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Nrf2——解毒、抗氧化、抗炎等细胞保护机制的重要调节器,其活性可被健康促进因子上调

发表于:2019-02-14   作者:Sheng Li Xue Bao   来源:Sheng Li Xue Bao   点击量:

摘 要:转录因子Nrf2 (nuclear factor erythroid-2-related factor 2)可激活人类基因组中500多种基因的转录,这些基因大多数具有细胞保护功能。 Nrf2能通过解毒机制发挥细胞保护作用,这些机制增强了有害异物和有毒金属的解毒作用和排出。Nrf2能通过24种以上的基因作用来增加高度协调的抗氧化活性,具有重要的抗炎作用,可促进线粒体的生物合成抑或提高线粒体功能,还能增强细胞自噬以清除毒性蛋白的聚集体和功能异常的细胞器。有益健康的营养素及其他因素至少部分是通过增加Nrf2活性起作用的,包括酚类抗氧化剂、γ-和δ-生育酚和三烯生育酚、长链Ω-3脂肪酸DHA和EPA、类胡萝卜素(其中番茄红素可能活性最强)、十字花科蔬菜中的异硫氰酸酯、葱蒜类蔬菜中的硫化物、及萜类化合物。其他一些有益健康并能上调Nrf2活性的因素包括低水平的氧化应激[毒物兴奋效应(hormesis)]、锻炼和热量限制。现已发现,增加Nrf2活性可预防和/或治疗模型动物和/或人类的多种慢性炎症性疾病,包括各种心血管疾病、肾脏疾病、肺脏疾病、中毒性肝损伤疾病、癌症(预防)、糖尿病/代谢综合征/肥胖、败血症、自身免疫性疾病、炎性肠病、 HIV/AIDS及癫痫。有限证据表明,增加Nrf2活性还可降低其他16种疾病的风险,这些疾病中的大部分可能是NO/ONOO?循环相关性疾病,而Nrf2可以削弱NO/ONOO?循环的多种作用。已知最健康的饮食(地中海和冲绳地区的传统饮食)中均富含能上调Nrf2活性的营养素,如同我们的祖先在旧石器时代的饮食一样,然而现代饮食却缺乏这些营养素。对于Nrf2是否具有延长寿命和促进健康的作用仍有争议,Nrf2过度激活可能带来的负面作用也在此被讨论。总之,Nrf2不是一个灵丹妙药,但可能对促进健康非常重要,特别是对于那些日常暴露于有毒化学药品中的人群。

关键词:亲电体和氧化剂; Keap1; ERK; PI3K; GSK-3β; AMPK;蛋白激酶C和G;有害异物和有毒金属;解毒;慢性炎症性疾病;氧化和硝化应激

1.引言
自Nrf2被发现为抗氧化基因的一种重要转录激活剂已经超过了10年,它发挥着重要的抗氧化保护效应。同时,它也被许多但非所有的酚类抗氧化剂所激活,这些化合物的抗氧化活性大部分是通过Nrf2机制来调控的,而非仅仅直接通过链破坏型抗氧剂的化学作用来响应。

然而最新研究表明,Nrf2的细胞保护作用要远远大于其抗氧化作用。包括对24个以上的对外源毒物具有广谱解毒作用的基因活化。Nrf2及其调控机制还能降低炎症反应,提高线粒体功能并刺激细胞自噬(一种用于清除毒性蛋白聚集体和功能异常的细胞器的机制)。降低氧化压力、炎症反应和提高线粒体功能,Nrf2的这三个作用可以进而降低几十种慢性炎症性疾病所涉及的病理生理学,因此可以预期Nrf2在许多常见慢性疾病的预防或治疗中是有效的。

近些年来,除酚类抗氧化剂外的许多健康促进因子都被发现能促进Nrf2的激活。这些新发现大多数被归纳在最近的一个全系列综述中[1-22],本文旨在对这些新发现进行汇总,包括Nrf2的健康促进和疾病预防作用。

Nrf2的重要解毒作用意味着上调Nrf2的活性可能对全球数亿经常暴露于毒性化学物质中的人群尤为重要,这些化学物质会导致他们患上氧化压力、炎症和线粒体功能紊乱相关疾病,包括21世纪生活中大多数易患的慢性疾病。

2. 通过上调Nrf2来预防和/或治疗疾病(动物模型及以上水平实验)
许多疾病都能因上调Nrf2而显现出预防和/或治疗效果,这些疾病被列于表1中。相反,降低或阻碍Nrf2功能则表现出对这些疾病的易感性增加。与此相关的研究大多数在动物模型中展开,但人类研究的相关报道也在不断增加。

