黄芪甲苷抗氧化应激分子机制的研究进展

李姿毅，夏源，王军义

（广东药科大学公共卫生学院，广东 广州 510310）

氧化应激是指外界有害刺激引起机体组织和细胞产生大量活性氧自由基和活性氮，氧化物产生过多超出其机体的消除能力，或者机体抗氧化能力下降导致机体抗氧化系统失衡，进而引起体内活性氧的超负荷。超负荷的活性氧通过激活多种细胞信号通路导致细胞内蛋白质、核酸等生物大分子物质发生改变，造成组织的细胞损伤，甚至诱发细胞的凋亡[1]。氧化应激与多种临床疾病如休克，心血管疾病、肿瘤、糖尿病等相关[2-5]，为治疗和预防这些疾病寻找安全有效的抗氧化剂已经成为近年来的研究热点[6]。黄芪（Radix Astragali）是中医临床上常用的补益中药[7]，黄芪甲苷（astragalosideⅣ）是黄芪中的主要活性成分，临床和实验研究发现[8-9]黄芪甲苷可以抑制组织细胞的氧化应激反应实现抗凋亡、抗炎性反应、抗病毒等生物学效应，达到保护组织细胞的作用，可用于多种疾病的预防与治疗，因此黄芪甲苷是一种具有广泛应用前景的抗氧化应激的重要活性成分。目前针对黄芪甲苷抗氧化应激的分子机制研究较多，但缺乏系统性，本文将从细胞信号通路的角度对黄芪甲苷抗氧化应激作用的分子机制进行系统性的综述，为进一步发掘黄芪甲苷作用研究提供参考。

1 Nrf2-ARE信号通路

Nrf2-ARE信号通路是抗氧化应激的重要通路，核心分子包括核转录因子相关因子-2（nuclear factor erythroid-2nuclear factor erythroid-2 related factor 2（Nrf2）-related factor 2,Nrf2）、抗氧化反应元件（antioxidant response element,ARE）和Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1（Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1）。Nrf2是一种对氧化应激高度敏感的转录因子，通过与染色质上的AREs结合，促进多种抗氧化酶的转录[10]。在静息条件下，在细胞质中Keap1与Nrf2结合抑其活性，氧化应激是Nrf2和Keap1解离并被激活，激活的Nrf2转运入核，与多种抗氧化基因上游启动子区域的抗氧化反应元件（ARE）结合，启动其转录[11]。Nrf2-ARE通路是最重要的内源性抗氧化应激通路，可激活下游多种抗氧化应激相关基因，例如：超氧化物歧化酶（SOD）、人醌过氧化物还原酶-1（NQO-1）、血红素氧合酶-1（HO-1）、人谷胱甘肽 S 转移酶（GST）、人谷胱甘肽合成酶（GSS）水平等影响诱导抗氧化酶产生，增强细胞清除自由基（ROS）的能力，以维持氧化还原平衡，减少氧化损伤[12]。Dong等[13]在肝星状细胞体外培养实验中发现黄芪甲苷可通过激活Nrf2-ARE信号通路中Nrf2因子促进谷胱甘肽的表达、抑制ROS的产生、抑制p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）活性，具有潜在肝硬化防治作用；Wang等[14]研究发现黄芪甲苷可通过调控Nrf2-ARE信号通路，产生抗氧化应激效应，改善高糖诱导的人近端肾小管细胞系HK-2的损伤；Deng等[15]在糖尿病酮症酸中毒小鼠模型中的研究发现黄芪甲苷可激活Nrf2和JNK起到抗氧化作用，从而降低血糖并增加血清胰岛素分泌。黄芪甲苷还可以协同顺铂影响p62基因的表达，减少Keap1蛋白降解，抑制Nrf2非经典通路激活，降低了肿瘤细胞的表达，降低了细胞抗氧化应激反应的能力[16]。由此可见黄芪甲苷可通过激活Nrf2-ARE信号通路抑制氧化应激反应实现相应的细胞保护性生物学效应，但目前相关的研究有限，其分子机制还有待于进一步研究，特别是该通路的关键因子Nrf2上游调控机制。

