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Nrf2在多器官保护中的作用研究进展

发表于:2019-02-14   作者:张灵敏, 张明鑫等   来源:成都医学院学报   点击量:

张灵敏1 ,张明鑫2(综述) ,景桂霞1( 审校) (西安交通大学医学院第一附属医院: 1. 麻醉科; 2. 肿瘤外科,陕西 西安 710061)
 
摘要
细胞需要面对包含活性氧族和亲电子剂等多种微环境损害, 它们通过多种机制应对有毒或致癌物质 的损伤。其中最重要的细胞防御机制是通过转录因子 Nrf2( nuclear factor-erythroid 2 p45-related factor 2)调节的。 大量的研究均证实,Nrf2 能够抵御广谱的毒性物质和致病原对细胞的损伤。 Nrf2 介导的细胞保护反应无细胞特 异性和器官特异性, Nrf2 可保护肺脏、肝脏、消化道、神经系统和心血管系统等多种器官或组织。因此, Nrf2 在多 器官保护中具有巨大的治疗潜力
 
关键词
Nrf2; 多器官保护 【中图分类号】 R361. 3; R31  【文献标识码】 A 

文章编号:1674-2257( 2010) 01-0075-04
 
Role of Nrf2 in multi-organ protection ZHANGLing-min1 , ZHANGMing-xin2 , JI NGGui-xia1 ( First Af filiated Hospital of Medical School , X' an Jiaotong University , 1. Department of Anaesthesiology , 2. Department of Oncosurgery ,Xi' an Shanxi 710061,China) 【Abstract】 Since cells constantly encounter various microenvironment insults induced by reactive oxygen species or electrophiles, they have evolved defense mechanisms to cope w ith these injuries. One of the most important cellular defense mechanisms is mediated by the transcription factor Nrf2. Numerous studies have show n that Nrf2 protects many cell types and organ systems, including lung,liver,digestive gut, neural system, cardiovascular system, and so on,from a broad spectrum of toxic insults and disease pathogenesis in a cell or organ independent way. The widespread nature of Nrf2 may have an important therapeutic potential in multi-organ protection. 【Key words】 Nrf2; multi-organ protection
 
收稿日期 2009-11-15  修回日期 2009-12-01 基金项目 陕西省科学技术研究发展计划资助项目( 2003K10 J81) 作者简介 张灵敏( 1984-) ,女,四川仁寿人,毕业于西安交通大学临 床七年制,主要研究方向: 器官保护。 通讯作者 景桂霞,女,陕西西安人, 硕士研究生导师,主任医师,研 究方向: 器官保护。
 
细胞间质及其中的体液成分,参与构成细胞生 存的微环境,微环境的稳定是保持细胞正常增殖、分 化、代谢和功能活动的重要条件,微环境成分的异常 变化可使细胞发生病变。类似于细胞环境酸碱平 衡,细胞氧化还原稳态也是细胞内外环境稳态的一 部分。细胞也存在类似于酸碱缓冲对一样的氧化还 原缓冲对(氧还对) ,如各种抗氧化-氧化物质的还原 型/氧化型氧还对等。无论是正常细胞还是肿瘤细胞都趋于维持还原稳态以保证自身的生长及增殖, 而 N rf2 在这种稳态的维持中起关键作用[ 1 ] 。
 
活性氧族和亲电子剂引起的细胞损伤可包括癌 症、自身免疫性疾病、神经退行性疾病等的多种疾 病; 这些毒性物质通常被Ⅱ相解毒酶和抗氧化蛋白 解毒。因此,转录调节编码Ⅱ相解毒酶和抗氧化蛋 白基 因的顺式作 用调节元 件抗氧化 反应元件 ( A RE)在细胞防御体系中作用重大。总之,研究发 现 A RE 驱动的Ⅱ相解毒酶诱导表达有一条共同通 路,通过对 ARE 相结合的转录因子的研究发现了 N rf2。后续对 N rf2 基因敲除的小鼠研究确定了 N rf2 在调节Ⅱ相解毒酶和内源性抗氧化剂表达的 中枢作用。在 Nrf2 敲除的小鼠中,正常情况和诱导 情况下的Ⅱ相酶水平如谷胱甘肽 S-转移酶( GST) 、75成都医学院学报 2010 年 1 月, 5( 1)
 
