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Nrf2——健康的守护者、长寿的看门人

发表于:2019-02-27   作者:Kaitlyn N. Lewis   来源:Integrative and Comparative Bi   点击量:

概要:虽然衰老是一个在所有生物体中普遍存在的过程,但是调控功能下降速度和发病年龄的机制仍未阐明。通常在天然长寿物种和延长寿命的实验模型(例如,基因改变和/或实验操作的生物体)中观察到显著的结构性上调的细胞保护反应,如通过增强抗应激能力和上调对细胞具有保护作用的Nrf2信号通路下游组分。转录因子Nrf2在所有组织中均有表达,尽管不同器官之间的水平可能不同,关键的解毒器官(肾脏和肝脏)表现出最高水平。

Nrf2可以进一步由细胞应激物激活,包括内源性活性氧物质或外源亲电子物质。Nrf2信号通路通过激活200多种基因的转录来介导多种细胞保护功能,这些基因在药物和毒素的代谢中起关键作用,对氧化应激和炎症具有保护作用,并且在蛋白质的稳定性中起着不可或缺的作用。通过蛋白酶体降解或自噬去除受损蛋白质。Nrf2与其他重要的细胞调节因子相互作用,如肿瘤抑制蛋白53(p53)和核因子-κB(NF-κB),通过它们的联合相互作用成为健康的守护者,可以预防许多与年龄相关的疾病,包括癌症和神经变性病。我们假设这种信号传导途径在决定物种寿命方面起着关键作用,并且该途径可能确实是衰老过程的主要调节因子。

前言

了解自然界对不同寿命物种的进化过程的调控机制是衰老生物学比较研究的基本焦点。长寿物种的定义是根据其体型大小至少比预期寿命长两倍的物种[即,寿商(LQ)观察到的寿命除以预计的体尺寸=2,图1]。根据这个定义,延长寿命的同时降低衰老速率,在许多哺乳动物类群中具有长寿物种(例如,蝙蝠,裸鼹鼠和人类)的哺乳动物中都反复进化着。在啮齿动物中,裸鼹鼠,一种小鼠大小的hystricognath脱颖而出,特别长寿(Buffenstein 2005),最长寿命为30年,与人类的寿命指数相近(Buffenstein 2008)。然而,根据体型,不同种类的其他几种啮齿动物的寿命至少是预期的两倍。通过比较相似大小的物种,我们能够阐明自然参与衰老过程的共同机制和新机制。这种方法还可以确定抑制衰老的常见机制,以及特定物种或门所特有的特征。很少有关于衰老的研究采用比较的方法来研究不同衰老速度所涉及的难以捉摸的机制。不过,通过使用非传统的动物模型,这一方法将通过识别长寿物种中发生变化的途径来取得关键进展,从而更好地理解衰老机制,这确实可能会突出显示衰老研究的新方向,并且这可能与人类衰老有关。

