Nrf2/ARE通路与器官缺血再灌注损伤

周佳虹　张金萍

(绍兴文理学院 医学院，浙江　绍兴312000)



Nrf2/ARE通路与器官缺血再灌注损伤

周佳虹张金萍

(绍兴文理学院 医学院，浙江绍兴312000)

摘要：随着医学技术的提高，对Nrf2/ARE通路在器官缺血再灌注损伤中作用的研究不断深入，逐步阐明了Nrf2/ARE通路与器官缺血再灌注损伤的关系.氧化应激是器官缺血再灌注损伤的最重要机制，而Nrf2是内源性细胞抗氧化应激的关键因子，Nrf2/ARE通路的激活，可以较好地改善器官缺血再灌注损伤状况.

关键词：缺血再灌注损伤；Nrf2/ARE通路;综述文献

引言

缺血器官在恢复血流灌注后损伤进一步加重的现象，称为器官缺血再灌注损伤[1].器官缺血再灌注损伤常见于机体休克、器官移植、心肺功能不全等临床实践中.核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2，Nrf2)是细胞调节抗氧化应激反应的关键转录因子，Nrf2通过与抗氧化反应元件(antioxidant response element，ARE)结合形成Nrf2/ARE通路，从而抵御机体内的氧化应激反应.因此，就Nrf2/ARE通路如何减轻器官缺血再灌注损伤的研究在临床实际应用中有很高的价值.本文就Nrf2/ARE通路与器官缺血再灌注损伤的最新研究进展做一综述.

1Nrf2/ARE通路的基本结构

1.1Nrf2

Nrf2是CNC转录因子的家族成员之一[2].Nrf2包含7个功能性结构域[3]Neh1-Neh7.Neh1位于Nrf2的C-端，含有1个亮氨酸拉链结构，能和Maf蛋白形成异源二聚体，Nrf2-Maf二聚体与ARE结合激活特定的基因表达[4].Neh2位于Nrf2的N-端，与Nrf2的泛素化有关.Nrf2通过此结构域可结合胞质蛋白伴侣分子Keap1( Kelch-like epichlorohydrin-associated protein 1，Keap1)，对Nrf2的活性起负调节作用.Neh3参与Nrf2转录活性的维持.Neh3、Neh4、Neh5可与共激活剂联合反式激活Nrf2靶基因[3].Neh6包含两个独立序列控制Nrf2的稳定性和活动性[5].Neh7与抑制因子相作用，抑制Nrf2基因转录[6].

1.2ARE

抗氧化反应元件ARE是体内一保护性顺式应答元件，位于编码Ⅱ相解毒酶和抗氧化蛋白基因上游的启动子区域.该元件可被氧化性和亲电性物质激活，从而起到保护细胞组织的作用.

1.3Keap1

胞质蛋白伴侣分子Keap1是Nrf2的特异性受体，包含5个结构域.NTR、CTR为两个末端序列.BTB/POZ区域通常与其他Keap1的BTB区结合形成复合物，从而影响Keap1与Nrf2的结合力.DGR区域含有6个 Kelch片段，是Keap1与Nrf2的Neh2结构域的结合位点.IVR区域位于BTB/POZ和DGR之间，起到连接作用，是整个蛋白的功能调节区.这一区域富含半胱氨酸残基，可调节Keap1的活性，触发细胞内的氧化还原变化，在维持细胞的氧化还原平衡方面起到关键作用[7].

2Nrf2/ARE通路的基本功能

Nrf2作为细胞调节抗氧化应激反应的关键转录因子.生理状态下，Keap1通过结合Nrf2将其束缚于细胞质内，并通过参与Nrf2降解过程，控制Nrf2的活性，使Nrf2处于生理平衡状态.当细胞受到氧化应激源作用时，Keapl-Nrf2结构被打破，Nrf2释放转入核内，与核内的专性伴侣-肌腱膜纤维肉瘤蛋白(musculoaponeu-roticfibrosarcoma protein，Maf)形成异二聚体，接着与抗氧化反应元件ARE结合，上调Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶表达，如NAD(P)H醌氧化还原酶1(nicotinamide quinone oxidoreductase GSTs)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、血红素氧化酶1(heme oxygenase-1,HO-1)、超氧化物岐化酶(superoxide dismutase,SOD)等，以增强细胞抗氧化损伤的能力[8-10].细胞内氧化还原平衡状态一旦恢复，Nrf2即从细胞核分离，随后转运出细胞核进入细胞质中被泛素化然后降解[3].Uruno A等[11]发现Nrf2进入细胞核内与ARE结合诱导靶基因生成的产物除抗氧化酶外，还包括抗炎蛋白、生长因子及调节Ca2+稳态平衡的相关蛋白.已有实验证明，药物对不同器官缺血再灌注损伤的保护作用，是通过上调Nrf2/ARE信号通路来实现的[12-14].