还原型辅酶Ⅰ醌类氧化还原酶( NQO1)、γ -谷氨酰 半胱氨酸合成酶(γ -GCS)显著减少[ 2 ] 。Venugopal 等[3] 和 Itoch 等[4] 最先研究了 Nrf2 在 ARE 驱动基 因表达机制中的功能及 Nrf2 激活并参与 ARE 驱 动的基因表达的分子机制。进一步的研究报道显 示,N rf2 在多环境下(致癌物、亲电子物质、活性氧 族、柴油机废气、炎症、钙紊乱、紫外线和香烟烟油) 的多器官保护(肺脏、肝脏、肾脏、胃、小肠、中枢神经 系统、脾脏细胞、巨噬细胞、红细胞和视网膜上皮)中 起关键作用 [ 5 ] 。
 
1、Nrf2 及其调控机制
1. 1Nrf2 的基本结构
Nrf2 于 1994 年由 Moi 等[6] 作为结合在β-珠蛋 白基因启动子 NF-E2 重复序列的因子被克隆出。 属于转录因子 CNC 家族,含有亮氨酸拉链( basic leucine zipper,bZip)结构。Nrf2 基因含有多个同源 结构域,分别命名为 Neh1-6. Neh1 有一个 CNC 型 样的亮氨酸拉链结构,是 Nrf2 与 DNA 结合及与其 他转录因子形成二聚体的必要条件[ 7 ] 。Neh2 位于 N 端,包含数个可与泛素结合的赖氨酸残基, 从而 介导蛋白酶对 Nrf2 的降解以实现 N rf2 活性的负性 调节; 此外,Neh2 还可以与 Keap1 的 Kelch 结构域 结合[8] 。C 端的 Neh3 对于维持 Nrf2 的转录活性 必不可少。Neh4 和 Neh5 是两个富含酸性残基的 独立转录结构域,可以和 CREB 结合蛋白( CBP)相 互作用 [ 9 ] 。Neh6 含有大量的丝氨酸残基,但精确功 能未知。
 
1.2 Nrf2 的调控机制
Nrf2 的活性由负性调节蛋白 Keap1精确调控。 Keap1 被认为是通过分别与肌动蛋白细胞骨架和 Nrf2 相结合从而将 Nrf2限制于细胞质中。当细胞 暴露于氧化应激或者化学预防剂时,N rf2 从 Keap1 中解离,易位至细胞核,与 Maf 结合成异二聚体,进 一步激活了 ARE 介导的下游基因表达。研究 [ 10-11 ] 证实 Keap1 的作用不仅仅是将 Nrf2 固定在细胞 质,而且在靶向 N rf2 泛素化和蛋白酶降解中也起积 极作用。体内外研究均对 Nrf2-Keap1 的分离模型 进行了验证 [ 8,12 ] 。虽然 Keap1 介导的泛素化及降解 是控制 Nrf2 活性的主要途径,但仍存在其他的调控 模式,主要包括亚细胞定位、转录后修饰及磷酸化, 具体机制仍在研究中[ 8,13-14 ] 。
 