2 MAPKs信号通路

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路可被许多细胞内、外刺激物激活，包括细胞因子、生长因子、激素以及氧化应激的应激源，该通路在许多细胞生物过程（增殖、分化、应激反应、运动、生长、分化、存活和死亡）的调节中起着关键作用，氧化应激反应产生的ROS是激活MAPKs信号通路的重要应激源，ROS激活的MAPKs信号通路主要包括JNK通路、p38 MAPK通路和ERK通路，JNK、p38 MAPK和ERK均属于MAPK的蛋白家族，是MAPKs三级结构信号通路的关建因子[17]。Deng等[15]的研究发现小鼠经口给予黄芩甲苷可增强胰腺组织抗氧化能力、改善胰腺组织损伤，其中JNK信号通路和Nrf2信号通路参与其中。Wang等[18]在脂多糖诱导的小鼠子宫内膜炎模型研究中发现黄芪甲苷可有效降低炎性细胞因子（IL-1β和TNF-α）水平、NO浓度和髓过氧化物酶活性，抑制TLR4介导的NF-κB、p38MAPK通路和JNK信号通路，有效地减轻子宫内膜炎。Zheng等[19]发现黄芪甲苷通过抑制小窝蛋白-1（CAV-1）导致乳腺癌细胞系严重的氧化损伤，增强紫杉醇对乳腺癌的化疗敏感性，而JNK、p38MAPK和ERK的活性抑制在此过程中扮演了重要作用。Yang等[20]在大鼠星形胶质细胞氧糖剥夺/复氧（OGD/R）损伤的保护作用研究中发现黄芪甲苷通过JNK通路抑制氧化应激和凋亡途径保护OGD/R诱导的星形胶质细胞损伤。Wu等[21]发现黄芪甲苷通过抑制MAPKs信号通路中的下游因子（p-ERK和p-p38），减轻人类心肌细胞的缺血和缺氧所致的氧化损伤。Chen等[22]发现黄芪甲苷能显著降低间歇性缺氧诱导的人肺上皮Beas-2B细胞ROS水平、提高SOD水平，抑制JNK通路、p38 MAPK通路和NF-κB信号通路来减轻炎症和氧化应激损伤。另外研究[23]发现黄芪甲苷通过降低ROS水平抑制p38 MAPK信号通路，抑制内质网应激。黄芪甲苷通过抑制氧化应激、激活p38 MAPK通路抑制肝纤维化发生[24]。黄芪甲苷可以靶向抑制氧化应激和凋亡预防急性肾损伤，其机制与肾小管细胞p38 MAPK通路激活有关[25]。黄芪甲苷预处理的牛乳腺上皮细胞（MAC-T）可有效抑制氨诱导的氧化应激水平、抑制炎症反应，由PI3K-AKT和ERK通路激活Nrf2因子在此过程中具有重要意义[26]。黄芪甲苷可预防大鼠缺血诱导的急性肾损伤，主要机制是通过降低p-ERK的水平、提高抗氧化能力[27]。黄芪甲苷通过干扰细胞周期，通过上调Caspase-3基因表达和下调bcl-2/bax的基因表达促进其凋亡，抑制淋巴细胞增殖[16]。黄芪甲苷通过降低MAPK家族成员中ERK相关蛋白表达情况，减少体内外的磷酸化，从而抑制胶质瘤细胞U251的增殖、迁移和侵袭[16]。由此可见，MAPKs信号通路在黄芪甲苷的抗氧化应激过程中起到重要作用，而且涉及多组织器官及细胞的多种病理学变化的保护效应，是所有相关细胞信号通路中研究最广泛的。

3 PI3K-AKT信号通路

磷脂酰肌醇3（PI3K）及其下游丝氨酸/苏氨酸蛋白B（AKT）是PI3K-AKT信号通路的2个重要因子，特别是AKT在调控细胞代谢、生长、增殖、存活、基因转录及蛋白质合成等方面具有重要作用[28]。ROS可以作为细胞信号转导的化学信使，激活内源性PI3KAKT通路，调节细胞抗氧化损伤防御系统以及细胞增殖、存活和凋亡[29-30]。Yang等[31]在缺血再灌注损伤的体外研究发现黄芪甲苷具有很好的抗氧化和抗炎的作用，其中PI3K/AKT/HO-1信号通路起到了关键作用；黄芪甲苷联合大黄、姜黄抑制裸鼠乳腺癌细胞PI3K/AKT/mTOR信号通路的表达，上调Nrf2表达从而调节炎症和氧化应激，具有抑癌效果[32]；此外，黄芪甲苷还可以通过激活PI3K-AKT通路调节细胞自噬、氧化应激和细胞凋亡，减少阿霉素引起的心脏损伤[33]；另有研究[34]发现，黄芪甲苷可能参与抑制PI3K/AKT/Fox01信号通路，增强胞内线粒体自噬活性，实现清除ROS的目的，一定程度上降低氧化应激带来的细胞损伤。黄芪甲苷在蛋白和基因水平上降低ILT4的表达，显著抑制P13K/AKT信号通路来影响肺癌免疫逃逸的后续阶段，从而抑制非小细胞肺癌的发生[34]。Zhu等[36]发现黄芪甲苷显著抑制胃癌细胞的侵袭、迁移，降低PI3K/AKT信号通路活化程度，从而逆转TGF-β1诱导的上皮间质转化。以上研究表明，黄芪甲苷可以通过激活PI3K-AKT信号通路降低氧化应激反应，从而调节细胞凋亡和生存之间的平衡，减少ROS生成，保护细胞的分化和存活能力，对机体多种组织细胞起到保护作用。