上调Nrf2也许能对预防和/或治疗上述列表中的疾病有效,这个结果似乎好得让人难以置信。然而这些疾病均受到了氧化应激和炎症的影响,其中许多疾病还与线粒体功能紊乱有关。蛋白质聚合物是其中几种疾病的诱因之一,而这些聚合物能被Nrf2依赖性自噬所清除。还有几种疾病是由毒性暴露引起,但这些有毒物质也能被Nrf2依赖性解毒作用清除。关于肥胖的数据则喜忧参半,但是其中大多数数据都表明Nrf2可以降低肥胖。但是,我们中的一位同事(Martin L Pall)却认为这些疾病大多数由NO/ONOO-循环(与氧化压力、炎症和线粒体功能紊乱有关的一种错误循环机制)及其它因素引起的,关于此点,我们稍后会继续讨论。因此,由于这些疾病中的共同因素,通过Nrf2调控可以对其进行预防和/或治疗是相当合理的。

还有一些其它疾病也被报道能通过上调Nrf2来预防和/或治疗,但相较于表1中的疾病而言,对于这些疾病的研究较少。包括血红蛋白病(包括镰状细胞病和β地中海贫血)[35]、疟疾[36]、脊髓损伤[37]、创伤性脑损伤[38、39]、高原病[40、41]、三种典型精神病、忧郁症、精神分裂症和双相情感障碍[42-45]、胃溃疡[46,47]、青光眼[48]、年龄相关性黄斑变性[49]、白内障[50,51]、引起疱疹的病理性生理反应[52]和良性前列腺增生[53,54]。这些疾病均与氧化压力和炎症反应相关。Nrf2还表现出了保护细胞免受电离辐射的作用[55,56]。有报道表明,Nrf2能降低因致敏性化学物质引起的皮肤过敏[57,58]。虽然在盖棺定论前,我们仍需更多Nrf2活性的相关研究来证实,但这些研究表明,Nrf2能提供保护作用的疾病谱也许比表1中所涵盖的要更多。

3.Nrf2介导的基因激活
Nrf2最主要的作用是激活具有抗氧化作用的基因。它通过结合在细胞核中,并与一些在基因启动子区域的抗氧化响应元件(AREs)蛋白一同作用。这些AREs不仅会结合在抗氧化基因的启动子区域发挥作用,也与基因的其它功能有关,特别是其它细胞保护功能。有超过500个基因能被Nrf2激活,当然也有基因会因Nrf2而下调,这些基因中其中一些可能受到Nrf2介导的转录因子调控,也可能通过具有抑制作用的AREs进行调节。总之,Nrf2能激活多种基因,也能通过其它转录因子来上调或下调各种基因的转录,并能通过直接作用于转录来抑制某些基因的表达。

4. 依赖于Nrf2的抗氧化作用
在Nrf2激活抗氧化基因的实验中,最常见的是对血红素加氧酶1(HO-1)基因的研究,HO-1对铁、一氧化碳(CO)和胆绿素具有抗氧化作用,可通过由Nrf2介导的活性上调来转化为由两种胆绿素还原酶基因编码的抗氧化剂胆红素[1,2]。血红素加氧酶对铁元素的释放也许会被铁蛋白所阻碍,因为Nrf2会诱导4种铁蛋白基因来预防铁元素产生的氧化压力[1]。这种多基因的联动调控所带来的重要生物作用相关蛋白的生成反复在Nrf2介导的基因调控中被发现。通过这种调节作用,CO也能发挥抗氧化作用。特定酶抑制剂或HO-1基因敲除老鼠的研究表明,血红素氧化酶对激活Nrf2响应非常重要。对此的一个可能的解释将在后面被讨论。

能被Nrf2激活的抗氧化基因中,其次被研究最多的是醌氧化还原酶(NQO1)基因,其表达的酶能阻止半醌氧化还原循环和随之产生的氧化压力[2]。两种超氧化物歧化酶基因(SOD1和SOD2)均能被Nrf2激活,这两种SOD都能通过减少超氧化物来减少氧化压力。功能相关的过氧化氢酶和两种谷胱甘肽过氧化物酶基因均由Nrf2所诱导,且均能降低SOD催化超氧化物产生的过氧化氢。由此可见,Nrf2可介导多种抗氧化基因的协同调控[2]。

还原型谷胱甘肽(GSH)常常被认为是人体产生的最重要的低分子量抗氧化剂。编码GSH从头合成所需的三种酶的基因均能被Nrf2激活,谷胱甘肽还原酶(将氧化型谷胱甘肽(GSHG)转化为GSH]的酶)基因也是如此 [1,2]。编码参8种酶的基因对NADPH的合成有影响,谷胱甘肽还原酶所需的还原剂同样也被Nrf2激活。其他编码以GSH作为抗氧化剂的酶的基因(包括前面讨论过的两个谷胱甘肽过氧化物酶基因)和谷胱甘肽还原酶1基因均被Nrf2所激活。

与硫氧还蛋白相关的5个基因的抗氧化作用也均能被Nrf2所激活,包括能降解过氧硝酸盐(一种极其活泼的硝化应激氧化剂)等过氧化物的硫氧还蛋白过氧化物酶1和6[1]。由这5种基因产生的酶和在之前的章节中提及的谷氧还蛋白,代表了一组重要且能相互作用的抗氧化酶[59],每一种都能被Nrf2协同调控。

