Nrf2与肿瘤及脑部疾病关系的研究进展*

刘广文，陈为民，秦嘉萍，顾汇权 综述，刘 嫱 审校

海南医学院基础医学与生命科学院药理教研室，海南海口 571199

核因子E2相关因子2(Nrf2)是细胞氧化应激反应中的关键因子，同时也是维持细胞内氧化还原稳态的中枢调节因子，受Kelch样ECH相关蛋白1(Keap1)调控。随着Nrf2新作用研究的不断深入，Nrf2在氧化应激性疾病中起到了关键作用， Nrf2参与了肿瘤的发生、发展过程，靶向抑制Nrf2是一种潜在有效的抗肿瘤策略。不仅如此，Nrf2还能调节脑铁代谢及线粒体功能的表达，与脑部疾病有着密切联系。本文就Nrf2与肿瘤及脑部疾病的关系作一综述。

1 Nrf2信号通路的结构及活化

Nrf2与NF-E2高度同源，研究发现Nrf2在机体氧化还原稳态中扮演着重要角色，且通过调控下游众多基因，在抗炎、解毒等方面有重要作用[1]。这些被调控的下游基因都有相同的一段保守序列：抗氧化反应原件(ARE)，它是一个特异的DNA启动子结合的保守序列。Nrf2基因结构上有6个高度保守的同源结构域Neh1～6[1]：(1)Neh1含有bZip转录因子，其与细胞核内小分子肌腱纤维瘤蛋白结合形成二聚体，使Nrf2能够识别ARE，并启动转录[2]；(2)Neh2含有可与Keap1的DGR区结合的DLG区和ETGE区，使Keap1依赖性调控Nrf2的泛素化降解；(3)Neh3主要调控Nrf2的转录活性；(4)Neh4和Neh5主要负责转录的活化，其与cAMP反应元件结合蛋白(CREB)等结合，才能开始转录过程；(5)Neh6主要是非Keap1依赖性调控Nrf2的降解[3]。

Keap1含有5个结构域[4]，其中DGR区又称Kelch区，是Keap1与Nrf2的Neh2区的结合位点；BTB区域是Keap1与Cul3作用的区域，主要介导Nrf2的泛素化及降解，其半胱氨酸151突变时，Keap1与Cul3发生解离，导致Nrf2不被泛素化；中间连接区域含有Keap1活性最强的半胱氨酸残基，其半胱氨酸273和288与Nrf2的泛素化有关，在氧化应激条件下能减弱Nrf2的泛素化；还有N端区域与C端区域分别位于N端和C端。在细胞核中Nrf2识别结合ARE，生理状态下，Neh2上的DLG区和ETGE区与Keap1的两个DGR区结合，由Keap1调控Nrf2活性并介导其降解，阻止Nrf2进入细胞核[5-6]。

在氧化应激条件下，Keap1的半胱氨酸残基会被共价修饰，从而导致Keap1的构象改变，由于DLG区与DGR区的亲和力较低，ETGE区与DGR区的亲和力较高，Keap1一边从低亲和力的DLG区上释放下来，而另一边仍与高亲和力的ETGE区相连，使Nrf2与Keap1结合一直处于饱和状态，而新合成的Nrf2就能够进入细胞核，与小分子肌腱纤维瘤蛋白结合，生成异二聚体并结合ARE，启动下游基因的表达[7-8]，这是“门闩和枢纽”学说。

2 Nrf2与肿瘤的关系

最初认为Nrf2是一个抑癌基因，作为一种重要的转录因子，通过激活细胞保护性抗氧化基因来调控肿瘤细胞内氧化还原的动态平衡；促进化学致癌物的快速酶修饰和排泄，以及通过其靶基因的表达来抑制活性氧(ROS)的产生或修复氧化损伤来防止致癌[9]。但在P53突变情况下，Nrf2高水平激活可促进癌症的进程。Nrf2通过抗氧化和解毒程序抑制氧化和致癌物诱导的DNA损伤，在肿瘤形成早期阶段促进转化细胞的活性[10]。Nrf2持续高水平是其在肿瘤中发挥作用的主要原因，而Nrf2持续高水平在不同肿瘤中的机制也不同，肿瘤的Keap1或Nrf2发生突变，导致Nrf2组成型高水平激活[10]；在肝癌中，Autophagy缺陷导致p62隐藏Keap1，E3-Keap1降解导致Nrf2组成性激活[11-12]；在肺癌中，Nestin表达导致Nrf2高水平激活[13]。

通过激活Nrf2，不仅使得肿瘤细胞获得生存优势，产生耐药性，且可以促进肿瘤细胞转移。正常细胞内Nrf2水平很低，其激活是曲线型的波动。因为药物都有代谢的半衰期，而诱导Nrf2激活都是曲线型波动的，因此植物性Nrf2激活剂可用来预防癌症等的发生、发展[14-15]。同时也要研发Nrf2抑制剂用于抑制肿瘤细胞的生长和转移。靶向抑制Nrf2及Nrf2/Keap1抗氧化通路从而诱导肿瘤微环境中ROS的大量产生，抑制关键肿瘤信号转导通路及诱导细胞程序性死亡等方式杀伤肿瘤细胞可能是一种潜在有效的抗肿瘤治疗策略。