3器官缺血再灌注损伤的机制

器官缺血再灌注损伤是指器官一段时间缺血后，恢复血流供应反而使其组织细胞结构功能损伤加重，甚至出现不可逆性损伤的现象.已有研究认为，缺血再灌注损伤主要由自由基损伤作用、细胞内钙超载、白细胞损伤作用、微循环障碍、中性粒细胞浸润、白细胞和内皮细胞的激活释放等原因[15]所致.总之，缺血再灌注过程中产生的自由基导致的氧化应激[2]被认为是缺血再灌注损伤的重要机制.

器官受损后导致组织细胞缺血、缺氧，组织内三磷酸腺苷(ATP)水平降低.在恢复血流供应时，组织内氧含量迅速增加，细胞内各物质发生反应，生成大量氧自由基.氧自由基通过与细胞膜和线粒体膜脂质等发生反应，导致脂质过氧化，从而产生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS).另外，再灌注时中性粒细胞聚集激活、线粒体功能受损和儿茶酚胺增加及氧化均会产生大量氧自由基，如超氧阴离子(O2-) 和羟自由基(·OH)，导致体内氧化与抗氧化作用失衡，即产生氧化应激反应.

4Nrf2/ARE通路在缺血再灌注损伤中的作用机制

器官缺血再灌注损伤与细胞的氧化应激关系密切，真核细胞内几乎所有的抗氧化蛋白均受到Nrf2的调控[16]，而Nrf2/ARE通路的激活则主要表现为Nrf2及其下游HO-1、SOD1、NQO1等基因表达的上调[17-18].

4.1Nrf2/ARE通路与血红素氧合酶1

血红素氧合酶1(heme oxygenase 1,HO-1)是血红素降解的限速酶，广泛分布于哺乳动物多种组织细胞中，可被氧化应激、缺血再灌注、细胞因子、NO等多种刺激因子诱导而表达.实验证明[19]药物辛伐他汀预处理可诱导大鼠乳鼠心肌细胞Nrf2蛋白上调、过表达HO-1，从而保护缺血再灌注损伤的心肌细胞.HCV感染的细胞通常通过增加Nrf2入核并上调其靶基因的表达来对抗氧化应激反应.研究显示[20]芝灵酮通过激活Nrf2，诱导生成HO-1，有效抑制HCV的复制，从而对抗氧化应激反应，且沉默Nrf2后，芝灵酮的抗病毒活性消失.Bibo Ke等[21]通过小鼠肝脏移植引起的肝脏缺血再灌注模型发现，HO-1/细胞周期蛋白D1含量的增加，可有效限制肝脏炎症反应，促进细胞保护，减轻缺血再灌注损伤.

4.2Nrf2/ARE通路与超氧化物岐化酶

超氧化物岐化酶(superoxide dismutase,SOD)属于Nrf2-ARE调控的蛋白之一，对机体的氧化与抗氧化平衡起着重要作用.已有实验结果表明[22-24]，药物通过提高缺血再灌注组织中SOD含量，清除氧自由基，从而对组织损伤起到保护作用.吴迪等[25]实验研究结果显示，NaHS预处理是通过上调Nrf2表达，增加抗氧化酶SOD2含量，减少氧自由基生成酶XOD的含量，从而减轻由GI-R引起的胃黏膜损伤程度，同时，也可为临床上应用外源性H2S防治缺血再灌注引起的器官损伤提供理论依据.

