意的是，Nrf2基因异常激活可以促进肿瘤的发生。Ji等［13］在研究小细胞肺癌时发现Nrf2-ARE信号通路可以使多药耐药相关蛋白1 （multidrug resistance associated proteint 1，MRP1）高表达，而MRP1高表达是肿瘤对多药耐药的重要原因。通过进一步研究已证实人类MRP1基因的5′调控区域包含2个ARE序列，即ARE-1 （gTGActcaGC）和ARE-2（gTGAgcggGC），这就是当Nrf2激活ARE时也激活了MRP1的分子机制。另外，Son等［14］在以人肺支气管上皮细胞为模型的实验中发现，异常激活的Nrf2可以引起bcl-2/bax比例下降，导致细胞处于抗凋亡状态，细胞存活增加，从而引起肿瘤的发生。

所以，在肿瘤预防与治疗中，应该正确对待激活Nrf2基因引起的利弊效应，Nrf2也因此有望成为肿瘤基因治疗的分子靶标。

2.3与衰老的关系衰老是机体各组织、器官功能随年龄增长而发生的退行性变化，自由基在衰老中起着重要作用，现公认为其是与衰老过程有关的最常见内源性生化因子。

Nrf2-ARE通路是机体抗衰老的一条重要信号通路，体内的自由基或者ROS激活该通路后，下游相关的抗氧化物得以表达，包括SOD、CAT以及谷胱甘肽（GSH）等，这些抗氧化物能够很好地清除自由基和氧化物质，从而保护机体免受损伤，对抗衰老。其中，SOD作为机体最重要的抗氧化酶，可使氧自由基发生歧化反应而被清除，是机体清除O2-的唯一金属酶类，也是对抗衰老的关键酶类。目前认为，阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）与脑内过多的氧自由基有关，而Prasad等［15］研究发现，摄入一些抗氧化食物可以通过激活Nrf2-ARE通路来清除氧自由基，从而抑制AD的前驱症状。

2.4与凋亡的关系凋亡是细胞的程序性死亡，bax 和bcl-2基因是与凋亡相关的调控基因。当bcl-2蛋白在细胞中过量表达时，与所有bax结合，细胞存活，抑制凋亡；当bax过量存在时，与bcl-2形成异源二聚体，同时激活Caspase基因，诱导细胞凋亡。有研究发现，紫檀芪可以通过激活Nrf2来上调bcl-2，与此同时下调bax和Caspase 3，从而抑制胰腺β细胞的凋亡［16］。Qu等［17］研究发现，Nrf2-ARE通路的激活可以通过抑制肝细胞凋亡而减轻呋塞米引起小鼠肝毒性的不良反应。

2.5与神经损伤的关系神经损伤往往是不可逆的，其原因是无法实现神经元的再生。造成神经的原发损伤称为一次损伤，此过程的危害程度是直接和无法弥补的。一次损伤后，紧接着在损伤的局部会形成炎症反应、氧化应激反应、水肿等病理改变造成机体的二次损伤，从而加重神经的进一步损害。由于神经细胞内还原性GSH含量少，神经细胞对氧化应激造成的二次损伤更加敏感，所以减轻或者避免神经组织的二次损伤是极为重要和有意义的。Li等［18］在研究老年性黄斑变性的实验中发现，Nrf2-ARE通路可以通过产生天冬氨酸氨基转移酶（AST）对抗H2O2对视网膜色素上皮细胞的氧化应激损伤，从而保护视觉功能。Li等［19］在创伤性脑损伤中发现，Nrf2高表达并释放出HO-1、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、SOD等抗炎、抗氧化物，可以减少脑内丙二醛、COX-2、白细胞介素6（IL-6）等基因的表达，从而显著降低神经细胞遭受损伤的数量和程度。以上研究说明，Nrf2-ARE通路在保护神经损伤中起着重要作用。2.6与生育的关系在女性生育中，卵巢的功能极其重要。有研究表明，Nrf2基因敲除小鼠更易被4-乙烯基环己烯氧化诱发卵巢衰竭［20］，表明Nrf2可以抵抗该物质引起的卵巢毒性。Zhao等［21］也证实Nrf2可以抵抗莠去津（一种除草剂）引起的卵巢氧化应激损伤，从而保护雌鼠的生育功能。在男性生育中，精子质量至关重要。Yu等［22］分析了196例特发性弱精子症、140例特发性少弱精子症以及295例正常对照男性的精液及精子标本，其中弱精子症和少弱精子症患者与正常对照男性相比，其精液SOD活力显著降低。进一步研究发现这与弱精子症和少弱精子症患者Nrf2启动子的改变导致SOD和GST的低表达有关，而这2种酶是精液中最主要的抗氧化酶。另外一项研究对比了314例重度吸烟者与非吸烟者之间Nrf2基因型以及精液SOD活力的关系，发现重度吸烟者更易表现为NRF2 rs6721961 TT基因型，而这种基因型与精液质量低下、精液SOD活力下降密切相关［23］。Li等［24］研究发现，将小鼠阴囊暴露于42℃高温25 min，可以时间依赖性地激活Nrf2以及下游的抗氧化基因。Li等［24］因此设想以激活Nrf2基因通路为分子靶标开发新药，很大程度上能够预防应激造成的男性生育力损伤。

