Nrf2／ARE/HO－1通路：阿尔茨海默病神经保护的潜在靶点

Nrf2/ARE/HO-1通路：阿尔茨海默病神经保护的潜在靶点

王洪权王玉敏1

(赤峰学院医学院赤峰学院附属医院神经内科，内蒙古赤峰024005)

关键词〔〕核因子E2相关因子2；血红素加氧酶-1；阿尔茨海默病；神经保护

中图分类号〔〕R741.05〔

基金项目：国家自然科学

1肿瘤内科

第一作者：王洪权(1979-),男，博士，副教授，主要从事神经退行性疾病发病机制及其防治的临床与基础研究。

近年研究表明，调节Nrf2/ARE/HO-1通路在各种神经系统疾病中具有神经保护作用。通过遗传学或药理学手段上调Nrf2或HO-1的表达，在动物模型和细胞体系中具有神经保护作用。因此有必要就Nrf2/ARE/HO-1在阿尔茨海默病(AD)中作用的研究进行梳理。本文对Nrf2/ARE/HO-1在AD中作用的研究历史进行了梳理。调节Nrf2/ARE/HO-1通路的激活剂有望成为治疗AD的手段。氧化应激(OS)损伤在AD的发病机制和进展中发挥着重要的作用〔1〕。鉴于OS在AD中的重要作用，因此，针对抗OS的治疗策略对AD的发生和发展是有效的治疗途径。

1Nrf2-ARE-HO-1通路

OS激活应激反应，适应ROS介导的细胞损伤，维持氧化还原平衡，从而保护细胞免于致死性损伤〔2〕。这一适应反应经常需要上调内源性抗氧化酶，这些酶的表达水平受许多转录因子的调控。抗氧化酶发挥其对氧化应激损伤的抑制作用。细胞有三种主要的细胞成分参与抗氧化反应的调节，它们是Kelch样环氧氯丙烷(ECH)相关蛋白-1 (Keap1)、核因子NF-E2相关因子-2(Nrf2)和抗氧化反应原件(ARE)，它们组成Keap1-Nrf2-ARE信号转导通路，从而在转录水平调节一系列细胞保护蛋白的表达〔3〕。受此通路调节的酶包括血红素加氧酶-1(HO-1)〔4〕，由此组成Keap1-Nrf2-ARE-HO-1通路(图1)。Nrf2为细胞对氧化还原应激做出反应的主要执行者。许多研究表明，应激条件下，Nrf2的激活可以促进细胞存活。Nrf2是转录因子亮氨酸拉链家族的一个成员。Nrf2的转录活性受细胞骨架相关性抑制蛋白Keap1的调节。在未受刺激的情况下，Keap1募集Nrf2，Nrf2与Keap1在胞质内形成一个复合体，从而经泛素蛋白酶途径降解〔5〕。亲电子物质或者氧化刺激引起Keap1的修饰，使Keap1-Nrf2复合体解离，从而游离出Nrf2，进而Nrf2从胞质转位到胞核内。Nrf2进入到细胞核后与存在于HO-1和其他一些细胞保护酶蛋白基因的启动子区的ARE和其他转录因子(如sMaf等)结合，从而启动和诱导这些基因的表达。

图1　Keap1-Nrf2-ARE-HO-1通路图

2HO-1在AD中的神经保护作用

HO-1是一个具有保护作用的在应激早期发挥反应的抗氧化酶蛋白,其参与游离血红素降解的限速酶，其分子量为32 kD，HO-1催化血红素产生一氧化碳(CO)、胆绿素biliverdin (快速地转化为胆红素bilirubin)和游离铁〔6〕。近年来研究表明，HO-1通过抗氧化损伤作用而发挥其神经保护作用〔7〕。HO-1在以脑氧化损伤和beta-淀粉样蛋白(Aβ)相关病理改变为特征的AD中所起的作用引起研究者的关注。

