Nrf2基因在紫外线氧化应激与光老化中的作用研究进展

任 静，马良娟

1 光老化发病机制

皮肤是机体的生理屏障，保护机体免受病原体、化学或物理损伤，它也是直接暴露于紫外线辐射的器官。紫外线照射可导致皮肤的氧化应激反应：急性炎症反应（红斑、晒伤）[1]和慢性反应，包括光老化[2]（皮肤干燥、粗糙、松弛、皱纹、萎缩，以及出现色素沉着、毛细血管扩张）和各种皮肤癌[3]。光老化组织病理表现为表皮细胞厚度和形态的变化，黑素细胞的增殖，朗格汉斯细胞的形态变化、活动障碍、数量减少，基膜排列紊乱；真皮层弹性纤维增加，弹性蛋白的改变和Ⅰ型胶原纤维的减少降低，炎性细胞的聚集（肥大细胞、嗜酸粒细胞和中性粒细胞）。另外，微循环和血管生成的形成，可导致毛细血管扩张[4]。

紫外线照射皮肤发生氧化应激反应，从而诱导产生以羟自由基和脂质过氧化物为主的活性氧（reactive oxygen species，ROS），如超氧阴离子自由基（、单线态氧和羟自由基（•OH）等。ROS可直接导致脂质、蛋白质和核酸的损伤以及皮肤光老化[5]。另外，ROS可通过激活核因子NF-κB，从而影响细胞因子在角质形成细胞和真皮细胞表面的表达。在这个过程中最重要的细胞因子包括白细胞介素（IL）-1、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）和肿瘤坏死因子（TNF）-α。这些细胞因子刺激丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs），激活转录因子 AP-1（c-Fos与 c-Jun所组成的异二聚体）。AP-1可诱导基质蛋白金属酶（matixmetalloproteinases，MMPs）的合成，MMPs 发挥降解细胞外基质（胶原蛋白和弹性蛋白）及抑制胶原蛋白的合成，基质蛋白金属酶在光老化组织学表现中以及皱纹形成中具有重要作用[6]。因此，细胞光老化的基础是ROS的产生。

近些年使用抗氧化剂清除ROS防止光老化是人们研究的热点之一。目前发现较多的具有抗氧化性损伤的物质均具有显著的延缓光老化的作用，如超氧化物歧化酶、生育酚、抗坏血酸、维A酸、绿茶、番茄红素和N-乙酰基半胱氨酸等。以上研究表明具有抗氧化作用的物质就有可能对皮肤光老化有防护作用。

2 红系特异性转录因子相关因子（Nrf 2）的作用和抗氧化机制

Nrf 2 以转录调控的方式对抗皮肤细胞的氧化应激，Nrf 2基因是帽和领转录因子家族的一员，并在所有类型的表皮细胞表达[7]，其中还包括Nrf1和Nrf3。正常情况下，Nrf 2由细胞质中的结合蛋白（kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1）调控，在细胞内的氧化条件下，可脱落并被转运到细胞核，它形成一个复杂的小Maf蛋白，然后与抗氧化反应原件（antioxidant response elemen，ARE）结合，启动抗氧化基因的转录。

Nrf 2诱导转录的与细胞保护有关的抗氧化酶，主要有谷胱甘肽S-转移酶（(glutathione Stransferase，GST）、 醌 氧 化 还 原 酶 (nicotinamide quionone oxidoreductase，NQO1），葡萄糖醛酸转移酶（UDP-glucuronosyltransferases，UGT）、γ-谷 氨酰半胱氨酸连接酶（glutamate cysteine ligase，GCL）、血红素氧合酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）、谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）[8-10]。Nrf 2也可激活基因转录中含有ARE结构序列的非抗氧化蛋白酶（如硫氧还蛋白，铁蛋白）[11,12]。SOD是由蛋白质和金属辅酶构成的一种金属酶，可分为Cu、Zn、Mn及 Fe等不同亚型，其中Cu-SOD和Zn-SOD存在于胞质内，Mn-SOD存在于线粒体内和细胞外。它们在不同部位通过歧化反应将超氧阴离子自由基（再加上两个质子）转化为氧气（O2）和过氧化氢（H2O2），之后过氧化氢酶再将H2O2转化为水（H2O），从而在氧化反应中保护细胞免受损害。GST 将 谷胱甘肽（glutathione，GSH）转移至亲电试剂，从而在氧化防御和解毒起到关键作用。GCL在维持GSH稳态中起关键作用，其表达水平通常与GSH浓度成正比[13,14]。GSH是细胞和组织中最丰富的抗氧化剂，可改变和抑制Nrf 2-Keap1构象，使活性Nrf 2释放到细胞质中[15,16]，并增强抗氧化酶（NQO1，HO-1）在细胞中的表达[17]。HO-1可阻止游离的血红素参与氧化应激反应。Shah等[18]发现Nrf 2转录生成的血红素氧合酶-1发挥着肝脏和心脏的保护作用，血红素氧合酶-1有抗炎、抗氧化、控制细胞增殖等作用。NQO-1是维持细胞内物质处于氧化还原状态的黄素酶，它通过利用NAD（P）H作为电子受体催化各种醌及其衍生物，使其失去2个电子，发生还原，从而阻止它们进一步参与氧化反应和产生ROS，使细胞在氧化应激反应中受到保护。因此，Nrf 2通过诱导转录抗氧化酶而发挥抗老化的作用。