2.7与妇产科疾病的关系研究证实，妊娠期高血压疾病可打破促血管生成因子与抗血管生成因子的动态平衡，造成血管内皮功能障碍，引起相关疾病。另外，子痫前期或妊娠期高血压可引起滋养细胞氧化损伤，造成滋养细胞凋亡甚至坏死。然而，通过激活Nrf2-ARE通路释放出HO-1/CO则可有效地维持血管生成因子的平衡，维护孕妇心血管微环境的稳态，并且有效抵抗滋养细胞的氧化损伤，从而降低妊娠期高血压疾病的危害［25-26］。Cheng等［27］的研究提示，若妊娠期糖尿病患者所孕育的胎儿内皮细胞Nrf2调节功能紊乱，其出生后则更可能罹患糖尿病及心血管疾病。一项临床研究探讨了女性绝经后口服雌激素与静脉血栓形成的关系，与不服用雌激素的女性相比，绝经后口服雌激素的女性其基因型为Nrf2 rs6721961型的妇女更易形成静脉血栓，其OR值高达17，该研究将来可能指导雌激素在绝经期妇女中的合理用药［28］。

综上所述，Nrf2的激活可以诱导肿瘤细胞的耐药，因此在妇科肿瘤的化疗中应该注意避免激活Nrf2基因。有研究证实，在卵巢癌的化疗中，Nrf2可引起肿瘤细胞对顺铂的抵抗［29］。Nrf2基因在其他妇科肿瘤的化疗耐药问题上暂无相关报道。

3　展望

随着对Nrf2-ARE通路分子机制的认识不断深入，其在人体中发挥的有益作用将逐渐被发现。该通路能够抑制很多疾病的发生和发展，已成为国内外研究的热点。针对Nrf2的抗肿瘤作用及与肿瘤耐药的关系，有学者提出考虑将其纳入肿瘤基因治疗的分子靶标之列。目前，相当多的研究已表明一些中药成份能够激活该通路而发挥保护机体的作用，如莱菔硫烷、五味子乙素、山奈酚等，这些研究为该通路更好地服务于人类健康具有里程碑的意义。遗憾的是目前临床上并没有一种特定激活Nrf2基因的药物。相信在不久的将来，针对Nrf2-ARE通路的相关功能能够开发出高效的药物，在疾病的预防、治疗和预后方面有一个广阔的应用前景。

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The Advanced Study on the Function of Nrf2-ARE Pathway

DONG Qu-long，WANG Hua，HOU Hai-yan，CHEN Ya-qiong. Department of Obstetrics and Gynecology，The Affiliated Hospital of the Chinese People′s Armed Forces Logisticals College，Tianjin 300162，China（DONG Qu-long，WANG Hua，HOU Hai-yan，CHEN Ya-qiong）；Tianjin Key Laboratory for Prevention and Control of Occupational and Environmental Hazard，Tianjin 300162，China（CHEN Ya-qiong）

CHEN Ya-qiong，E-mail：chenyq82@hotmail.com

2014-12-22）

［本文编辑秦娟］

国家自然科学基金（81273977）

300162天津，中国人民武装警察部队后勤学院附属医院妇产科（董渠龙，王华，侯海燕，陈亚琼）；天津市职业与环境危害防制重点实验室（陈亚琼）

陈亚琼，E-mail：chenyq82@hotmail.com

△审校者

#共同第一作者