4 NF-κB信号通路

NF-κB 蛋白（nuclear factor kappa-B,NF-κB）通常由P65和P50形成异源二聚体，在胞质中因与抑制蛋白IkB结合形成三聚体复合物而处于失活状态，上游信号经IKK激酶级联激活IkB蛋白使脱离三聚体并将NF-κB二聚体解离出来，解离的NF-κB二聚体进入细胞核与目标基因结合调控相关基因的表达，进而参与宿主免疫、炎症、细胞增殖和凋亡等多种生物学功能[37]。在氧化应激响应的信号通路中，NF-κB信号通路是重要的通路之一，研究发现[38]，它可通过增加抗氧化蛋白（如SOD）的表达来控制ROS水平；Purdy等[39]研究表明，氧化应激产物ROS在炎症的激活中起关键作用，ROS的积累通过抑制NF-κB信号通路减少促炎因子的释放。Hsieh等[40]研究发现黄芪甲苷可通过调节人支气管上皮细胞NF-κB、MAPK和HO-1/Nrf2信号通路发挥抗炎和抗氧化作用；黄芪甲苷通过TLR4/NF-κB信号通路促进抗炎及抗氧化因子的表达，减轻胎盘氧化应激水平和炎症反应而有效地预防小鼠妊娠期糖尿病发生[41]；在坏死性小肠结肠炎小鼠模型研究中，黄芪甲苷可通过调节VDUP1/NF-κB信号通路阻止MDA和髓过氧化物酶浓度下降、提高GSH和SOD活性，有效地抑制氧化应激水平，阻止肠道变性[42]；还有研究[43]显示黄芪甲苷通过调控NF-κB通路显著提高肺组织中CAT和SOD的水平，降低MDA的水平，降低PM2.5诱导的大鼠的氧化应激水平。由此可见，黄芪甲苷通过调控NF-κB信号通路的抗氧化应激作用的机制是多方面的，既可以通过氧化应激的产物激活NF-κB信号通路反馈性促进抗氧化因子的表达，也可以协同其他信号通路共同完成抗氧化作用。

5 JAK-STAT信号通路

JAK-STAT信号通路是哺乳动物免疫系统中一个重要的信号通路，JAK-STAT信号通路是一条由细胞因子刺激的信号转导通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。JAK/STAT信号通路主要由3种成分组成，即酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸Janus激酶（JAK1、JAK2、TYK2、JAK3）和信号传感器和转录激活因子（STAT1-6），活化的STATs形成同源或异源二聚体进入核内调控相应的基因转录而参与细胞的生物学功能[44]。研究发现通过抑制JAK-STAT信号通路可有效地降低ROS诱导的氧化应激反应[45]。Huang等[46]研究发现黄芪甲苷通过激活NF-κB和JAK1/STAT1信号通路，调节内质网应激，有助于预防脑缺血后诱发的神经细胞损伤；Xu等[47]研究表明黄芪甲苷在脑缺血模型中可有效地降低ROS水平和激活JAK2/STAT3信号通路，对神经细胞有保护作用，但氧化应激水平的抑制和JAK2/STAT3信号通路的活化之间是否存在相关性尚未可知；也有研究在帕金森氏病和慢性阻塞性肺疾病模型中发现黄芪甲苷可降低ROS水平、提高SOD水平和激活JAK2/STAT3或JAK3/STAT3信号通路，缓解炎症和氧化应激[48-49]。JAK/STAT信号通路虽然参与氧化应激反应过程，但并非是主要的调控通路，黄芪甲苷的抗氧化应激反应同时会激活部分JAK/STAT信号通路，但这二者之间的分子机制还不清晰。

6 其他

黄芪甲苷可以降低H2O2诱导的大鼠视网膜神经节细胞氧化应激损伤，提高细胞存活率并减少凋亡细胞数量，其分子机制是抑制线粒体细胞色素C释放，抑制Bax和caspase-3的表达，增加Bcl-2的表达，具有较强的抗氧化活性[50]；黄芪甲苷可通过降低氧化应激和抑制TGF-β1/Smads信号通路对大鼠的糖尿病肾病起到保护作用，但氧化应激与TGF-β1/Smads信号通路之间互作关系不详[51]；黄芪甲苷可有效改善阿霉素诱导的小鼠心肌细胞损伤和凋亡，其分子机制主要通过抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NOX）而降低细胞的氧化应激水平[52]；还有研究表明黄芪甲苷可能通过激活PPARγ-Klotho-FoxO1信号通路抑制氧化应激减轻足细胞凋亡，从而改善糖尿病肾病[53]。

综上所述，黄芪甲苷作为抗氧化应激有效的活性成分已被广泛的研究，其发挥抗氧化作用的分子机制十分复杂，本文以与氧化应激相关的细胞分子信号通路为主线，对黄芪甲苷抗氧化应激的分子机制总结发现参与黄芪甲苷抗氧化应激的细胞信号通路主要是MAPKs通路、PI3K-AKT通路、Nrf2-ARE通路、NF-κB通路、JAK-STAT通路，各信号通路之间存在着多种复杂的交联方式，如上下游关系、节点交叉、拮抗平衡关系等，黄芪甲苷抗氧化应激的作用不是单一信号通路的机制，往往是多信号通路的交联作用结果，迄今为止尚无一篇文献能够全面系统研究黄芪甲苷抗氧化应激的整个分子机制。因此，以后的研究需要对黄芪甲苷及其信号通路有更详细的了解，以更好地理解黄芪甲苷相关信号通路复杂作用，拓展黄芪甲苷的应用范围。