由此可知,抗氧化防护相关的23种基因均可被Nrf2激活。此外,还有其它基因也可被Nrf2激活。包括能清除毒害物质、其它能清除或修复蛋白质氧化产物和其它在DNA修复过程中能清除DNA氧化损伤产物的相关酶编码基因均同样能被Nrf2调节。

5. Nrf2介导的解毒基因激活
对于全球数亿每天暴露于大剂量有毒物质中的人而言,解毒作用或许是最重要的Nrf2依赖性细胞保护机制。Hayes 和 DinkovaKostova[1]列举了25种能被Nrf2激活的不同基因,每种基因编码的酶都能发挥对多种外源毒性物质的解毒作用。这25种基因中的12种对多种含碳外源毒性物质的代谢有影响,但是不包括共轭作用。他们还列举了5个能被Nrf2激活从而增加谷胱甘肽结合的基因,其中之一增加了硫酸盐结合,两个导致葡萄糖醛酸化。这8个基因均能增加毒害物质的结合排出。Nrf2激活的基因还会增加细胞中外源化学物质的转移,从而增加其随后从机体排出。

参考文献中未被讨论的两个潜在重要解毒基因是编码金属硫蛋白的Mt1和Mt2,这两个基因均能被Nrf2诱导[60]。金属硫蛋白对螯合、运输与排出必需金属和有毒金属(包括镉、汞、铅、砷)都有影响[61]。然而,一个相对短期的镉毒性试验的结果表明,Nrf2对抗氧化的影响或许比金属硫蛋白拮抗镉毒性更为重要[60]。金属硫蛋白水平对铅毒性测定也有影响[62]。Toyama等人[63]的研究表明,当上调还原型谷胱甘肽水平时,Nrf2能刺激汞的排出。值得注意的是,还原型谷胱甘肽是机体中最常见的小分子量硫醇,由于汞、铅、镉、砷均能发生巯基反应,Nrf2依赖性升高的还原型谷胱甘肽也许能增加对这些毒性金属的解毒作用。Nrf2激活营养素之一的姜黄素被发现其对砷、镉、铬、铜、铅和汞的解毒作用要归因于Nrf2的激活和其对这些有毒金属的直接螯合作用[64]。虽然本章节只综述了Nrf2与毒性金属暴露相关性的一小部分信息。但这些结论表明,Nrf2可能在对毒性金属暴露的抵抗性中具有非常重要的作用。

总之,Nrf2具有广谱的解毒作用,能增加对外源有毒有机物和金属的抵抗力。

6. Nrf2的抗炎作用
Nrf2的激活能引起包括降低NF-κB和降低一系列炎症介质(细胞因子、趋化因子、粘附分子、COX-2、MMP-9、iNOS等)活性在内的多种抗炎作用[6,15,16]。Nrf2与NF-κB之间的相互作用非常复杂,两者都对对方的增加和减少有影响。已明确的事实是,“NF-κB通路可被几种Nrf2激活剂抑制”,但是这种Nrf2介导的NF-κB减少的特定机制仍有些地方不甚明朗。然而,“与之相反,近期一些证据指出,NF-κB能直接在转录水平抑制Nrf2信号。”Nrf2的两种直接抗炎作用能在转录水平上刺激抗炎细胞因子IL-10基因,并被证明可降低TGF-β带来的调节作用[16]。

总之,Nrf2能发挥多种抗炎效果,其中许多通过下调NF-κB活性介导,另一些则通过Nrf2依赖性的IL-10上调介导。NF-κB则会反过来降低Nrf2的活性。Nrf2依赖性降低NF-κB活性的相关机制很复杂,仍未完全阐明,但可能是通过Nrf2依赖性降低氧化剂水平起作用的。

7.线粒体生物合成和自噬
表1中列出的大部分疾病均有能量代谢和线粒体功能紊乱的特点。细胞保护作用的机制之一可能是增加线粒体生物合成。Nrf2能部分通过激活相关基因来实现线粒体生物合成的这种增加[20]。能量代谢相关的其它大部分基因也均能被Nrf2激活[1],从而改善线粒体生物合成并提升线粒体功能。Nrf2和AMPK蛋白激酶间存在着大量的交叉作用,这些作用能被AMP激活,并由此监控能量水平。因此,这可能是调控线粒体应答的重要相互作用。

有研究表明,大量能激活Nrf2的健康促进营养素也能增加自噬作用,从而水解清除受损的细胞器和蛋白聚合体,这种自噬在一定程度上是通过Nrf2依赖性过程发生的[66,67]。自噬作用的激活对于清除受损线粒体和其它受损细胞器十分有效。同时,它对于清除能引发神经退行性病变及其它疾病的蛋白质聚合物也是十分有效的,此外,自噬还具有抗氧化作用。值得注意的是,自噬会被高水平的Nrf2抑制。总之,Nrf2依赖性自噬作为一种多途径的细胞保护响应非常有用,其功能之一就是提高线粒体功能。

