Keap1-Nrf2/ARE抗氧化通路在肿瘤中的研究进展

云图娅 苏秀兰

[摘要] 活性氧可通过攻击损伤脱氧核糖核酸或核糖核酸造成细胞突变，诱导细胞癌变。Keap1-Nrf2/ARE是机体重要的氧化应激通路，Nrf2作为该系统的主效应因子，通过激活调控机体内多种Ⅱ相解毒酶的表达预防正常细胞恶变，发挥抗癌作用。有细胞及动物实验证明Nrf2可以促进肿瘤的发展，同时也能增加肿瘤细胞对化疗药物的耐受性。研究Keap1-Nrf2/ARE通路信号转导对于肿瘤的预防、发展和靶向治疗至关重要。

[关键词] 氧化应激;Keap1-Nrf2/ARE通路;肿瘤;耐药

[中图分类号] R73          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）10（a）-0056-04

Research progress of Keap1-Nrf2/ARE antioxidant pathway in tumors

YUN Tuya   SU Xiulan

Clinical Medicine Research Center， Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot   010030， China

[Abstract] Reactive oxygen species can cause cell mutation and induce cell carcinogenesis by attacking deoxyribonucleic acid or ribonucleic acid. Keap1-Nrf2/ARE is an important oxidative stress pathway in the body. As the main effector of this system， Nrf2 can prevent malignant transformation of normal cells and play an anti-cancer role by activating and regulating the expression of various phase Ⅱ detoxifying enzymes in the body. Cellular and animal experiments have shown that Nrf2 can promote the development of tumors and increase the tolerance of cancer cells to chemotherapeutic drugs. Research on signal transduction of Keap1-Nrf2/ARE pathway is essential for cancer prevention， development and targeted therapy.

[Key words] Oxidative stress; Keap1-Nrf2/ARE pathway; Tumor; Drug resistance

在日常生活中经常会遭受各种化学和物理污染，包括环境污染物、食品添加剂、天然植物生物碱、紫外线和电离辐射等。此外，在生理代谢和病理过程中还存在许多内在毒物，包括活性氧（ROS）和促炎细胞因子。ROS担当着控制细胞氧化还原稳态重要信使的角色，但超负荷的氧化应激会损伤细胞结构，其导致的慢性炎症，后期还可能致癌[1]。Keap1-Nrf2/ARE系统是脊椎动物在进化过程中获得的最关键的细胞保护机制之一，是一种综合的氧化还原敏感信号系统，可调节基因的1%～10%[2]。Nrf2是体内多种Ⅱ相解毒酶的主要转录激活因子，细胞损伤时Nrf2将上调并激活下游Ⅱ相解毒酶，增强细胞对氧化应激的耐受能力，因此，靶向Keap1-Nrf2/ARE信号通路被认为是预防和治疗由氧化应激和炎症引起的疾病的合理方法[3]。同时有研究发现，Nrf2在肿瘤中呈现高表达，肿瘤细胞可通过Nrf2信号通路增强自身的抗氧化应激能力，从而增加对放疗和化疗的耐受性。本文简要介绍了Keap1-Nrf2/ARE信号通路及其在肿瘤发病及耐药方面的新进展。

1 Keap1-Nrf2-ARE抗氧化通路概述

1.1 Keap1

Keap1是由624个氨基酸残基组成的二聚体蛋白质，主要位于细胞质中。同时，它也在细胞质和细胞核之间穿梭。Keap1的氨基酸序列在小鼠，大鼠和人类中是高度保守的。Kelch结构域具有6个重复序列（KR1-KR6）和多个蛋白质接触位点，其介导Keap1与Nrf2在细胞骨架肌动蛋白或肌球蛋白的结合。人类Keap1共含有27个半胱氨酸残基，其中7个（即Cys151、Cys257、Cys273、Cys288、Cys297、Cys434、Cys613）对ROS和亲电子试剂具有高度反应性，并被认为参与氧化还原反应[4]。Keap1的特定半胱氨酸残基修饰是氧化应激条件下细胞中蛋白质构象变化的原因，Keap1可与Nrf2结合阻止其进入细胞核。因此，Keap1也被称为Nrf2的抑制剂[5]。