4.3Nrf2/ARE通路与依赖还原型辅酶/Ⅱ醌氧化还原酶1

依赖还原型辅酶/Ⅱ醌氧化还原酶1(NADPH:quinone oxidoreductase,NQO1)可在ARE被激活后诱导产生，对各种代谢引起的氧化应激反应具有保护作用.已有研究结果[26-27]显示，药物可通过提高大鼠缺血再灌注组织中Nrf2、NQO1的表达，增强组织细胞应对氧化应激能力，从而起到保护作用.喻守佳等[28]研究结果显示，吡那地尔处理组的心肌细胞Nrf2、NQO1表达水平显著高于对照组，且处理组浓度越高，细胞内超微结构损伤越低，可推测NQO1表达的上调有抗心肌氧化应激的作用.

4.4Nrf2/ARE通路与过氧化氢酶

过氧化氢酶(catalase,CAT)是Nrf2调控的抗氧化酶之一，可通过将体内H2O2分解为氧分子和水，从而保护细胞，是体内重要的氧自由基清除剂. 张燕等[29]采用反复夹闭颈总动脉法制作的脑缺血再灌注模型实验显示，荷叶醇提物能明显提高CAT活性，并推测这可能是荷叶醇提物抗脑缺血损伤的机制之一.

4.5Nrf2/ARE通路与Peroxiredoxin

Peroxiredoxin(Prx)是广泛存在于真核生物和原核生物中的一类抗氧化蛋白，具有抗氧化和清除氧自由基的作用，可以保护细胞免受过氧化环境及氧自由基的损害的损伤[30].牛文民等[31]研究显示，针刺对于大鼠急性脑缺血再灌注时脑中风的保护作用，部分是通过提高Peroxiredoxin的表达而实现的.Bibo Ke等[32]利用Keap1负性调节Nrf2的特点，增加Nrf2的核转位和ARE靶基因Trx1的激活，从而减轻肝脏缺血再灌注损伤.

4.6Nrf2/ARE通路与γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶

γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-glutamylcysteine synthethase,γ-GCS)是合成还原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)的限速酶，GSH是体内重要的抗氧化剂和自由基清除剂.研究表明[33]喂给Nrf2+/+小鼠吡唑后，其肝脏组织细胞中γ-GCS、HO-1、GST表达明显上调，小鼠肝脏的氧化应激损伤减轻，而Nrf2-/-小鼠无此作用.已有实验证明[34]药物可通过Nrf2-ARE信号通路上调γ-GCS表达，提高GSH水平来改善肾脏缺血再灌注损伤.

4.7Nrf2/ARE通路与其他

除抗氧化之外，Nrf2还具有抗炎症及抗凋亡的作用.国外有研究显示[35]，Nrf2在肝缺血再灌注中通过上调炎症因子的表达，发挥抗炎作用从而减轻缺血再灌注对肝脏引起的损伤.刘永平等[36]实验观察电镜下心肌细胞超微结构及测量心肌细胞的凋亡数量变化推测，冠脉转染Nrf2基因抑制细胞凋亡可能是通过心肌细胞上Nrf2基因的过表达，激活线粒体Bcl-2/Bax通路，从而使Bcl-2/Bax比值上升来实现的.Ke B等[37]在对肝移植的研究中发现，Nrf2/ARE信号通路的激活，除诱导Trx1生成增多外，还可激活PI3K/Akt通路，从而对细胞起到保护作用.

5小结

缺血再灌注损伤现象存在于多种器官损伤治疗过程中，Nrf2/ARE通路作为近年来机体内抗氧化应激的重要信号通路，在心、脑、肝、肾等器官的各类疾病中研究较多.药物通过激活Nrf2/ARE信号通路，对细胞起抗氧化、抗凋亡等保护作用.然而，对于该作用的具体介导途径还存在许多无法解释的问题，对这一领域尚需进一步的探索.

参考文献:

[1]Grebenchikov OA,Likhvantsev VV,Elu P,et al.Molecular mechanisms of ischemic-reperfusion syndrome and its personalized therapy[J].Anesteziol Reanimatol,2014,(3):59-67.

[2]高健刚，李奎，侯四川.Nrf2在缺血再灌注损伤中作用的研究进展[J].齐鲁医学杂志，2015，30(2)：250-252.

[3]Jaramillo MC,Zhang DD.The emerging role of the Nrf2-Keap1 signaling pathway in cancer[J]. Genes Dev,2013,27(20):2179-2191.

[4]王娅，官志忠.慢性氟中毒对转录因子NF-E2相关因子2/抗氧化反应元件信号通路的影响[J].中华地方病学杂志，2015，34(2)：151-153.