Nrf2的健康促进作用中的大部分可以通过其抗氧化、解毒、抗炎、自噬作用及刺激线粒体生物合成来解释,除此之外还有其它作用机制。例如,在多种慢性炎症疾病中,大量病理生理组织的重塑涉及纤维变性。有研究表明Nrf2能通过刺激成纤维细胞的去分化从而在肺、肝、肾中发挥抗纤维化作用[68-71]。这种抗纤维化作用中的大部分被认为是通过一种能降低TGF-β信号转导的Nrf2的抗炎作用引起的。

8. Nrf2活性能被一些健康促进营养素及其它因素上调

能上调Nrf2(至少部分)的健康促进因子清单如表2所示。

列于表2的9种因子中的每一种均有大量文献支持了其健康促进效果。虽然这9种因素均被发现能上调Nrf2活性,但其中几种因子已被发现能通过Nrf2之外的其它途径来促进健康。
例如,4种能独立于Nrf2发挥作用的营养因子如下:
* 酚类,包括生育酚/生育三烯酚,能作为键断裂型抗氧化剂发挥作用;
* 类胡萝卜素可以作为单态氧和过氧硝酸盐的清除剂;
* 鱼油具有作为花生四烯酸前体的抗炎特性;
* 运动能通过独立于Nrf2的方式发挥作用。

酚类物质能通过三种机制来上调Nrf2,但有一些酚类物质却对上调Nrf2完全无效。其中作用最直接的是邻羟基或对苯二酚,它们可以氧化成醌类[2 ],然后起到上调Nrf2的作用。酚环结构的作用见于表2所列的第二类化学制品中(不同形式的维生素E)。虽然都是酚类,γ和δ形式的酚环结构却比α-生育酚在上调Nrf2中具有更高活性[72,73]。常被当作补充剂使用的α-生育酚是维生素E的常见形式,它虽也具有一定上调Nrf2的活性,但因其会增加体内其它形式维生素E的降解(包括γ和δ生育酚和生育三烯酚),α-生育酚反而可能会下调体内的Nrf2活性[81]。

当用小鼠的Nrf2-/-敲除突变体对这9种因素进行实验时发现,与其在Nrf2+/+小鼠中的活性作用相比,其对突变体中的健康促进作用大大降低[82-89]。这表明,大部分营养素的健康促进作用需要有Nrf2基因功能才能发挥,至少在小鼠中是如此。对这些营养素的其它细胞培养实验也同样支持了Nrf2元件对响应其它因素的重要性。

另一个健康促进因子——热量限制,也能部分通过上调Nrf2发挥作用[90-92]。传统中国、阿育吠陀、欧洲和美洲土著的草本也被发现能通过上调Nrf2发挥作用。其中两个已在之前被讨论[93],但对这些的草药的充分讨论已经超出了本次综述的范围。

这里仍有些其它能上调Nrf2的植物化学成分,其中一些比表2中列出的类别更难描述。例如,一些植物源炔类化合物 [2]、十字花科植物的1,3-二硫-4-硫代羰基五环也如α-硫辛酸一样能上调Nrf2[2]。有报道表明,膳食纤维在肠道中发酵产生的丁酸盐也能上调结肠细胞中的Nrf2[94],这可能暗示着膳食纤维与下消化道(GI)中的Nrf2调控有关。

有三类化学物质能通过其氧化产物来上调Nrf2水平。长链Ω3脂肪酸DHA和EPA通过其氧化产物4-羟基己烯醛和其它氧化产物来上调Nrf2[26,27,95]。类胡萝卜素主要并可能完全通过其醌氧化产物来上调Nrf2[1-6]。Sandberg等人认为慢性炎症组织也许能通过上调Nrf2来减少疾病易感性。同样,Kumar等人认为“不幸的是,长期炎症信号会造成Nrf2活性下降并减少抗氧化剂和机体的抗氧化防护能力”。这三类能上调Nrf2的营养素在治疗慢性炎症疾病上或许有效,因为这些营养物在炎症、氧化应激组织中具有较高的氧化率,也许能抵消这些组织中降低的Nrf2应答。

9. 两种最著名的健康饮食——传统地中海饮食和传统冲绳饮食均富含Nrf2激活营养素
传统地中海饮食被认为是理想的克里特岛饮食,并可能是1960年代南部希腊和南部意大利的饮食。同一时期的传统冲绳饮食则因长寿、大量的长寿老人和低癌症和心血管疾病发生率而被认为是已知最健康的人类饮食[96-103]。虽然近几十年来,这两个地方的饮食都变得不那么健康了,但这两种传统饮食的相关研究却依然是阐明影响人类健康的饮食因素中的非常重要的一部分。现在的问题是,在这些饮食中是否有能上调Nrf2活性的营养物质,且其对这两种饮食的健康促进特性具有何种重要作用。
表2中列出的能上调Nrf2的膳食因子除了主要从海鱼中获得的长链Ω-3脂肪酸外,其余全是植物源物质。因此,最佳的上调Nrf2饮食或许是含有常规海产品及大量植物源食物摄入的饮食,尤其是包含大量低卡路里密度的植物源食物,如此才能为身体提供更多的植物化学物质。传统地中海和冲绳饮食均非常符合这个要求[96-103]。此外,被列于表2中的几种已知能上调Nrf2的营养素类别均富含于这两类饮食中(表3)。