2、Nrf2 的多器官保护作用
在细胞微环境的动态平衡中会产生的大量的活 性亲电子物质或氧化应激,直接或间接干扰 DNA 、 蛋白质等生物大分子的生理功能,从而产生多种器 官的病理损伤,如不同器官肿瘤的形成过程便是多 基因突变和其他生物大分子改变积累的结果。为了 对抗微环境中的各种损伤,细胞在进化过程中获得 防御这些毒性作用的复杂机制,其中最重要的细胞 防御机制便是通过转录因子 Nrf2 调节的。N rf2 最 开始被确认具有预防肿瘤功能,通过诱导Ⅱ相酶和 内源性抗氧化剂的表达灭活有致癌活性的中间物。 新近的微点阵技术为研究 Nrf2 调控的基因表达谱 提供了有力的工具。微点阵分析的数据证实 Nrf2 能够调控一系列的基因,功能远不止Ⅱ相酶和内源 性抗氧化剂。Nrf2 的下游基因可以根据功能分为 以下几大类: 细胞氧化还原稳态、细胞生长和凋亡、 炎症反应以及泛素介导的降解途径[ 15 ] 。精确调控 诱导这些蛋白表达,也就是所谓的 Nrf2 介导的防御 反应,对于细胞对抗外源性致伤因素的不利作用和 维持细胞氧化还原稳态至关重要。既然活性氧族与 多种人类疾病的病理相关,因此可以推测 Nrf2 具有 除化学预防的多种作用。实际上,越来越多的证据 证实了 N rf2 对抗多种疾病的病理状态的多器官保 护作用,如肺纤维化和急性肺损伤、肺气肿、哮喘、阿 尔茨海默病、帕金森病、脑缺血、老化和心血管疾病、 炎症、狼疮样自身免疫性肾炎和黄斑变性等 [ 1 ] 。
 
2.1 肺脏
微点阵分析确认了肺脏中 Nrf2 依赖的抗氧化 和细胞保护基因包含几乎所有的抗氧化酶,如血红 素氧合酶 1( hemeoxygenase-1, HO-1)和一些 GST 家族的成员[ 16 ] 。N rf2 可通过增加解毒和抗氧化能 力保护肺脏抵御二丁基羟基甲苯诱导的急性呼吸窘 迫综合征( ARDS)、高氧损伤和博来霉素介导的肺 纤维化[17] 。近来的研究进一步证实,基因敲除 Nrf2 ( N rf2 -/-)的小鼠对香烟烟油诱导的肺气肿[18] 、卵 清蛋白( ovalbumin,OVA)诱导的哮喘[ 19 ] 、柴油机排 出颗粒物( diesel exhaust particle,DEP)诱导的气道 炎症[20] 等肺部疾病的易感性。
 
2.2 肝脏和胃肠道
N rf2 在 肝 脏 和 胃 肠 道 保护 中 也 起 作 用。 N rf2-/-鼠对于对乙酰氨基酚诱导的小叶中心型肝 细胞坏死和肝毒性、苯并[ a] 芘诱导的肿瘤形成以及76张灵敏,等.
 
N rf2 在多器官保护中的作用研究进展
 
Fas 和 TNF-α介导的肝细胞凋亡等疾病的敏感性 增加,而且脂质过氧化和 DNA 损伤的水平增加, Nrf2/ -小鼠对化学毒性的高敏感性部分源于解毒 酶的基础和诱导表达的减少。同时,N rf2 在抵御缺 血再灌注损伤、肝纤维化、胆结石、细胞色素 P450 2E1 相关的氧化应激、环境毒物和重金属相关疾病 及畸变隐窝等疾病中也起重要作用[ 20 ] 。
 
2. 3 肾脏
Nrf2 介导的Ⅱ相解毒酶和抗氧化剂的表达在 防御药物性肾损伤和缺血再灌注肾损伤等方面具有 重要作用。多种药物尤其是化疗药在大剂量使用时 均会引起肾毒性的副作用,其中顺铂是代表性药物。 研究表明,氧化性损伤是顺铂肾毒性的主要机制之 一。Park 等 [ 21 ] 通过引入Ⅱ相酶诱导剂 3H-1,2-dithiole-3-thione( D3T) 激活 N rf2 信号途径改善了顺 铂引起的肾毒性。肾脏的缺血再灌注损伤主要发生 在肾脏移植、休克和血管手术等疾病或外科手术中, Yoon 等[ 22 ] 研究 Nrf2 诱导剂莱菔硫烷能够诱导 Nrf2 介导的 HO-1、NAD( P)H : 醌氧化还原酶 1 [ NAD( P) H : quinone oxidoreductase 1,NQO1] 、谷 胱甘肽还原酶( glutathione reductase,GR)和谷胱 甘肽过氧化物酶( glutathione peroxidase,GPx)的表 达,防御缺血再灌注肾损伤。
 
