在神经退行性疾病中Nrf2对线粒体功能的调节

王家怡 聂政

(成都医学院 1学员2队，四川 成都 610500;2人体解剖与组织胚胎学教研室发育与再生四川省重点实验室 )

氧化应激是由活性氧(ROS)自由基介导的，包括超氧阴离子、过氧化氢(H2O2)和羟基自由基等。在正常生理条件下，ROS 生成水平与机体抗氧化能力处于动态平衡状态，当 ROS 的产生超过细胞抗氧化能力则会发生氧化应激反应，而大脑对氧化应激尤为敏感〔1〕，神经退行性疾病其发病机制可能与氧化应激及相应的损伤有关。线粒体作为细胞的动力工厂，细胞所需总能量的90%都由线粒体产生。而神经元进行糖酵解的能力十分有限，所以需高度依赖氧的氧化磷酸化作用供能。线粒体供能障碍主要体现在ROS的生成增多，腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生成减少和Ca2+稳态平衡的打破等〔2〕。因此，如何调节线粒体功能，有可能成为治疗神经退行性疾病的新靶点，核因子E2相关因子(Nrf)2是一种细胞氧化还原稳态的主要调节因子，其在调节线粒体功能方面发挥着重要作用。

1 Nrf2的结构及调控机制

Nrf2是cap′n′collar(CNC)家族中最具活力的诱导型转录因子〔3〕。Nrf2有Neh1～Neh6六个结构域，在细胞核内，Neh1与Maf蛋白结合形成二聚体，Neh4、Neh5结构域与CREB结合蛋白结合可促使核内的Nrf2-Maf与抗氧化反应元件(ARE)上游启动子结合，进而启动下游基因转录，Neh2可与胞浆蛋白kelch样环氧氯丙烷相关蛋白(Keap)1结合并被其负性调节。Keap1是一种存在于细胞质内的Nrf2抑制蛋白，可阻止Nrf2进入细胞核，介导泛素将其降解，使其数量维持在较低水平。在生理条件下，Nrf2多数与Keap1结合存在于细胞质中。当Nrf2激活时，Nrf2与Keap1解离，进入细胞核与ARE结合以启动下游Ⅱ相解毒酶、抗氧化蛋白、蛋白酶体、分子伴侣等基因的转录〔4〕。血红素加氧酶-1、过氧化物酶1 、超氧化物歧化酶、H2O2、 谷胱甘肽过氧化物酶等多种抗氧化蛋白均受Nrf2调节编码〔5〕，Nrf2在抗氧化应激方面发挥着重要作用。此外，Nrf2还可影响线粒体膜电位，线粒体呼吸及线粒体结构和功能完整性等。

2 Nrf2在神经退行性疾病中对线粒体的调节

2.1Nrf2在阿尔茨海默症病(AD)中对线粒体的调节 AD是一种最常见的因神经系统变性引发的疾病，其病理学特征主要为tau蛋白过度磷酸化形成的神经细胞内神经纤维缠结和淀粉样蛋白(Aβ)集聚形成的细胞外老年斑的沉积。Aβ可在外膜易位酶(TOM)复合体的协助下进入线粒体与细胞色素还原酶亚单位Ⅰ的亚铁血红素结合，该二聚体可与Aβ结合性乙醇脱氢酶反应，导致细胞色素C的释放和ROS的产生增多〔6〕。有研究显示，mtDNA的氧化水平在AD患者的额叶、顶叶和颞叶均有所增高〔7〕，而mtDNA的突变可增加AD的患病率〔8，9〕，这进一步提示AD与氧化应激及其导致的线粒体功能障碍密切相关。Branca等〔10〕研究表明Nrf2-/-的淀粉样前体蛋白(APP)/早老素(PS)1小鼠的学习能力，空间记忆及认知能力均有所下降，而APP/PS1转基因小鼠的学习能力在向其两侧海马组织注射Nrf2的慢病毒载体后得到显著提高。可见Nrf2与AD的病生理相关，且起到了抑制作用。在生理状态下，Nrf2主要表达于细胞核中，而Ramsey等〔11〕实验表明，在AD患者额叶皮层核组分中Nrf2的水平降低，这提示在AD患者的脑组织中，某些过程阻断了Nrf2的核活性，进而导致神经元功能障碍和丧失。AD发病机制复杂，目前氧化应激及其引发的线粒体功能障碍导致AD已得到证实。AD患者的脑组织中受Nrf2调节的相关抗氧化基因表达、mRNA及蛋白质含量均出现异常，说明Nrf2在AD中具有抗氧化应激作用。Nrf2在AD中还具有调节线粒体生物发生的作用，在AD模型中海马组织中过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子(PGC)-1α、Nrf1、Nrf2和线粒体转录因子A的表达均显著下降导致线粒体的转录翻译水平下降〔12〕。