3 Nrf2与脑部疾病的关系

3.1在脑部疾病中Nrf2与脑铁代谢的关系 脑部疾病常与脑铁代谢紊乱和Nrf2水平改变有关[16-17]。脑铁在脑内主要是以铁蛋白的形式存在，在大脑的功能活动中起着重要作用。过量的游离铁被称为“有毒”铁，可以和神经细胞内的H2O2反应生成ROS，引起一系列的级联反应，进而引起神经细胞的病变甚至死亡。以往认为Nrf2仅仅参与神经细胞的氧化应激反应，现已证实它调控了众多脑铁相关蛋白的代谢活动。转铁蛋白受体1被认为是铁入脑的主要通道[18]，入脑的铁主要以铁蛋白的形式存在，这种形式保证了神经细胞中铁的稳定，同时也减少了不稳定的游离铁即“有毒”铁[19]，铁泵蛋白是目前已知的能在神经细胞中输出铁的唯一蛋白。而转铁蛋白受体1、铁蛋白及铁泵蛋白的基因上游序列中都含有ARE保守序列，也就是说这3个基因都受Nrf2的调控，在脑铁的摄入、储存及输出过程中都有着重要的调控作用。Nrf2作为一个潜在的调节脑铁代谢的关键转录因子，可以防止脑铁代谢紊乱，维持脑铁的内环境稳态，与脑部疾病的发生有着密切联系[16,20-21]。

3.2在神经退行性疾病(ND)中Nrf2与线粒体的关系 ND是由中枢神经组织慢性进行性变性引起的疾病总称，减少氧化应激是延缓脑神经退行性病变的关键。神经细胞常依赖氧化磷酸化供能，而线粒体是细胞供能的主要场所，会产生大量的ROS。Nrf2通路会被ROS迅速激活，通过诱导超氧化物歧化酶和谷胱甘肽系列酶等的表达，维持细胞稳态，在调节线粒体功能方面起到了关键的调控作用[22-23]。

α-突触核蛋白(SNCA)的积累是帕金森病病理表现之一，SNCA积累会降低线粒体最大呼吸能力，还可能引发ROS的持续积累[24]。研究表明，在SNCA积累的前期，Nrf2水平的升高能减弱SNCA诱导的氧化应激反应[25]，从而保护线粒体功能免受损伤。有报道称，在脑缺血再灌注模型的细胞中存在线粒体肿大的现象，注射丙酮酸乙酯，脑组织Nrf2及其靶基因表达增强(抗氧化能力提高)，神经细胞的线粒体损伤减轻[26]。在阿尔茨海默病(AD)模型海马组织中Nrf2的水平均降低，导致线粒体的转录翻译水平下降。说明Nrf2在AD中具有调节线粒体表达的作用。而在亨廷顿病患者脑中，抗氧化蛋白水平升高[27]，表明Nrf2在亨廷顿病患者中处于激活状态以应对线粒体氧化应激造成的损伤。综上所述，Nrf2在调控线粒体方面有着重要作用。

4 Nrf2与其他氧化应激性疾病的关系

随着Nrf2新作用研究的不断深入，Nrf2不仅与肿瘤及脑部疾病有着密切关系，其在氧化应激性疾病中也都起到了关键作用。在动脉粥样硬化(AS)的发展过程中，ROS诱导的氧化低密度脂蛋白的生成是加剧AS进程的关键，而Nrf2通过增加过氧化物酶的表达，阻止ROS诱导的氧化低密度脂蛋白的生成，减缓AS的进程，但Nrf2也可能会加速AS的发展[28-29]。有研究显示，被敲除Nrf2且高胆固醇血症载脂蛋白E缺失的小鼠，其斑块减少并且血管壁弹性良好[30]。慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者主要是由于巨噬细胞吞噬能力减弱所致[31]。研究发现，上调Nrf2的表达，可调控MARCO基因的表达，从而增强巨噬细胞吞噬细菌的能力，有助于减轻炎症反应，防止氧化应激所引起的肺功能下降，提高细菌清除能力，从而延缓COPD的进展[32]。

许多疾病的发病机制都和氧化应激有重要关系。一般氧化应激反应分为慢性和急性两种，急性的氧化应激反应有心肌、肺等缺血再灌注损伤等，主要由于缺血再灌注部位短时间内产生了大量的ROS而引发的氧化应激。而慢性氧化应激反应则有肿瘤、ND、AS、COPD等，主要由于Nrf2的调控失常，机体氧化还原稳态紊乱，Nrf2在这些氧化应激性疾病中都起到了关键作用。

5 总结与展望

Nrf2像是一把双刃剑，一方面，维持细胞的氧化还原平衡，对环境有毒物质进行解毒，抑制各种与氧化应激相关的疾病。另一方面，Nrf2也可能在肿瘤的生长、增殖、转移及对化疗药物的耐受中发挥重要作用，同时也可能会加剧AS的发展，以及镉所致的肾损伤等。很遗憾目前实验室Nrf2激活剂有很多，但抑制剂都有缺陷，因此研发Nrf2抑制剂有着重要意义。