Nrf2/ARE 信号通路在氧化应激性疾病的作用研究进展

周秋丽，周燕

（桂林医学院，广西 桂林）

0 引言

目前氧化应激已被越来越多地认为是导致疾病的各种病理生理形式的因素。在所有氧化应激性疾病发生发展过程中，活性氧（ROS）生成过多或清除障碍出现瀑布式释放后，会损伤机体各个系统组织，从而导致一系列的慢性氧化应激性疾病。Nrf2/ARE 信号通路被认为是机体内调节氧化还原平衡的主要承担者，Nrf2 是该通路的中枢调节因子，通过结合抗氧化物反应元件（ARE）调节编码抗氧化蛋白表达，发挥抗炎症及损伤、抑制氧化应激反应与调节细胞凋亡等作用，以抵抗内外界氧化、化学物质等刺激导致的氧化应激反应，调节细胞微环境，在机体应对各种外来损伤的防御中起着举足轻重的作用。本文就Nrf2/ARE 与氧化应激性疾病的进展与关系作一综述。

1 Nrf2 /ARE 信号通路的简介

1.1 Nrf2/ARE 信号通路的结构

Nrf2/ARE 信号通路分子结构中核因子相关因子2 （NF-E2-related-factor 2，Nrf2）是细胞中与氧化应激反应密切相关的一种细胞因子。Nrf2 是具有七个Nrf2-ECH 同源结构域（Neh1-7）的模块蛋白，每个结构域都具有不同的功能[1]。Keap1 是Nrf2 的重要受体。Keap1 中的核输出序列（nuclear export sequence，NES）是终止Nrf2 的ARE 的必须部分。在稳定的生理条件下，Nrf2 与Keap1 结合，并被Cul3 E3 泛素连接酶恒定地泛素化，随后被蛋白酶体降解。然而受到氧化刺激时，Keap1 失活，导致Nrf2 被释放。Nrf2 易位至细胞核，在其中与小Maf 蛋白异源二聚体，与ARE 结合并激活其靶基因的转录[2]，从而调节超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）及II 相解毒酶等靶基因活性，以清除ROS 等有害物质，维持细胞活性[3]。

1.2 Nrf2/ARE 信号通路的作用

Nrf2/ARE 信号通路被认为是机体内调节氧化还原平衡的主要承担者。其主要作用体现在对抗氧化应激、抗炎、抗凋亡、抗细胞损伤等方面，其中最主要的为抗氧化应激作用。氧化应激物质所致的细胞毒性损伤、炎症反应加重与Nfr2 表达的缺失或激活障碍密切相关。Nrf2 调控下游因子产生的解毒酶在细胞抗氧化防御系统中起着重要作用，它们保护组织免受伤害，它与心血管疾病、呼吸系统疾病、神经系统、消化系统、泌尿系统、恶性肿瘤关系密切。大量数据表明，Nrf2/ARE 通路是已知最强大的抗氧化应激通路之一。

2 Nrf2/ARE 信号通路在各组织器官氧化应激性疾病中的调节作用

Nrf2/ARE 信号通路对各组织器官氧化应激疾病的调节作用各有不同，其疾病的转归也各有不同。

2.1 心血管系统

氧化应激可通过诱导细胞凋亡、脂质过氧化等机制导致多种心血管疾病的发生，如动脉粥样硬化、心肌梗死、高血压等。动脉粥样硬化是由脂质的沉积、炎症和血管局部的氧化应激的相互作用，从而引起内皮细胞损伤和平滑肌细胞增殖。在小鼠模型中或人内皮细胞，动脉粥样硬化分析抗性与易感条件揭示与Nrf2 的活化相关联的动脉粥样硬化性[4-5]。使用白藜芦醇或姜黄素诱导Nrf2 增多对高脂肪膳食诱导的氧化应激、细胞凋亡、炎症和内皮细胞功能障碍有保护作用[6-7]。动脉粥样硬化斑块的破裂可以触发凝血级联反应的激活和之后冠状动脉的阻塞而致心肌梗死。有实验发现通过激活 Nrf2/ARE 信号通路，Azafrin 可增加SOD 的活力，降低MDA、肌钙蛋白（cTnI）的表达，增加HO-1，NQO1 释放，减少缺血再灌注损伤大鼠的心肌梗死面积，进而发挥保护心肌作用，而对H2O2 诱导的H9C2 细胞的氧化应激损伤模型的保护作用亦验证了该机制[8]。有研究发现，对于结扎冠脉致急性心肌梗死大鼠模型，积草雪酸（Asiatic acid）可有效缩小梗死的面积，改善大鼠心功能，其机制主要与促进Nrf2 及下游靶基因的表达有关[9]。这些为Nrf2/ARE 信号通路对心血管有保护作用再添佐证。