另一方面，ROS通过调控转录因子NF-κB维持细胞存活和凋亡之间的平衡[19-21]。NF-κB与Nrf 2竞争作为共激活子的CREB结合蛋白（CREB-binding protein，CBP）[21]。NF-κB招募组蛋白去乙酰化酶3引起局部低乙酰化阻碍Nrf 2信号转导[22]。

对Nrf 2基因敲除小鼠进行紫外线照射，其抗氧化基因的表达降低后，氧化应激损伤明显加强，从而证明 Nrf 2-ARE通路是调控细胞内氧化还原状态的重要途径[23]。脑缺血再灌注损伤机制之一是产生的大量自由基与脂质、蛋白质及核酸发生反应，从而导致膜脂质过氧化，引起膜破坏，细胞溶解和组织水肿等反应。在进行大鼠脑缺血再灌注的试验时，大鼠脑缺血后再灌注的脑组织中Nrf 2的表达上升，使用激动剂增加Nrf 2表达时，缺血脑组织的含水量减少，梗死体积缩小，证明 Nrf 2在脑缺血再灌注的损伤中具有保护作用以及具有清除自由基的作用[24]。

Yu等[25]研究表明Nrf 2 激动剂可增加高脂饮食导致的小鼠的肥胖和胰岛素导致的代谢综合征。小鼠的Nrf 2 基因剔除的试验证明Nrf 2因子的缺陷能导致糖耐量减退而使血糖值过高，证明 Nrf 2的抗氧化作用为糖尿病和肥胖的临床治疗提供新的解决方案。

3 Nrf 2在皮肤老化中的应用

近年来，空气污染已严重破坏臭氧层，导致紫外线的暴露增加，使皮肤病（皮肤老化和皮肤癌）的发病率在世界范围内急剧增加[26]。因此，探索激活细胞防御的保护性分子，包括天然产物中的保护性分子，即通过激活Nrf 2以防护紫外线诱导的氧化应激，为光老化的防治提供新策略。由于表皮角质形成细胞经常暴露于紫外线（ultraviolet A，UVA）照射，激活Nrf 2是人类皮肤细胞的有效保护的关键。因此，增加Nrf 2水平是提高护肤品或防晒产品作用的一个有效途径。

目前，研究的Nrf 2 激动剂主要有：①莱菔硫烷：从绿花椰菜中提取的Nrf 2诱导剂，可激活 Nrf 2 信号通路，促进醌氧化还原酶NAD（P）H、谷胱甘肽巯基转移酶、GCL、UGT等的表达，能够防护肿瘤的化合物引起的脱氧核糖核酸破坏和癌变[27]。研究证明，莱菔硫烷可减轻紫外线引起的皮肤炎症反应和晒伤[28]。莱菔硫烷缓解抑制药物所诱导的光氧化应激损伤，为莱菔硫烷在临床上治疗光损伤性疾病提供了新的思路[29]。②茶多酚：从茶叶中提取的主要药效成分，儿茶素为其主要组成。研究表明，野生型小鼠经过茶多酚处理后，可增加Nrf 2/keap1诱导控制的酶类GCL、HO-1等表达，而在剔除Nrf 2基因的小鼠中却没有相似的表达[30]。③姜黄素：从姜科植物的根茎中提取的有效成分，有文献报道发现姜黄素可通过解离 Nrf 2-keapl，诱导激活 Nrf 2的表达，也可诱导GSH生物合成基因，从而增加GSH的表达水平[31]。④富马酸二甲酯：可抑制 NF-κB，激活Nrf 2 增加 NQO1、HO-1 以及谷胱甘肽的水平等[32]；研究发现，在用富马酸二甲酯处理的星状细胞核中Nrf 2水平高于比对照组，证明富马酸二甲酯通过激活细胞的 Nrf 2/ARE 通路，增加GSH的表达水平，而发挥细胞的保护作用[34]。神经细胞或动物经富马酸单甲酯处理后，可检测到细胞核内 Nrf 2 水平增加，而在敲除Nrf 2 基因的小鼠中没有类似的表达[33]。⑤丹参酮：为中药丹参中所提取的成分，具有抗氧化、抗炎、抗癌等功效。研究发现丹参酮可通过激活Nrf 2减轻紫外线照射所引起的成纤维母细胞和角质形成细胞的损害。研究证实，人真皮成纤维细胞经过丹参酮处理后，Nrf 2表达水平是非处理组的 1.5～2.5倍[34]。⑦其他激活剂：如白藜芦醇、咖啡醇和咖啡白醇、番茄红素、咖啡酸苯乙酯等，通过诱导Nrf 2依赖的抗氧化应答，从而发挥细胞保护作用。

4 结语

Nrf 2在氧化应激反应中发挥着重要的保护作用，而人类的许多疾病与氧化应激有关。因此，在细胞及分子水平上研究Nrf 2的防护作用，将为人类相关疾病的防护提供一种新思路和新靶点，并在临床提供实际的解决方案。

【参 考 文 献】

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