从表3可以看出,这两种健康促进饮食均含有丰富的能上调Nrf2营养组分,包括6种列于表3中的Nrf2激活组分中的五种。传统地中海饮食以高橄榄和橄榄油含量著称,橄榄和橄榄油又富含酚类和萜类物质;从橄榄中提取出的酚类和萜类物质均被发现能上调Nrf2。传统冲绳饮食中的主要热量来源是包括紫薯在内的甜土豆[96]。所有的甜土豆都含有非常高的类胡萝卜素,甜紫薯中还含有非常高的Nrf2强力激活剂——花色苷酚类化合物。Murakami等人的研究表明[97],传统冲绳饮食中的大量特殊蔬菜能够有效减少白血球中的过氧化物和一氧化氮,而这些蔬菜部分通过上调Nrf2起作用。在一些实验中,研究人员[97]发现酚类和萜类物质都可以产生这些作用,再次表明了其可能存在的Nrf2效应。虽然并非这两种饮食中的所有的植物化学物质都能主要或单独通过Nrf2来发挥健康促进作用,但我们认为Nrf2在这两种饮食中的健康促进中起主要作用。

冲绳饮食被认为与旧石器时代饮食非常相似[103],那是在人类进化过程中我们的祖先食用的饮食。这两种饮食间唯一的不同在于,旧石器时代饮食中大部分的Ω-3脂肪酸来源于富含Ω-3脂肪酸的野生陆生动物和植物[104],而非主要来自于鱼类。尤其是,冲绳饮食被认为在富含高水平的酚类、类胡萝卜素抗氧化剂和Ω-3脂肪酸、萜类物质和基本不消耗粮食上与旧石器时代饮食非常相似[103],这些均与Nrf2调控有关。因此,我们似乎在饮食中进化出了更高水平的Nrf2上调营养素,但现在几乎所有人都处于Nrf2上调营养素缺乏的饮食水平。这或许是现代人群遭受以氧化压力、炎症和线粒体功能紊乱为特点的慢性疾病困扰的主要原因。

10. Nrf2是长寿和健康的主要调节器吗?
Lewis等人认为,Nrf2不仅是长寿的主要调节器,更是重要的健康调节器[105]。在题为“Nrf2,健康的守护者与长寿的看门人”的文章中,研究人员指出“越来越多进化上距离远的物种证据表明,Nrf2-ARE依赖元件不仅与长寿也与健康延伸相关。”这些研究包括一些小鼠及其它物种的遗传研究,表明上调Nrf2活性会延长寿命和健康,而下调Nrf2则会缩短寿命与健康。小鼠实验带来的结果尤为重要,因为对转基因小鼠的基因修饰能轻易确定上调和下调Nrf2带来的影响。对寿命和健康有影响的一个改变是已发现能被Nrf2减缓的细胞复制性衰老[106]。相反,敲除Nrf2基因则会导致细胞早衰[107]。我们无需为Nrf2对细胞衰老率的影响而惊讶,因为氧化压力就具备导致细胞衰老的作用[108]。

Nrf2、长寿和健康相关性的一般观点自然是由许多疾病大力支持,包括至少在动物研究中通过提高Nrf2降低衰老的疾病(表1)。各种能上调Nrf2而发挥作用(至少部分通过上调Nrf2)的健康促进营养素和其它因子(表2),及已知的两种最健康饮食(传统地中海饮食和传统冲绳饮食)中发现的高水平Nrf2上调营养素(表3)均为此提供了有力的证据.
 
11.Nrf2如何通过表2中的健康促进因子调节?
参考文献[1-22]中已经综述了Nrf2调节机制,并提供了关于各种因素如何上调Nrf2的一些信息。那些文献中对于Nrf2调节机制的讨论比这里要详细得多。因此,我们建议读者去阅读这些文献以获取比本文更详细的信息。

Nrf2蛋白在未激活的情况下主要包含在另一种被称为KEAP1蛋白的非活性复合物中。Keap1具有5个活性半胱氨酸残基,每个残基都能通过半胱氨酸硫醇诱导化学物质反应,从而使得Nrf2从Keap1中释放。释放后,Nrf2可以移动到细胞核中与名为Maf的其它蛋白形成复合体,结合在DNA的ARE序列上,从而激活相邻基因的转录。能与这些半胱氨酸硫醇结合的均是亲电子和/或具氧化能力的物质,这些物质与硫醇的结合被认为是Nrf2调控中最为重要的机制。五种不同的半胱氨酸硫醇与化合物发生的反应各不相同。