2.2Nrf2在帕金森病(PD)中对线粒体的调节 PD是除AD之外的第二大神经退行性疾病，其病理表现主要为中脑黑质致密部多巴胺能神经元进行性、不可逆性丢失及被称为路易体(LB)的细胞内蛋白质聚集体的形成。其以运动强直、静止性震颤、运动迟缓及姿势步态障碍为主要临床特征。根据对PD患者尸检结果显示其黑质部位线粒体复合物Ⅰ，复合物Ⅱ及复合物Ⅲ均存在缺陷〔13，14〕。1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶(MPTP)，作为PD造模用剂能诱导PD的临床和病理特征。MPTP已被证实可抑制线粒体复合物Ⅰ。MPTP在体内生成的MPP+可在线粒体内产生NO等自由基〔15〕，可使线粒体渗透性转换孔的开放增加，使线粒体膜电位降低〔16〕，导致线粒体损伤。此外，有报道称PD的致病基因PINK1的突变可导致出现线粒体功能障碍的特征：ATP生成减少，mtDNA增多等。同样，PD致病基因Parking的突变可造成ATP生成减少，线粒体膜电位降低和线粒体形态异常等〔17〕。还有研究显示，PD患者脑内脂质过氧化、ROS表达升高等氧化损伤现象明显〔18〕。提示PD的发病机制与线粒体功能障碍有关。

LB的主要成分是α-突触核蛋白(SNCA)，主要存在于神经元的突触前末梢〔19〕。SNCA的积累会损害Mt cpx1的功能〔20〕，致使从Mt cpx1到Mt cpx3的电子传递活性受损，降低线粒体最大呼吸能力。SNCA的过表达还可能引发持续mtROS的积累，损害mtDNA，线粒体质量减少〔21〕。Fu等〔21〕实验发现在SNCA积累增加的早期阶段，Nrf2的含量升高。细胞核内Nrf2的上调实际上是对SNCA诱导的氧化应激的反应，旨在加速SNCA积累的清除〔22〕，保护线粒体功能免受氧化应激的损伤，减少线粒体质量的退减。此外，有报道称Nrf2激活剂在PD的MPTP模型中具有神经保护作用〔23～25〕，且Nrf2的缺乏会增加对复合物Ⅰ抑制剂的敏感性〔21〕，提示在PD中Nrf2发挥重要的保护线粒体功能的作用。有报道称，在PD模型的细胞中存在线粒体肿大、水肿的现象，表明线粒体清除失败是PD发病机制之一。渗透性转变以诱导细胞死亡是当线粒体完整性丧失无法修复时维持线粒体完整性的一种方式〔26〕。用异硫氰酸酯硫喷素诱导Nrf2可对受再调节的渗透率过渡产生抗性〔27，28〕。因此，PD中线粒体生物发生的调节与Nrf2相关。

2.3Nrf2在亨廷顿病(HD)中对线粒体的调节 HD是一种因四号染色体亨廷顿蛋白(HTT)基因中多态性三核苷酸重复序列(CAG)n的病理性扩增引起的进行性常染色体显性遗传病〔29〕。其以纹状体和大脑皮层退化为病理特征，以肌张力障碍、非自主肢体舞蹈样运动和认知障碍为主要临床表现。现有的许多研究均表明线粒体功能障碍可能是HD的发病机制之一。喹啉酸(QA)作为一种HD小鼠模型的造模剂，可使大鼠的纹状体线粒体嵴结构发生异常〔30〕。有报道显示，未表现出运动障碍症状的HD患者的纹状体消耗和摄取葡萄糖的能力较弱〔31〕，且基底节和皮层线粒体对丙酮酸的利用率较弱〔32〕，提示HD患者体内线粒体ATP的生成能力较弱。PGC-1α作为一种转录激活因子可诱导线粒体的生物合成，在HD患者体内的PGC-1α的表达水平较正常偏低〔33，34〕。N-乙酰天冬氨酸(NAA)在神经元中含量较高，其代谢情况可反映神经元中线粒体的功能状况，而在HD患者丘脑和基底节区出现NAA缺失〔35，36〕。一些抗氧化蛋白，如谷胱甘肽过氧化物酶，H2O2酶和超氧化物歧化酶(但不是所有ARE基因产物)，在人类HD脑中增加〔37〕，提示Nrf2在HD患者中并未完全激活也并未完全抑制，处于一种部分抑制的状态，仅有部分活化以应对线粒体氧化应激造成的损伤。此外，对HD小鼠模型进行Nrf2药物刺激以对抗氧化应激是有效的〔38，39〕，进一步表明Nrf2可作为HD治疗的新靶点。

综上，线粒体作为动力工厂，在神经元的衰老与凋亡中发挥着重要作用。Nrf2影响线粒体生理学的许多方面，包括线粒体生物发生、呼吸、ATP生产、氧化还原稳态及这种必需细胞器的结构完整性和动态。如今，Nrf2的激活已成为预防和治疗神经退行性疾病的热门方向，越来越多的Nrf2的激活剂被发现。但如何有效控制Nrf2的激活量，使其在临床预防和治疗神经退行性疾病中发挥恰当作用将成为当下及未来的研究发展趋势。