2.1HO-1与老年斑HO-1蛋白水平在AD脑内显著升高并与神经元纤维缠结共存，表明抗氧化防御系统的激活〔8〕。HO-1 mRNA水平在AD新皮质和脑血管升高〔9〕。升高的HO-1亦与老年斑共存，而HO-1似乎更在海马中与老年斑相关的星形神经胶质中过表达〔10〕。淀粉样前体蛋白(APP)过表达的转基因鼠中HO-1在Aβ沉积物中的表达升高，这与AD病人脑内的老年斑内的表达相似〔11〕。研究结果表明，Aβ可以剂量依赖性诱导HO-1的表达，暗示HO-1的诱导表达可能是机体试图来缓解和抑制Aβ沉积诱导的氧化损伤。2000年，Snyder研究组发现HO-1表达增加并不促进Aβ生成，而APP尤其是AD病理突变的APP可抑制HO-1的生物活性进而使神经元易受毒性物质的损害〔12〕，这一发现表明，通过药理学手段阻断APP与HO-1的相互作用或许具有临床获益。 HO-1对于减弱AD的神经退变中发挥重要作用。在大鼠和小鼠小神经胶质细胞中，外源性给予HO-1蛋白能够诱导细胞因子如肿瘤坏死因子(TNFα)和白细胞介素(IL-6)的产生，促进Aβ的吞噬作用和清除〔10〕，这表明，HO-1在AD中具有神经保护作用。调控固醇的稳态对于AD的病理非常重要，因为大量游离的胆固醇和促进Aβ的沉积和神经退变。星形胶质细胞瞬时过表达HO-1能够显著降低细胞内胆固醇的浓度〔13〕。轻度认知功能障碍(MCI)和早期AD中，促进HO-1的表达可刺激星形胶质细胞胆固醇的合成和外流。

2.2HO-1与tau在AD 中上调HO-1具有另一个潜在治疗作用，即可通过泛素蛋白酶系统来清除tau蛋白。AD脑内蛋白酶体的活性降低，Aβ可在培养细胞抑制蛋白酶体功能〔14〕。在神经退行性疾病中，HO-1的表达分布在空间上与tau相似，HO-1与tau蛋白形成的神经元纤维缠结相关〔15〕。APP过表达的转基因鼠中可以再现HO-1在tau蛋白组成的神经元纤维缠结周围聚集，更加证明了HO-1在临床和实验性AD中的作用〔16〕。在成神经瘤细胞中，HO-1过表达可显著降低tau蛋白的水平，而这一效应可被抑制HO-1的活性所逆转〔17〕。M17成神经瘤细胞中HO-1的瞬时表达增加，可促进tau蛋白经蛋白酶体途径降解，而HO-1抑制剂锡中卟啉(SnMP)或蛋白酶体抑制剂乳胞素可阻断HO-1的这一效应〔18〕。因此，在AD脑内HO-1的上调因此可刺激UPS，进而限制毒性tau的聚集。综上所述，HO-1对于Aβ和tau引起的损伤具有抑制作用。因此，在AD中上调HO-1的表达，有利于抗损伤。

2.3诱导HO-1 表达在AD具有神经保护作用HO-1在神经元内表达对AD起保护作用，通过HO-1表达的诱导剂上调HO-1的表达来增强细胞的抗氧化能力，可能成为预防和治疗AD的措施。这种假设被前人的研究结果所证实，Le等〔19〕的研究表明Aβ处理SN 56后伴随着HO-1 表达的上调，HO-1反义寡核苷酸预处理SN 56后降低HO-1的免疫活性，并促进Aβ诱导的神经毒性。然而HO-1的诱导剂氯高铁血红素预处理SN 56细胞后，HO-1的表达上调，并可降低Aβ诱导的神经毒性。此研究表明，HO-1在保护细胞免受氧化损伤中发挥重要作用。本文的前期研究表明，通过药理学途径上调HO-1的表达可以抑制Aβ 诱导的神经毒性损伤，这为HO-1参与直接抑制Aβ 诱导的神经毒性损伤提供了直接的研究证据〔20〕。最近Li的研究证实了前期研究结果，前胡素上调HO-1的表达并抑制Aβ 诱导的神经毒性损伤，HO-1 竞争性抑制剂锌原卟啉预处理，可以减弱前胡素对Aβ 诱导的神经毒性损伤，这表明HO-1的上调直接参与前胡素对Aβ 神经毒性损伤的抑制作用〔21〕。同时近期其他研究也证实了HO-1在AD中具有神经保护作用〔19，22，23〕。在SH-SY5Y细胞中，姜酚通过激活Nrf2上调HO-1的表达来抑制Aβ25～35〔24〕。SHXW可通过上调Nrf2和HO-1来抑制Aβ1～42诱导的SH-SY5Y细胞凋亡的发生和ROS的产生〔25〕。最近研究显示，葛根素可通过磷酸化糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)使其失活，进而激活Nrf2，从而诱导HO-1的表达上调抑制Aβ25-35诱导的原代培养大鼠海马神经元细胞的毒性损伤〔26〕。综上所述，HO-1 在AD 具有神经保护作用，通过药理学手段上调HO-1的表达能够抑制Aβ诱导的神经毒性损伤。