然而,参与调节的其它机制却让Nrf2调控系统变得十分复杂。在Nrf2调控中,好几个蛋白激酶也发挥了作用,包括ERK/JNK通路、PI3K/Akt/GSK-3β通路、蛋白激酶C、AMPK[65]和蛋白激酶G。此外,当Nrf2结合于Keap1上时,Nrf2趋向于靶向蛋白酶降解,以使其保持较低水平。当从Keap1释放后,Nrf2稳定性会约增加7倍,使其水平大幅度提升。此外,Nrf2能激活自身基因及MafG基因的转录,从而进一步激活Nrf2依赖性转录。与自噬相关的P62蛋白也可被Nrf2激活,形成正反馈回路又反过来增加Nrf2活性[66]。前三个作用机制会增加Nrf2活性,但也有两种机制会降低Nrf2活性。Nrf2同时也会激活Keap1基因转录从而降低Nrf2水平。此外,Nrf2还会激活编码INrf2的基因的转录,这是一种会降低Nrf2活性的蛋白[109]。

Nrf2能被miRNAs调节,包括200a大小的miRNAs,从而降低Nrf2的mRNA或Nrf2相关蛋白的mRNA的转录[110,111]。因为200a的miRNA能被组蛋白乙酰化作用调节,这种乙酰化可能会带来另一水平的调控;这或许能部分解释组蛋白去乙酰化抑制剂丁酸盐在上调Nrf2中的作用(前面讨论过)[94]。另外,p300/CBP蛋白是能使组蛋白和Nrf2乙酰化的乙酰转移酶,Nrf2的乙酰化会激活其在ARE介导的基因转录中的活性[112]。因此,组蛋白去乙酰化抑制剂丁酸盐也许能通过增加Nrf2乙酰化来上调Nrf2转录活性。

另一调控机制是能刺激芳香烃受体(AhR)的物质会上调Nrf2转录,从而致使Nrf2活性上调,这一主题最近才引起了广泛关注[113]。

蛋白激酶G最近被发现对Nrf2激活有重要作用[114-117]。这种作用或许能解答一个关于Nrf2的长期难题,即为什么HO-1(血红素氧合酶1)诱导会对Nrf2作用产生如此大的影响?在大量Nrf2作用研究中,一种特殊的血红素加氧酶抑制剂被发现能有效降低Nrf2激活的生物作用。为什么HO-1对Nrf2作用效果如此重要?HO-1酶的活性产物之一为CO,它与NO一样能有效降低cGMP(环磷酸鸟苷)生成,从而使蛋白激酶G激活Nrf2[117,118]。由此可知, Nrf2诱导HO-1或许是一种重要的正反馈回路,在Nrf2活性增加的任何初始步骤中,Nrf2活性和随后带来的Nrf2依赖性应答的增加,要比HO-1活性未增加的情况下要快得多。我们认为,Nrf2的直接重要影响可能是通过增加cGMP/蛋白激酶G产生的,这种效应与这种正反馈回路不同。

表2中的成分是如何激活Nrf2活性的?异硫氰酸酯、H2O2和其它氧化剂、酚类抗氧化剂、长链Ω-3脂肪酸和类胡萝卜素均能与Keap1的活性硫醇发生反应,另外3个硫醇则与其氧化产物反应。葱属植物的硫化物、异硫氰酸酯和类胡萝卜素均能通过ERK激活发挥作用[119,120],后两者通过两种不同机制来上调Nrf2。一些黄酮类和其它酚类物质(包括一些一些在KEAP1反应中不起作用的AhR激动剂[121]),部分通过蛋白激酶信号传导作用,部分通过其醌氧化产物直接作用于Keap1硫醇[2]。萜类被认为通过三种直接机制发挥作用,即直接作用于Keap1/Nrf2蛋白复合体,通过蛋白激酶调控,以及通过miRNA调控[2,19]。

由此可知,植物化学物质及其它组分上调Nrf2活性的机制在于:直接或通过其氧化产物与Keap1的不同半胱氨酸残基作用、调控多种不同蛋白激酶、激活AhR受体、通过组蛋白乙酰化、影响miRNA合成的其它机制等。由此可知,能经由不同方式上调Nrf2的植物化学物质和其它组分或许能协同发挥作用。例如,Saw等人[123]的相关研究表明,类胡萝卜素、虾青素和鱼油脂肪酸DHA和EPA能协同上调Nrf2。普天登(Protandim)成分也被发现在细胞培养中能协同上调Nrf2,这或许是通过多种方式上调Nrf2的信号通路的结果[93]。