衰老是一个固有的公然的过程,在所有哺乳动物中都很容易区分。个人健康和健康质量的下降,加上克服疾病或身体压力的困难增加,导致老年人永久性丧失功能和死亡率增加。这些衰老特征通常被认为是由于基因组、蛋白质组和代谢完整性的逐渐丧失。然而,尽管进行了大量的研究工作,导致和表征衰老过程的机制仍不清楚。通常认为,老化是一个多因素过程,与多种分子和细胞损伤有关(Rattan 2006; Hayflick 2007; Kirkwood 2008)。然而,目前有关老化的理论主要集中在一个单一的导致衰老的因素上。例如,最被广泛接受的老化理论是由氧化应激引起的。这个理论最早由Denham Harman在1956年提出,它假设活性氧(ROS)是有氧呼吸不可避免的副产物,会对所有细胞成分进行不加区分的氧化修饰,导致无法被抗氧化剂中和/或修复的损害(Harman 1956)。 随着年龄的增长,细胞完整性和功能会逐渐下降,损害也会随之增加。此外,在受损或老化的线粒体中,ROS水平可能增加,导致更高水平的ROS产生,并增加随后的损伤水平。尽管这种理论存在直觉思维,并且得到了广泛支持(Barja et al. 1994;贝克曼和艾姆斯1998;Sohal et al . 2002;Droge and Schipper 2007),但氧化应激和衰老速度之间的因果关系还没有明确的确定,最近大量的数据与这一理论的预测不一致,导致许多人质疑其有效性(Sanz et al. 2006; Muller et al. 2007; Buffenstein et al. 2008; Pe´rez et al. 2009; Lapointe and Hekimi 2010)。许多长寿的啮齿动物、爬行动物、蝙蝠和鸟类(Hamilton et al. 2001; Brunet Rossinni 2004; Andziak and Buffenstein 2006; Furtado-Filho et al. 2007; Wilhelm Filho et al. 2007; Buffenstein et al. 2008),即使是在年轻个体中,也都存在高水平的氧化损伤,这些数据与他们的寿命并不相称。 此外,转基因操纵抗氧化剂水平的数据(Huang et al.2000; Van Remmen et al.2003; Pe'rez et al.2009)也与衰老的氧化应激理论的基本前提相悖,因为这些动物的寿命不受抗氧化剂表达水平和/或累积氧化损伤的影响。虽然这个令人敬畏的衰老理论确实涉及到某些与年龄相关的疾病状态,但现在却受到了许多人的公开挑战,其中包括一些著名科学家,他们的大部分研究生涯都集中在这一衰老机制上(Howes 2006; Sanz et al 2006; Bonawitz和Shadel 2007; Kregel和Zhang 2007; Buffenstein等人2008; Fukui和Moraes 2008; Gems和Doonan 2009; Pe'rez等人2009; Salmon等人2009b)。显然,老化的氧化应激理论已经过于简化,需要进行一些修改。

在许多自然长寿物种和转基因模型之间存在一个共同的特点,即延长的寿命,并为老化的氧化应激理论提供一些支持;也就是说,来自长寿动物的皮肤成纤维细胞显示出更高水平的细胞凋亡,对氧化和化学损伤更有抵抗力(Ogburn et al. 1998; Kapahi et al. 1999; Salmon et al. 2005; Harper et al. 2006; Mele et al. 2006; Salmon et al. 2008)。物种寿命和细胞对氧化损伤的抵抗能力之间的密切关系在动物王国中各种各样的生物体中都有报道(Kapahi et al. 1999; Salmon et al. 2005; Labinskyy et al. 2006; Harper et al. 2007)。然而,细胞的抗应激能力扩展到许多其他的非氧化应激源。这些包括热量、不涉及氧化还原反应的重金属、化疗药物、饮食改变和外来生物。短寿命和长寿命物种之间的这种显著性差异很可能代表了将能量和资源转移到体细胞维持(从而促进个体生存)与增长和繁殖投资之间的进化权衡,从而确保快速达到性成熟和物种的长期生存 (Kirkwood et al. 2000)。
另一种解释可能是,对抗氧化损伤的细胞保护只是多因子细胞保护途径的一个组成部分,通过激活多种防御措施,包括分子伴侣的合成、细胞周期监测的组成部分、以及防止过多的细胞应激物、蛋白质降解以及抗氧化剂,以维持在长寿命物种中观察到的细胞、蛋白质和基因组完整性(Pe´rez et al. 2009; Salmon et al. 2009b)。其中一种途径是通过转录因子核因子2相关因子2 (Nrf2) (Motohashi and Yamamoto 2004)介导的。Nrf2(图2)是200多个细胞保护基因序列的主要调节器,这些基因编码的蛋白质能够中和及解毒内源性和环境毒素,调节细胞周期和细胞生长因子,并促进高质量蛋白质组的维持(Lee et al. 2003; Liu et al. 2007)。鉴于Nrf2调控着广泛的细胞保护机制,该信号传导途径可能实质上有助于与衰老过程相关的多因素表型。此外,这可以解释为什么一些数据报道支持衰老的氧化应激理论,而其他数据与这一理论不相容; 例如,在抗氧化活性和寿命之间的全面的正相关、负相关以及根本没有相关性(Perez-Campo et al. 1993; Sohal et al. 1993; Andziak et al. 2005; Pamplona and Barja 2007; Wilhelm Filho et al. 2007)。那些似乎与这一理论不可调和的数据,例如长寿鸟类(Hamilton et al.2001)、吸血蝙蝠(Ferreira-Cravo et al. 2007)、和裸鼹鼠(Andziak and Buffenstein 2006)中报告的高水平氧化损伤可以通过细胞保护性Nrf2信号通路的其他代偿组分的组成型上调来解释(例如分子伴侣,细胞周期监视机制的上调和蛋白质质量控制的组分)。