2.2 呼吸系统

目前，由于呼吸系统的特殊解剖结构，空气污染、烟雾、职业暴露等易造成呼吸系统的氧化应激损伤。慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种以不可逆的气流受限为特征的常见慢性肺疾病。一项关于吸烟者Nrf2 基因多态性与气流受限之间关系的队列研究表明，Nrf2 受损可能导致慢性阻塞性肺病的发展，其原因是肺内过多的氧化负担和细胞凋亡[10]。在慢性香烟烟雾暴露下，CDDO-Im 诱导Nrf2 及其靶基因的更显着上调，从而减轻香烟烟雾诱导的野生型小鼠的肺氧化应激、组织破坏，甚至肺动脉高压；但是，在缺Nrf2 的小鼠中没有明显观察到这些保护作用[11]。在最近的一项研究中，萝卜硫烷在大鼠肺泡上皮细胞系中通过激活Nrf2 信号来抵消香烟烟雾暴露诱导的氧化损伤[12]。苏木酮A 是Nrf2 一种激动剂，可以预防由OVA 引起的过敏性气道炎症，抑制BALF 中炎性细胞，细胞因子和OVA 特异性IgE 的增加，并恢复IFN-γ 的水平，以及其机制Nrf2 调节的Th1/Th2 平衡可能产生作用[13]。上述研究证明Nrf2/ARE 信号通路对呼吸系统疾病的预防和治疗具有明确的应用价值。

2.3 神经系统

Nrf2/ARE 信号通路在中枢神经系统中广泛表达，并对急性脑损伤和神经退行性疾病进行调节。脑缺血再灌注损伤机制尚不明确，目前认为有多种因素参与损伤过程，氧化应激被认为是脑缺血再灌注损伤的一个主要因素。周涛等[14]发现在脑缺血再灌注损伤组大鼠SOD、GPX 降低，脑组织Nrf2 和HO-1 蛋白表达量显著升高。而己酮可可碱组大鼠SOD、GPX 显著升高，Nrf2 和HO-1蛋白表达量显著降低，说明己酮可可碱可降低大鼠脑缺血再灌注损伤，其作用可能与激活Nrf2/ARE 信号通路，降低氧化应激反应相关。如果在人脑中发生Nrf2 活性的抑制，意味着涉及氧化应激的易感性增强，炎症的持续时间延长和更加严重，则可能发展为阿尔茨海默氏病（AD），帕金森氏病（PD）等。一项研究发现，Nrf2与AD 介导的认知功能下降之间存在明确的联系，进一步加强了Nrf2 与AD 之间的联系[15]。Lipton 等[16]发现鼠尾草酸可以通过刺激小鼠AD 模型的Keap1/Nrf2 信号通路增加小鼠神经组织中2期抗氧化剂和抗炎酶的水平起到了神经保护作用。目前在基因水平上已揭示了转录因子Nrf2 和PD 之间的联系。有结果表明，人类Nrf2 的NFE2L2 基因启动子中的功能性单倍型，转录活性略有增加，与降低PD 的风险和延迟发病年龄有关[17]。这为该信号通路在神经系统疾病中的应用指明了新路径。