正因这种协同作用,富含植物化学物质的饮食(如传统地中海饮食和传统冲绳饮食)也许能比单一上调Nrf2的营养素在Nrf2激活中更好地发挥作用。

12.长期高水平的Nrf2会有毒性作用吗?
动物实验[105]表明,上调Nrf2会延长寿命和健康。此外,富含上调Nrf2营养素的人类饮食(包括传统地中海饮食和传统冲绳饮食)也会带来更长的寿命和更低的疾病发生。然而,有些情况表明,长期Nrf2激活会对机体造成病理生理学影响。充分证据表明,TCDD(二噁英)导致的高水平的Nrf2长期上调会致使氯痤疮[124,125]。虽然TCDD还有其他独立于Nrf2的毒性作用,但这些皮肤性质的痤疮样变化显然是因长期过多的Nrf2水平引起的,因此,氯痤疮可以作为过量的Nrf2刺激的标志物。亚砷酸盐和其它砷化合物也能通过引发Nrf2过度活跃而导致相似的皮肤反应[125],但是砷化物也有其它独立于Nrf2的毒性作用。TCDD和砷化物均是通过AhR激活来提高Nrf2活性来发挥作用的。这些皮肤反应部分是因为Nrf2增加了角质细胞的敏感性。

这种角质细胞的作用可能是最显著的Nrf2过量的影响。研究表明,Keap1基因敲除的转基因鼠在妊娠期其食管和前胃中出现发育性角化过度的现象,这会导致其在出生后因营养不良而死亡[126]。研究表明这是由于Nrf2过度活化引起的[126]。

因某些情况而使小鼠置于长期高水平的Nrf2数月之久,结果导致了其心脏功能紊乱[127,128]。但是关于这种功能紊乱有多少是因为Nrf2引起的仍属未知,这也许是另一例长期高水平Nrf2上调导致病理生理学影响的例子。

人们普遍认为,稳定的高水平Nrf2活性比可变的激活更容易造成损伤[2,129]。如前所示[129],“然而,该途径的药理诱导允许脉冲诱导而不是永久诱导KEAP1-NFR2信号转导轴,这或许可以减少恒定通路激活的任何不良影响。”同样的道理对在某天的某一时刻摄入Nrf2激活营养素也同样适用。

这种看似矛盾的Nrf2的影响也可能发生在没有Nrf2的情况下,即在Nrf2敲除突变细胞中。例如,研究表明,这种基因敲除细胞在炎症激活方面存在缺陷,显示Nrf2活性也许对于某些炎症反应是必需的[130]。

总之,在地中海或冲绳饮食中的Nrf2上调营养素水平也许能带来显著的健康促进作用。然而,长期极高水平的Nrf2上调却能导致病理生理学影响,就如同将调控作用推向了极端。因此,我们需要注意不能让Nrf2长期维持高水平。由于人群的基因异质性,一些人也许会更容易遭受这种病理生理学影响。减小这些病理生理学影响的方式之一在于在一天的不同时间内改变机体中的Nrf2上调营养素水平。由Nrf2上调物质引起的长期高水平的Nrf2上调为人类带来的痤疮样的皮肤影响,也许能作为Nrf2是否激活过度的视觉标记。

13. 总结
Gao等人提出了“Nrf2激活或抑制氧化或亲电子压力,并旨在恢复氧化还原稳态,这为理解其预防甚至治愈复杂疾病开辟了新途径新方式。”表1中列出的疾病均为能通过上调Nrf2来预防和/或治疗的疾病,至少在动物模型中呈现出了这样的效果。对Nrf2的调控和所引发的调控响应被总结在图1中。
 
7类健康促进营养素的作用(图1的左侧框内)均通过上调Nrf2起作用,其它三类健康促进因子也是如此。两种最健康的饮食方式(传统地中海饮食和传统冲绳饮食)均被认为富含Nrf2上调营养素,而现代饮食中则缺乏这些营养素(图1,左)。这些发现强烈支持了这些饮食能通过Nrf2发挥有效健康促进作用,但现在大多数人都缺乏Nrf2上调营养素。Nrf2能通过调控约500种基因的转录来提高机体的抗氧化能力、线粒体生物合成、能量代谢、含碳外源物质和有毒金属的解毒作用、有害蛋白聚合物和功能紊乱细胞器的自噬,并有效降低许多炎症反应(图1,右下)。因此,许多以氧化压力、炎症和经常性线粒体功能为特征的慢性疾病可以通过上调Nrf2来被治疗和/或被预防,至少在动物模型中是如此(图1,右)。由于许多衰老相关疾病都是以氧化压力、炎症和线粒体功能紊乱为特点,所以Nrf2被认为能延长寿命和健康也就不足为奇了(图1,右上)。

这里还有其它16种能通过上调Nrf2来预防和/或治疗的疾病被报道,每种Nrf2相关性疾病都有一至两项实验支持。人们往往忽视这些,除了这些疾病都是氧化应激和炎症的疾病并可能因此受到Nrf2的影响外,最近快速增多的研究还表明(表4),我们可能只发现了Nrf2影响疾病的冰山一角。
 