Nrf2信号通路

Nrf2是转录因子Cap'n'Collar(CNC)亚家族的成员,其C-末端含有碱性亮氨酸拉链(bZIP)DNA结合域(Hayes and McMahon 2001; Aleksunes and Manautou 2007; Kensler et al. 2007; Cavin et al.2008)。除Nrf2外,CNC家族还包括密切相关的因子Nrf1,Nrf3和p45 NF-E2(Motohashi et al. 2002; Blank 2008)。Nrf1和Nrf2在所有组织中都普遍表达,并与抗氧化/亲电反应元件(ARE/EpRE) (Bishop and Guarente 2007)有相似的结合。虽然Nrf1和Nrf2调控一些共同的基因,但Nrf1与Nrf2的不同之处在于Nrf1靶向于内质网(Zhang et al. 2006)。然而,敲除研究表明,Nrf1和Nrf2在ARE依赖性基因的激活中具有不同的表型和不同的作用(Leung et al. 2003; Ohtsuji et al. 2008)。Nrf3的功能尚未真正阐明,但其表达局限于胎盘和肝脏,并且它具有相对较弱的反式激活活性(Sankaranarayanan and Jaiswal 2004; Zhang et al. 2009)。有证据表明,虽然Nrf1和Nrf2都具有组成型活性,但Nrf2主要由促氧化剂和亲电试剂激活。

在稳态、无应激条件下,Nrf2通过“铰链-锁存”机制(又称“双位点栓系”机制)与Kelch样ECH相关蛋白1 (Keap1)结合而受到限制,并通过与Keap1和Cullin 3 -E3 /Rbx1连接酶复合物的相互作用,被蛋白酶体定向进行聚偏二酰化并随后降解(Tong et al. 2006; McMahon et al. 2006)(图2)。在这些基础条件下,Nrf2的半衰期仍然很短(15分钟)。当机体或细胞本身受到应激性损伤时,Keap1中间区域的半胱氨酸残基(C151、C273和C288)被氧化剂或亲电试剂氧化或化学修饰,阻止Nrf2泛素化,从而将其半衰期延长到60分钟。然后Nrf2迅速进入细胞核并与其他转录因子形成异二聚体,例如与ARE / EpRE结合的小肌肉腱膜纤维肉瘤蛋白(Mafs),启动多种细胞保护分子和酶的转录(Thimmulappa et al. 2002; Kwak et al. 2003),从而调控细胞解毒以及维持蛋白质稳定性和完整性所涉及的过程(图2)。

Nrf2介导的细胞保护

Nrf2通过解毒和清除活性氧、异种生物和亲电致癌物,以及清除受损的蛋白质和细胞器,在细胞保护中起着核心作用(McMahon et al. 2001; Kwak et al. 2003; Cho et al. 2005)。重要的是,Nrf2调控谷胱甘肽(GSH) 的合成, 参与谷胱甘肽酶体内平衡,即催化谷氨酸-半胱氨酸连接酶 (GCLC)和谷氨酸-半胱氨酸修饰物(GCLM)亚基结合形成了GCL异质二聚体(催化GSH生物合成中的限速酶)和谷胱甘肽还原酶1(GR),其还原氧化的谷胱甘肽二硫化物(GSSG),从而回收GSH。Nrf2还介导其他几种抗氧化蛋白的诱导[如,硫氧还蛋白、过氧还蛋白、铁蛋白、金属硫蛋白、血红素加氧酶1 (HO-1)],介导I相和II相药物代谢酶的诱导[如,醛酮还原酶(AKRs)、谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)和NAD(P)H:醌氧化还原酶1 (NQO1)]。
或许Nrf2在毒素反应中最重要的作用是通过直接调节GCL和NQO1来调节GSH生物合成和解毒。GSH的产生增强了细胞清除ROS的能力,并且在与异生物质结合后,降低了它们的疏水性并通过MRP外排泵增加了它们的清除(Hayes et al. 2005; Meijerman et al. 2008)。NQO1通过醌氧化还原循环抑制自由基的形成,并且还稳定p53,这可以在基因毒性应激状态下更好地调节细胞周期(Nioi and Hayes 2004)。