1.2 Nrf2

人类的Nrf2具有605个氨基酸残基，形成了6个保守结构域（Neh1～Neh6）。Neh1具有bZip基序，其负责与小Maf（肌肉腱膜纤维肉瘤）蛋白的异二聚化[6]。N末端的Neh2结构域含有与Keap1 Kelch结构域结合的DLG和ETGE基序，其负性调节Nrf2的转录活性。C末端的Neh3、Neh4和Neh5通过与组蛋白乙酰转移酶结合介导Nrf2反式激活活性。Nrf2的Neh6结构域在Keap1非依赖性降解途径中起关键作用。Nrf2转录因子普遍表达并存在于各种器官和组织中，包括肾、肺、心脏、肝脏和脑等，是一种有效的转录激活因子，可防御细胞毒性和氧化损伤及识别ARE的特定DNA序列[7]。在生理状态下，Nrf2与细胞质中的Keap1结合，导致蛋白酶体降解。在应激暴露时，出现Keap1半胱氨酸修饰的特定模式。Keap1释放Nrf2，其转移到细胞核后与小Maf蛋白形成异二聚体复合物。该复合物识别位于细胞保护基因中的抗氧化反應元件的增强子序列，激活它的转录。

1.3 ARE

ARE也称为亲电子反应元件，是存在于编码解毒酶和细胞保护蛋白的基因上游调节区中的含有特定DNA序列的顺式调节元件。生理状态下的机体处于氧化应激时，Nrf2活化易位至细胞核后与Maf蛋白形成异二聚体，激活ARE调控的Ⅱ期解毒酶和结构蛋白，它们对新陈代谢、异生素的解毒、氧化还原稳态和细胞存活至关重要[8]。

2 Keap1-Nrf2/ARE抗氧化通路与肿瘤发病及治疗的关系

2.1 与肿瘤预防的关系

化学致癌物自细胞和机体中先经Ⅰ相代谢酶向疏水的化学致癌物中引入羟基，后经肝脏Ⅱ相代谢酶作用下，将羟基上再糖基化以提高化合物的水溶性，促进其排出。其中Ⅱ相代谢酶的诱导不会增加致癌风险，故可通过诱导Ⅱ相代谢酶的活性进行化学防癌。Nrf2可通过与ARE相互作用，调节抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶的表达。用具有抗氧化活性的白藜芦醇处理人肺腺癌细胞后利用荧光素酶发现细胞核内Nrf2水平大幅升高，若敲除Nrf2基因后再加入白藜蘆醇，癌细胞内氧化还原酶的量未提高，说明白藜芦醇可能通过Nrf2途径增加抗氧化酶的表达[9]。肝脏是人体代谢的首站，在代谢和解毒各种外源性物质的过程中易受到中间代谢产物的氧化损伤。长期暴露于二乙基亚硝胺的大鼠，可通过上调Nrf2及其靶基因的表达发挥抗肿瘤的作用，Nrf2缺失小鼠在接触对乙酰氨基酚后出现了急性肝毒性[10]。接触柴油机废气会增加Nrf2缺失小鼠中DNA加合物的形成[11]。Nrf2可防止化学致癌物诱导胃和皮肤，肠道和膀胱中肿瘤的形成，这是由于Nrf2具有降低化学诱导的致癌细胞中ROS损伤DNA的能力[12]。将化学致癌物喹啉长期用于Nrf2敲除小鼠，发现其肝肿瘤的多样性和发生率明显高于野生型小鼠[13]。已经证明石榴具有抗氧化特性，长期服用能预防肝癌的发生[14]。木犀草素可以通过激活Nrf2/ARE信号通路对结直肠癌起到化学预防作用[15]。因此，Nrf2在肿瘤化学预防方面被视为一个潜在的分子靶点。通过研发Nrf2的相关抑制剂或激动剂对肿瘤预防有重要作用。

2.2 与肿瘤发展的关系

癌症预计将居于21世纪人类死因的首位[16]。Keap1-Nrf2/ARE通路与前列腺癌、肝癌、乳腺癌及肺癌等多种癌症密切相关[17]。肺癌细胞系或肺癌组织通过Keap1体细胞突变或基因杂合性丢失，丧失对Nrf2的负性调控作用进而上调Nrf2蛋白水平及其下游基因的转录，从而促进了肿瘤的发展。非小细胞肺癌（NSCLC）组织中Nrf2蛋白、Keapl蛋白表达升高，且与肿瘤组织的分化程度相关，这对临床判断NSCLC患者肿瘤的侵袭生长能力有一定的意义[18]。此外，在胃癌（11.1%）、肝癌（2%～8%）、结肠直肠癌（7.8%）、前列腺癌（1.3%）、胆囊癌（30.7%）、卵巢癌（37%）、胶质瘤（1.7%）、头颈部肿瘤（42%）和肾透明细胞癌（4.7%）中均发现了Keap1点突变[19]。宋洋等[20]发现，胃癌组织中的Nrf2明显高于正常组织，且其阳性率与侵犯程度、淋巴结转移及TNM分期密切相关。在信号通路期间激活的Nrf2可以直接调节抗凋亡蛋白如Bcl-2家族和Caspases3/7，从而发挥抗凋亡作用[21]。研究已证明，实体肿瘤的发生、发展和转移均伴随新生血管的形成。诱导新生血管生成的主要因子为血管内皮生长因子（VEGF），Keap1/Nrf2信号通路在胃癌新生血管形成方面起到重要作用，Nrf2可促进VEGF的分泌[22]。