[5]Chowdhry S, Zhang Y, McMahon M, et al. Nrf2 is controlled by two distinct β-TrCP recognition motifs in its Neh6 domain, one of which can be modulated by GSK-3 activity[J]. Oncogene，2013，32(32): 3765-3781.

[6]Wang H, Liu K, Geng M, et al. RXRα inhibits the NRF2-ARE signaling pathway through a direct interaction with the Neh7 domain of NRF2[J]. Cancer Res,2013,73(10):3097-3108.

[7]赵春阳，王晓良，彭英.Nrf2在神经退行性疾病中的作用及激活剂的研究进展[J].药学学报，2015,50(4)：375-384.

[8]Niture SK,Kaspar JW,Shen J,et,al.Nrf2 signaling and cell survival[J].Toxicol Appl Pharmacol,2010,244(1):37-42.

[9]Chen CS,Tseng Y,Hau YY,Lo YC.Nrf2-Keap1 antioxidant defense and cell survival signaling are upregulated by 17beta-estradiol in homocysteine-treated dopaminergic SH-SY5Y cells[J].Neuroendocrinology,2013,97(3):232-241.

[10]Alfieri A,Srivastava S,Siow RC,et al.Targeting the Nrf2-Keap1 antioxidant defence pathway for neurovascular protection in stroke[J].J Physiol,2011.589:4125-4136.

[11]Uruno A,Yagishita Y,Yamamoto M.The Keap1-Nrf2 system and diabetes mellitus[J].Arch Biochem Biophys,2015,566:76-84.

[12]何锦悦,饶梦琳,唐蜜,等.芍药苷对局灶性大鼠脑缺血再灌注脑组织中SOD、Nrf2表达的影响及神经保护作用[J].2014,39(2):178-182.

[13]Li W,Wu M,Tang L,et al. Novel curcumin analogue 14p protects against myocardial ischemia reperfusion injury through Nrf2-activating anti-oxidative activity[J].Toxicol Appl Pharmacol.2015,282(2):175-183.

[14]Hu Y,Duan M,Liang S,et al.Senkyunolide I protects rat brain against focal cerebral ischemia-reperfusion injury by up-regulating p-Erk1/2,Nrf2/HO-1 and inhibiting caspase 3[J].Brain Res.2015,1605:39-48.

[15]赵艳芝，李中秋，马怀安.二甲基亚砜治疗不同器官缺血再灌注损伤的研究进展[J].中国医药导报，2012,35(9)：64-68.

[16]丁士骜,梅举.Nrf2/Keap1-AREO通路与心肌缺血再灌注损伤[J].中国心血管病研究,2015,13(5):385-388.

[17]Shimada S, Fukai M, Wakayama K,et al. Hydrogen sulfide augments survival signals in warm ischemia and reperfusion of the mouse liver[J].Surg Today,2015,45(7):892-903.

[18]Chi X,Zhang R,Shen N,et al.Sulforaphane reduces apoptosis and oncosis along with protecting liver injury-induced ischemic reperfusion by activating the Nrf2/ARE pathway[J].Hepatol Int,2015,9(2):321-329.

[19]李倩，武维恒，李东野，等.辛伐他汀在心肌细胞缺血再灌注中的作用及机制[J].中华全科医学，2011,9(11)：1668-1670.

[20]Chen WC,Wang SY,Chiu CC,et al.Lucidone suppresses hepatitis C virus replication by Nrf2-mediated heme oxygenase-1 induction[J].Antimicrob Agents Chemother,2013,57(3):1180-1191.

[21]Ke B,Shen XD,Zhang Y. KEAP1-NRF2 complex in ischemia-induced hepatocellular damage of mouse liver transplants[J].J Hepatol,2013,59(6):1200-1207.

[22]朱雪钦，韩静，胡娟，等.补阳还五汤对大鼠局灶性脑缺血再灌注损伤保护作用研究[J].中国民族民间医药杂志，2015,1:42-43.

[23]孔晓君，王晓梅，高鑫，等.长春西汀对小鼠肾缺血再灌注损伤的保护作用[J].检验医学与临床，2015，12(9)：1183-1187.