GST是有机过氧化物和α,β-不饱和醛的解毒必需酶,也是GSH调控的重要组成部分,其中Nrf2起直接作用。GSH被认为是丰富的(以mM浓度存在于组织中)和重要的细胞内非蛋白巯基化合物(Meister and Anderson 1983; Franco et al. 2007; Wu et al. 2009),因为GSH参与ROS、亲电子试剂和异生质的还原和解毒(Hayes et al.2005)。GSH还参与抑制NO的有害作用,抑制过氧亚硝酸盐的形成和NO诱导的神经细胞凋亡,是一种重要的神经保护剂(Vargas et al. 2006)。GSH还是半胱氨酸大且重要的储库、代谢中的辅因子(例如,甲醛脱氢酶)、激素生物合成并且参与GST介导的解毒结合底物(Jones 2008)。

Nrf2在许多细胞保护作用中的重要性已经通过Nrf2敲除(Nrf2 - / -)小鼠或应激条件下的成纤维细胞得到了明确的证明(Enomoto et al. 2001; Chanas et al. 2002; Gong and Cederbaum 2006)。在正常的实验室条件下,Nrf2 - / - 小鼠与野生型(Nrf2+/+)小鼠相比仅有很少表型差异(Yanagawa et al. 2004)。并且,这些基因敲除动物比野生型动物更容易受到高氧、脂多糖(LPS)、香烟烟雾、柴油废气、紫外线照射(UVA和UVB)等促氧化刺激,以及许多化学品的影响,例如丁基化羟基甲苯和苯并[a]芘(Cho et al. 2002; Rangasamy et al. 2004; Hirota et al. 2005; Thimmulappa et al. 2006a; Reddy et al. 2007)。Nrf2的细胞保护作用在迄今为止研究的所有组织中都很明显,有报道称,Nrf2-/-小鼠对许多癌症(Ramos-Gomez et al. 2001; Iida et al. 2004; Xu et al. 2006; Kensler et al. 2007; Osburn and Kensler 2008)、神经退行性病(Shih et al. 2005; Burton et al. 2006)、肺病(Cho et al. 2004; Rangasamy et al. 2005)的易感性增加,肝脏和胃肠功能较易受损(Enomoto et al. 2001; Khor et al. 2008)、较易发生炎症反应(Rangasamy et al. 2005; Thimmulappa et al. 2006b; Osburn et al. 2007)。事实上,即使是饮食限制的肿瘤保护作用也依赖于Nrf2的存在,并且在Nrf2-/-小鼠能量限制的保护作用被减弱(Pearson et al. 2008)。因为大量的细胞保护分子对任何生物体都是有益的,我们相信这些因素将被用于寿命较长的物种中,更好地保护他们免受细胞毒性,有助于长寿。

Nrf2信号通路的多种作用

Nrf2信号通路正在成为一个预防肿瘤、神经变性和炎症反应的重要因子(Hayes and McMahon 2001; Droge and Schipper 2007; Nair et al. 2007)。由于Nrf2在多种年龄相关疾病中的重要作用,我们认为Nrf2在长寿和健康中起着关键作用(图3)。