虽然现在下结论无疑还为时过早,但我们很难否认,关于Nrf2对健康影响我们可能还仅仅是摸到了一点边,对该机制的阐明很可能成为医学史上最不寻常的治疗和最非凡的预防性突破。

我们可以预见到,在未来,上调Nrf2可能是促进健康最重要的方式。当然,这并不是说上调Nrf2是一种灵丹妙药。Nrf2上调得越多并不意味着更好,而且其它健康促进营养素和其它药物也可能通过其它方式与Nrf2协同作用。药物通过独立与Nrf2的方式来降低NF-κB也是有效的。在RAGE介导的炎症反应中降低晚期糖基化终产物生成的药物或饮食也是如此。B族维生素和维生素C、镁和其它微量元素等营养素也能通过其它方式来发挥其健康促进作用,比如高剂量B12的羟钴胺素形式可以通过减少其两种前体物质来降低过氧硝酸盐。其它能独立于Nrf2来提高线粒体功能的药物也是如此。

许多被认为能通过上调Nrf2活性来治疗和/或预防的疾病均被认为能由NO/ONOO-循环引起。这些可被Nrf2调控的典型NO/ONOO-循环疾病包括心血管疾病及神经病变、哮喘、多发性硬化、癫痫、脊髓损伤和青光眼[131-135]。心力衰竭是现在被研究最多的NO/ONOO-循环疾病[136]。该循环的局部影响引起的第二十三种最新疾病是青光眼[135]。因为循环涉及包括过氧硝酸盐、炎症和线粒体功能紊乱在内的氧化压力,因此典型的NO/ONOO-循环疾病或许能通过上调Nrf2来预防和/或治疗。NO/ONOO-循环主要发生在不同个体的不同组织的局部,因发生部位的不同从而引发不同的疾病[131-135]。这里有个问题需要指出,Nrf2调控机制可能是预防NO/ONOO-循环疾病的天然方法,但这一观点对循环的其他方面是否也成立仍属未知。已知晓的是,上调Nrf2活性也许能降低部分由NO/ONOO-循环带来的氧化/氮化压力、炎症和线粒体功能紊乱,循环中的大部分元素均参与这三种反应[131-135],但仍有其它循环元素未涉及。Nrf2是否能降低循环中其它元素带来的病理生理学影响?虽然数据有限,但我们仍有一些数据支持了这一猜想。NMDA活性过表达的病理生理学影响[136-138]和细胞内钙水平过量[138-139]均能被Nrf2所降低。四氢生物蝶呤的氧化和消耗是循环的另一部分,其水平被发现在Nrf2基因敲除小鼠中升高了[140],暗示(但未证明)上调Nrf2会降低循环中的这个部分。关于此我们虽仍需要更多研究来证实,但现有数据已经支持了这一观点,即Nrf2可能是预防NO/ONOO-循环疾病的自然方式。由此可知,Nrf2上调营养素的饮食缺陷或许是现代社会疾病高发与流行的核心因素。

Nrf2对多种疾病明显且广泛的影响对医学产生了挑战。从历史上看,医学主要聚焦于区分不同疾病,这是了解它们之间差异的一种方式。然而,这些不同的慢性炎症疾病很可能拥有相似的潜在机制而仅仅是发生部位不同,但是这些发生位置的不同却造成了其病理学上的所有差异。这并不一定意味着所有这些疾病都是NO/ONOO-循环疾病,但这很可能是最显而易见的解释。

尽管有大量证据证实了多种慢性疾病中存在氧化/氮化化学反应引起的蛋白质改变,并证实了其对这些疾病的重要性,但一些医生和一些科学家们仍反对氧化压力对人体疾病的重要性。在Watson最近的论文中[141],他虽然知道Nrf2的存在,但他显然忽视了Nrf2会被氧化剂激活、其在复合体中的作用和它能很好地调控酶的抗氧化作用。在多种疾病的病理学中,这些反应的复杂性和协调性不可能在不基于氧化/硝化应激的病理学作用的强大遗传选择上发生演变。Nrf2调控的抗氧化机制表明,抗氧化机制是后生动物进化的机制中最为重要的。虽然忽略其他Nrf2细胞保护机制是一个重大错误,但忽略大量Nrf2研究证实的酶促抗氧化机制的重要性也是一个重大错误。

本文强调了Nrf2对世界上数亿日常暴露于有毒化学物质的人群的特殊重要性。Nrf2在引发复杂且有效调控的解毒机制中的作用使我们聚焦于将上调Nrf2作为一种能有效降低这些暴露对人体产生的毒性作用的病理生理学的方式,同时降低机体中有机、含碳异源毒素和有毒金属的水平。


原文:Pall M L, Levine S. Nrf2, a master regulator of detoxification and also antioxidant, anti-inflammatory and other cytoprotective mechanisms, is raised by health promoting factors.[J]. Acta Physiologica Sinica, 2015, 67(1):1-18.
 

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