2.4 心脏
与肝脏和肾脏相似,心脏的氧化还原损伤主要 是缺血再灌注损伤。Nrf2 作为内源性抗氧化途径 的中枢转录因子可调节抗氧化剂和Ⅱ相酶的表达, 可作为心脏保护的靶点之一[23] 。但 Purdom-Dickinson 等[24] 研究发现: H2O2 预处理的心肌细胞能够 引起 N rf2 及其下游基因表达,并可保护细胞抵抗阿 霉素诱导的凋亡,而通过腺病毒介导的 Nrf2 基因转 染增加了心肌细胞的 NQO1 的表达,但抵抗阿霉素 诱导凋亡的能力却没有相应的增加,说明在心脏保 护中只是部分依赖于 N rf2 信号途径。心脏保护的 模式及靶点还有待于进一步探索。
 
2. 5 神经系统
Nrf2-A RE 信号途径在神经保护方面也显示出 作用。叔丁基对苯二酚( tBHQ)激活的 N rf2-ARE 信号途径能保护成神经细胞瘤细胞免受氧化性谷氨 酸盐的毒性和双氧水诱导的凋亡。原代培养的 Nrf2/ -的小鼠的星形胶质细胞和神经元较之野生 型细胞,对氧化损伤、钙离子紊乱和线粒体毒性更加 易感[25] 。Hwang 等 [ 26] 发现咖啡白脂( kahweol)预处理的神经细胞能够激活 Nrf2 及其下游的 HO-1 的表达,保护神经细胞免受帕金森相关神经毒素 6OHDA ( 6-hydroxydopamine)的损 伤, 且 能 够被 PI3K 和 p38 的抑制剂所抑制,说明了 PI3K 和 p38 在 N rf2 介导的神经保护中的重要作用。
 
2. 6 其他
N rf2 还被证实在多种细胞和器官中具有保护 效应。莱菔硫烷诱导的Ⅱ相酶基因表达保护视网膜 色素上皮细胞免受光氧化伤害[ 27 ] ,而且 Nrf2 在巨 噬细胞和上皮细胞防御柴油机废气化学物质方面起 重要作用[28] 。此外,N rf2 被认为在创伤愈合和角 质细胞分化中发挥作用[29] 。最后,Nrf2-/-的小鼠 易罹患狼疮样自身免疫性肾炎、自身免疫病、溶血性 贫血和脾大[5] 。
 
3、展望
总之,大量研究证实 Nrf2 能够保护不同类型的 器官和细胞。这就提出了一个问题: 单个蛋白如何 能够保护多器官免受多种毒性物质的损伤? Lee 等[5] 对可能的机制进行了分析: N rf2 的细胞防御反 应不仅通过调节经典的 A RE 介导的相关基因表 达,而且还与不同细胞在不同环境下的防御体系中 的细胞特异性的靶基因的表达有关,这种设想被组 织芯片分析证实。Nrf2 的这种广谱特性使 N rf2 对 于多器官疾病具有巨大的治疗潜力。相信随着 N rf2 研究的进一步加深,多器官保护剂 Nrf2 的应 用模式也将不断进步,从而使器官损伤的预防成为 可能。
 
参考文献
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原文来源:张灵敏, 张明鑫, 景桂霞. Nrf2在多器官保护中的作用研究进展[J]. 成都医学院学报, 2010, 5(1):75-78.
 
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