解毒作用

许多不同类型的应激不断挑战所有生物体细胞。这包括内源性应激源(如ROS、过氧化氢、羰基和醌)和环境应激源(如热、紫外线照射、空气污染物、食物毒素、重金属、药物和细菌或病毒感染)。虽然像活性氧这样的物质可以预见地作为代谢副产品持续产生,但其他应激源可能更加反复无常,这是由于食物、污染物、甚至感染中的毒素造成的。这些不同类型的应激,虽然起源不同,但都可以导致细胞蛋白质和DNA的改变,可能导致细胞和组织功能下降,在极端情况下,甚至导致生物体死亡。Copple等主要研究Nrf2在毒素代谢方面的作用,包括乙酰氨基酚、丁基羟基甲苯、博莱霉素和7,12-二甲基苯(a)蒽等(Copple et al. 2008)。Nrf2是这些毒素的主要应答者,并上调了几种化合物和酶(NQO1、GSH、GST)的表达,促进了毒素的有效中和、结合以及消除。

蛋白质稳定及更新

蛋白质稳定性发生变化和降解被认为是导致蛋白质年龄相关具有聚集倾向的构象变化。这种相关性已经在一些神经退行性疾病中观察到(Grune et al. 2004; Gregersen et al. 2006) ,包括阿尔茨海默氏症。维持蛋白酶体活性是细胞生存所必需的,而由于错误折叠或受损蛋白的聚集引发的蛋白酶体功能丧失可能会而进一步加剧细胞应激。当不能有效地去除和降解时,受损的蛋白质会形成有毒的聚集物(Glickman and Ciechanover 2002)。不足为奇的是,不能维持蛋白质的稳定性和更新被假设为老化的一个原因(Grune 2000; Herczenik and Gebbink 2008; Pe´rez et al. 2009)。

蛋白质的稳态部分是通过泛素介导的26S蛋白酶体靶向作用于错误折叠蛋白降解和自噬来维持的。然而,在氧化应激过程中,两者在氧化蛋白的降解过程中都起着很小的作用(Shringarpure et al. 2001)。相反,19S亚基与26S蛋白酶体分离,氧化修饰蛋白直接作用于蛋白酶体的20S催化圆柱核心(Grune and Davies 1997)。

微阵列研究表明,Nrf2还影响自噬的关键组成部分——分子伴侣、26S和20S蛋白酶体亚基以及sequestosome 1 (p62)的表达(Kwak et al. 2003; Korashy and El-Kadi 2006; Hayes and McMahon 2009)。因此,Nrf2能够调控蛋白质折叠、错误折叠、泛素化蛋白质以及受损细胞器清除(Lane 1992; Nioi and Hayes 2004; Gamet-Payrastre 2006)。Kapeta等人(2010)证实了Nrf2和蛋白酶体功能在调节人类细胞增殖老化中的作用。在人成纤维细胞中诱导Nrf2可维持蛋白酶体功能,通过降低活性氧和氧化蛋白的水平,可将复制寿命延长65%。这一结果支持了我们之前提出的观点,Nrf2在调节寿命方面具有保护作用(图3)。

长寿物种和突变小鼠模型似乎具有共同的特性,这些特性有助于增强蛋白质的稳定性,而这种稳定性可能在一定程度上受到上调的Nrf2调控。一些研究人员已经证明,与寿命较短的蝙蝠和老鼠相比,寿命较长的蝙蝠和裸鼹鼠拥有较高水平的抗错误折叠、低泛素化蛋白、20s蛋白酶体特异性活性中等 (Pe´rez et al. 2009; Salmon et al. 2009a);所有这些特性都提示这与蛋白质稳定性增强和蛋白质质量维持有关。如果长寿物种的Nrf2水平升高,在氧化应激期间会变得活跃,并且作用于靶基因以消除该应激并用20S蛋白酶体降解错误折叠的蛋白质,那么这些观察结果就可以被解释。