[24]林美英，林水龙，赵晓馥，等.七叶皂苷钠对大鼠视网膜缺血再灌注损伤SOD和MDA的影响[J].中国伤残医学，2014，22(2)：20-21.

[25]吴迪，刘磊，王光明，等.外源性硫化氢通过Keap1-Nrf2信号通路减轻胃缺血再灌注引起的黏膜损伤[J].徐州医学院学报，2015,35(1)：28-32.

[26]林雪梅，赵敬，喻姗姗，等.二烯丙基硫醚对大鼠脑缺血再灌注损伤后Nrf2、NQO1表达的影响[J].中风与神经疾病杂志，2011,28(2)：100-103.

[27]李小娟，王海英，杜文娟，等.Nrf2-ARE信号通路在乳化异氟醚后处理减轻大鼠心肌细胞缺氧复氧损伤中的作用[J].中华麻醉学杂志，2014，34(8)：992-995.

[28]喻守佳，王海英，喻田，等.Nrf2-ARE通路在缺氧/吡那地尔后处理减轻大鼠心肌细胞缺氧复氧损伤中的作用[J].中国病理生理杂志，2013，29(9)：1696-1703.

[29]张燕，李俊.荷叶醇提物对脑缺血再灌注抗氧化作用的实验研究[J].食品与药品，2012,14(1)：29-31.

[30]毛爽，陈少沛，颜晟，等.人抗氧化蛋白-1在大肠杆菌中的表达、纯化及活性鉴定[J].现代食品科技，2014,30(9)：55-59.

[31]牛文民，刘智斌，杨晓航，等.针刺保肝护脑对脑缺血再灌注肝损伤大鼠抗氧化蛋白Peroxiredoxin表达的影响[J].福建中医药，2012,43(6)：4-6.

[32]Ke B,Shen XD,Zhang Y. KEAP1-NRF2 complex in ischemia-induced hepatocellular damage of mouse liver transplants[J].J Hepatol,2013,59(6):1200-1207.

[33]Zhong J L,Edwards G P,Raval C,et al.The role of Nrf2 in ultraviolet A mediated heme oxygense 1 induction in human skin fibroblasts[J].Photochem Photobiol Sci,2010,9:18-24.

[34]李奎，高健刚，孙延波，等.左卡尼汀对肾脏缺血再灌注损伤中Nrf2和γ-GCS表达影响[J].齐鲁医学杂志，2012,27(4)：326-328.

[35]Huang J,Shen XD,Yue S,et al.Adoptive transfer of heme oxygenase-1 (HO-1)-modified macrophages rescues the nuclear factor erythroid 2-related factor (Nrf2) antiinflammatory phenotype in liver ischemia/reperfusion injury[J].Mol Med,2014,20(1):448-455.

[36]刘永平，魏来，陈文雁，等.冠脉转染Nrf2基因对缺血再灌注心肌细胞凋亡的作用和影响[J].医学临床研究，2013，30(2):253-255.

[37]Ke B,Shen XD,Zhang Y,et al. KEAP1-NRF2 complex in ischemia-induced hepatocellular damage of mouse liver transplants[J].J Hepatol,2013,59(6):1200-1207.

(责任编辑鲁越青)

Nrf2/ARE Pathways and Organ Ischemia-reperfusion Injury

Zhou JiahongZhang Jinping

(Medical School, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Abstract：With the improvement of medical technology and the deepening study of the role of Nrf2/ARE pathways in different organ ischemia-reperfusion injury, the relationship among Nrf2/ARE pathways and organ ischemia-reperfusion injury was gradually illustrated. Oxidative stress is one of the most important mechanisms in organ ischemia-reperfusion injury; the Nrf2 is the key factor of the endogenous cells against oxidative stress; the activation of the Nrf2/ARE pathways can improve the situations of organ ischemia-reperfusion injury.

Key words：ischemia-reperfusion injury; Nrf2/ARE pathway; literature review

收稿日期：2015-09-30基金项目：2015年绍兴文理学院校级学生科技创新重点项目，2015年绍兴文理学院院级学生科研重点项目(20150012)

作者简介：周佳虹(1994-)，女，浙江绍兴人，本科在读，研究方向：生殖医学.通讯作者：张金萍(1956-)，女，山东荣城人，教授，研究方向：生殖医学.

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.21

中图分类号：R65

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2016)07-0100-05