2.4 消化系统

胃肠道暴露于多种有害因素之下，例如幽门螺杆菌、非甾体抗炎药、胃酸、部缺血再灌注和精神压力。这些应激源会导致胃肠道组织内产生自由基，引起氧化应激反应。无论急性还是慢性暴露氧化应激会导致多种胃肠道疾病，例如炎症，溃疡，癌症和各种功能障碍。有研究表明与野生型小鼠相比，Nrf2 缺陷型小鼠的炎症水平更高。在Nrf2-/- 小鼠中，促炎性介质包括IL-1β，IL-6，TNF-α，iNOS 和COX-2 的表达显着增加[18]。Sabzevary-Ghahfarokhi M 等[19]研究发现在结肠组织中通过定量PCR 检测，UC 患者组的Nrf2 的表达水平与对照组相比，Nrf2 的基因表达增加。同时，Nrf2 表达可提高UC 患者结肠组织中谷胱甘肽s -转移酶-4 的mRNA 表达。目前有很多研究已发现中药对抗二甲基亚硝胺、CCl4 或对乙酰氨基酚诱导的肝损伤的有保护作用。例如甜菜苷[20]、石楠藤[21]等能明显地提高受损肝脏中Nrf2 及HO-1的表达。这些结果表明通过激活Nrf2/ARE 信号通路及随后由Nrf2 控制的基因表达的诱导，表现出对抗药物性肝损的保肝作用。因此Nrf2/ARE 信号通路在保护消化系统免受各种氧化应激的影响中起着重要作用。

2.5 泌尿系统

氧化应激是肾脏疾病共同的发病机制，而Nrf2/ARE 信号通路是机体一条重要的抗氧化应激通路，参与了肾脏疾病的发生、发展及预防的各个过程。一项体内研究表明，在碘造影剂诱发的大鼠急性肾损伤中，它激活Nrf2 表达，抑制肾氧化应激并减轻肾小管损伤[22]。Zahran 等[23]研究发现，西地那非能激活大鼠肾缺血/再灌注损伤模型中抗氧化剂抗凋亡基因，抑制促炎细胞因子基因，从而发挥对肾脏保护作用，其中Nrf2/ARE 通路起到很重要的作用。有大量的实验证实，Nrf2 活化剂对慢性肾脏疾病有保护作用。Tapia E 等[24]证实，霉酚酸酯和姜黄素通过上调Nrf2-Keap1-ARE 通路的表达，使5/6 肾切除CKD 大鼠恢复肾组织抗氧化能力，减少肾脏炎性细胞浸润。

2.6 肿瘤

全面的基因组分析发现，在各种类型的癌症中，Keap1 或Nrf2 基因以及著名的抑癌基因或癌基因中发生体细胞突变和其他改变。大量研究都证实，Nrf2 具有抗肿瘤和预防癌症的作用[25]。Nrf2 信号的破坏在体外影响癌细胞系的细胞周期进程和增殖[26-27]。癌细胞中的Nrf2 沉默导致细胞迁移和肿瘤转移的减弱。癌基因K-Ras，B-Raf 和Myc 可以刺激小鼠成纤维细胞中Nrf2 的转录和激活，从而导致ROS 的细胞负荷总体降低[28]。Nrf2 表达下调是潜在治疗癌症的方法。体外研究表明，在对阿霉素敏感的人卵巢癌细胞系A2780 中，Nrf2 信号传导活性下调了[29]。宁灿健等[30]研究发现用MNNG 诱导大鼠胃癌模型后，Nrf2、HO-1 和NQO1 蛋白表达均上升，说明Nrf2/ARE 信号通路参与了胃癌的发生发展，但经白藜芦醇处理后，Nrf2、HO-1 和NQO1 水平均明显降低，说明白藜芦醇可能是通过抑制该信号通路来延缓胃癌的发展。

3 问题与展望

综述以上研究进展可以发现，Nrf2 是与氧化应激密切相关的一个因子。而氧化应激是多种疾病的致病因素，比如炎症、肿瘤、退行性病变等。Nrf2 在氧化应激中起到了多种反应的桥梁作用。深入探索Nrf2/ARE 信号通路在氧化应激性疾病中的发病机制，能为相关疾病靶向药物治疗提供分子基础，并且有利于充分发挥其在临床药物研究中的潜在价值。