3Nrf2在AD中的神经保护作用

3.1细胞水平证据HO-1的上游调节因子Nrf2在脑内的生理作用以及神经保护作用亦引起了广大研究者的兴趣。最近研究表明，Nrf2在本身亦具有神经保护作用。Nrf2 缺失的胶质细胞和皮层神经元更易受氧化应激损伤的影响〔27〕，相反胶质细胞Nrf2过表达可以增强胶质细胞-皮层神经元共培养系统的抗氧化能力〔28〕。另一项研究表明，Kavalactones可以通过ERK1/2通路依赖的Nrf2的激活来抑制Aβ的神经毒性损伤，同样，而这种神经保护作用与包括HO-1在内的保护基因的表达上调有关〔29〕。染料木黄酮能够通过激活PI3 K进而活化Nrf2，从而抑制Aβ25～35诱导的脑血管内皮细胞bEND.3的氧化损伤〔29〕。最近Lee的研究表明，莱菔硫烷(SFN)能够抑制Aβ25～35诱导的SH-SY5Y细胞的死亡，这一作用与SFN激活Nrf2有关，因为siNrf2可以减弱SFN对Aβ25～35诱导的SH-SY5Y细胞死亡的抑制作用〔30〕。尽管本研究中显示SFN可以上调HO-1的表达，但作者并未提供直接的证据表明，HO-1的表达上调参与SFN对Aβ25～35诱导的SH-SY5Y细胞死亡的抑制作用，值得进一步研究。最近研究显示芍药苷能够活化Nrf2/ARE 通路减轻Aβ1～42诱导的大鼠海马神经元损伤〔31〕。天麻甙通过上调Nrf2抑制Aβ1～42诱导的原代培养大鼠海马神经元细胞的毒性损伤〔32〕。龙脑通过Nrf2激活发挥其抗氧化损伤作用，进而抑制Aβ1～42诱导的SH-SY5Y细胞损伤〔33〕。最近研究显示，Nrf2的激活可抑制氧化应激诱导的Aβ产生。在NT2N 神经元细胞中，壳聚糖〔34〕和叔丁基对苯二酚〔35〕可通过激活Nrf2抑制Aβ的产生以及氧化应激损伤。综上所述，在AD中，调节Nrf2/ARE/HO-1通路似乎成为一个潜在的治疗靶点。

3.2动物水平证据通过遗传学或药理学途径激活Nrf2在AD亦具有神经保护作用。Kanninen等〔36〕的研究表明，通过给AD转基因小鼠(APP/PS1 mice)脑室内注射过表达Nrf2的慢病毒后，可以提高小鼠的空间学习能力，Nrf2转基因与HO-1的诱导表达有关，表明这种保护作用与Nrf2-ARE通路的激活有关，另有研究表明姜黄、吡咯烷二硫代氨基甲酸盐和亲电子化合物等可以激活Nrf2，从而减轻AD转基因动物的认知缺陷〔37〕。另外，体内研究表明，Nrf2可以抑制线粒体毒素引起的神经损伤〔38〕。在AD中，Nrf2-ARE通路受损，而通过tBHQ增强Nrf2-ARE通路或者通过腺病毒过表达Nrf2可以抑制Aβ的神经毒性，而这种神经保护作用与受Nrf2调控的HO-1表达上调有关〔39〕。在Wistar大鼠海马注射Aβ的模型中，Nrf2蛋白稳定剂可以抑制Aβ诱导的半胱氨酸蛋白酶(caspase-3)的激活和OS损伤发生〔40〕。糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)是一个与AD病理密切相关的丝氨酸/苏氨酸蛋白酶。GSK-3β参与tau蛋白的异常磷酸化，导致神经原纤维缠结的形成。研究显示，GSK-3β过表达可以通过抑制Nrf2，下调包括HO-1在内的二项酶蛋白表达。在AD转基因SAMP8小鼠中，GSK-3β反义寡核苷酸可通过激活Nrf2而减弱大脑皮质OS的发生，并可提高小鼠的记忆和学习能力〔41〕。

4问题与展望

综上所述，通过药理学途径调节Nrf2/ARE/HO-1通路在AD中具有神经保护作用，可以抑制Aβ诱导的神经毒性损伤，因此调节Nrf2/ARE/HO-1通路有可能成为治疗AD的潜在的新靶点。然而，Nrf2和HO-1在AD中的神经保护作用机制还有待于深入研究，对于Nrf2和HO-1转基因动物与AD转基因动物的杂交进一步探讨Nrf2和HO-1在AD中的作用有待于进一步研究。调控Nrf2/ARE/HO-1通路有可能成为治疗AD新的潜在靶点。与此同时，筛选出具有激活Nrf2，进而诱导HO-1表达的天然化合物具有广泛的应用前景。

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〔2013-09-09修回〕

(编辑袁左鸣)