2.3 与肿瘤耐药的关系

化疗作为癌症的主要治疗方法之一，其疗效深受耐药的制约。在耐药形成的过程中，ABCG2可将化疗药物从肿瘤细胞内转运到细胞外，使化疗药物的疗效降低。王昕海等[23]检测到人胃癌组织中Keap1突变组中Nrf2和ABCG2的表达显著升高，由此证明Nrf2的激活可增加ABCG2表达而发挥耐药作用。动物实验表明，辐射暴露中Nrf2缺失的小鼠较野生型小鼠相比寿命缩短，显示出Nrf2可以保护肿瘤细胞，加强其对放疗的抵抗[24]。使用化疗过程中的主要产物，即过氧化氢处理肿瘤细胞时，发现其中的Nrf2会加速蛋白酶的产生，而当使用了Nrf2抑制剂时，肿瘤细胞生成蛋白酶及处理过氧化氢的能力会减弱，表明Nrf2可通过增强肿瘤细胞对化疗药物的耐受性而促进肿瘤细胞增殖[25]。Keap1过表达可影响人肺鳞癌H520细胞中Nrf2及其下游靶基因表达，抑制癌细胞生长和转移，提升对卡铂和吉西他滨的敏感性[26]。因此在针对Nrf2/ARE通路活化的癌症治疗策略中，发现新的Nrf2抑制剂是非常合理的。鸦胆子苦醇（BRU）系苦木科植物鸦胆子果实中提取的一种苦木内酯类化合物，可有效抑制肺癌细胞的Nrf2通路，达到抗肿瘤的作用[27]。研究证明，BRU可以消除吉西他滨诱导的胰腺癌细胞中Nrf2的活化，可增强吉西他滨诱导的人胰腺癌细胞的生长抑制和凋亡，可增强顺铂诱导的直肠癌细胞的生长抑制和凋亡[28]。Nrf2抑制剂可通过下调解毒酶和药物排泄转运蛋白增加肿瘤对化疗药物的敏感性[29]。此外，Keap1突变还具有激活Nrf2其他生物学功能的作用，有研究表明，Keap1突变可直接上调PPARγ而介导NSCLC的化疗耐药[30]。

3 小结与展望

过量的ROS导致氧化应激，氧化应激参与机体的各种病理（尤其是癌症）生理过程。Keap1-Nrf2途径在保护细胞免受氧化和异生生物应激中起重要作用。Nrf2转录因子与Ⅱ相减毒酶基因的调节有关，可调控相关酶的表达保护正常细胞，预防肿瘤发生。同时Keap1-Nrf2系统也是一把双刃剑，在肿瘤细胞中，Nrf2活性过度升高有助于癌细胞的存活和增殖。相关研究表明Nrf2与肿瘤化疗耐药密切相关，发现Nrf2的双重作用使科学家能够了解癌症中Nrf2的信号传导以及针对Nrf2抑制剂的开发，进而预防和治疗癌症。通过开发Nrf2抑制剂，发挥其对化疗药物减毒增敏的作用，提高临床肿瘤放化疗效果。基于这样一种探索，近几年的生物制剂热度持续上升。生物制剂被定义为靶向特定癌细胞生长因子，受体和分子途径的药物，与常规药物比较，生物制剂具有较少的副作用，并且可以靶向特殊受损细胞。目前市场上对于天然抗氧化肽的开发已经遍及食品及药品等众多行业，来源遍及水生、陆生生物等多个体系[31]。逐渐加深对抗氧化肽的研究，研究其通过调控Keap1-Nrf2/ARE通路及与肿瘤预防和治疗相关的因子，安全而高效地造福于人类的健康事业。

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（收稿日期：2019-05-28  本文編辑：李亚聪）