细胞完整性

Nrf2还与p53相互作用,p53是肿瘤抑制转录因子,被广泛认为是基因组的守护者。p53调节细胞应对应激反应的通路,这些应激反应可能导致细胞周期阻滞、DNA修复、细胞衰老和凋亡。p53也能在毒性条件下转录激活p21,使p21发挥细胞周期抑制剂的作用。或者p53可以激活多种凋亡基因,导致细胞死亡(Shen 2001)。Chen等人(2009)已经证明p21通过干扰keap1定向Nrf2泛素化和降解来增加Nrf2水平。因此,p21通过与Nrf2通路的相互作用,保护细胞免受细胞毒素的侵害,扩大了p53在低至中度应激条件下的生存功能,可能是p21抑制肿瘤的另一种机制。如果毒素水平超过一定的阈值,p21可诱导细胞周期阻滞,以便DNA修复。如果损伤超过机体的修复能力,就会诱导细胞凋亡(Villeneuve et al. 2009)。因此,细胞周期阻滞的p21-Nrf2依赖和p21依赖通路可能代表p53和Nrf2介导的两种单独但增强的细胞保护机制。目前尚不清楚Nrf2信号在不同类型的细胞中是否会升高,这可能是因为在应激反应中积累了p21所致。

从p21对Nrf2活性的影响中产生的一个有趣的问题是,对于从p21诱导的Nrf2依赖性细胞生存机制上调到p53/p21诱导的细胞死亡,长寿和短命生物的细胞是否具有不同的阈值?相反,已显示p53拮抗Nrf2与ARE启动子的结合,表明在高水平的应激和/或不可修复的损伤中,平衡转变为促凋亡状态,通过减弱的Nrf2活性和增加的ROS水平而得到加强。考虑到不同寿命物种对细胞毒素的抵抗能力的差异,我们假设长寿物种的细胞具有更高的抗应激阈值,有利于Nrf2依赖性细胞保护的上调,且仅作为最后的手段, 当损伤过大或不可修复时,抑制Nrf2反应,从而诱导细胞凋亡。p53是否选择诱导生长阻滞或凋亡似乎取决于生存信号。当生存信号占主导地位时,p53激活导致细胞周期停止,并促进修复。相反,当生存信号不足时,p53会导致细胞凋亡(Ashcroft et al. 2000; Sears 2002)。长寿物种可能会维持一个更稳定的环境,通过p53激活来协调更多的生存信号,从而使系统进入修复或细胞周期阻滞的通路。Nrf2靶基因,如NQO1,已被证明能够结合和稳定p53。这可能导致相互加强的反馈回路调节细胞周期阻滞或凋亡,这取决于活性氧的浓度和受损大分子的数量。

因此,在p53和Nrf2通路之间有许多相互作用的点,这些点依赖于应激的严重程度和Nrf2反应动力学,这两者都可能决定细胞存活或死亡。

炎症反应

近期研究结果显示Nrf2信号在减少炎症反应中也起着重要作用。Nrf2可抑制多种促炎基因,包括肿瘤坏死因子α(TNFα)、白细胞介素(IL-1β, IL-6)以及细胞粘附分子、前列腺素代谢物、基质金属蛋白酶和诱导型一氧化氮合酶(Kim et al . 2009)。Nrf2减少炎症反应被认为主要是由于它对NF-κB的抑制(Chen et al. 2006; Jin et al. 2008)。例如,Nrf2化学激活剂(如姜黄素或萝卜硫素)减弱脂多糖(LPS)对NF-κB的诱导(Jeong et al. 2004)。酶HO-1具有显著的抗炎活性。重要的是,HO-1被Nrf2上调,而后调节先天免疫、炎症和伤口愈合(Srisook et al. 2005; Patil et al. 2008)。Nrf2通路和炎症信号之间也有大量的相互作用。据报道NF-κB直接在转录水平抑制Nrf2信号。此外,NF-κB还可能通过组蛋白去乙酰化酶3(HDAC)的募集和通过竞争性结合转录共激活因子结合蛋白(CBP)诱导低乙酰化来阻止Nrf2信号传导(Liu and Shen 2008)。
Nrf2诱导的炎症抑制对许多疾病状态具有广泛的意义。慢性炎症涉及人类多种退行性疾病的病因学,并促进自身免疫性疾病、哮喘、神经退行性疾病(如帕金森氏症和阿尔茨海默氏症)、肺纤维化、骨关节炎、结肠炎、肾功能衰竭、心血管疾病、动脉粥样硬化及癌症的发病和进展(for review see Kim et al. 2009)。例如,促炎因子的下调似乎对心血管功能有很大的有益作用,使Nrf2成为维持心脏健康的新靶点。Nrf2上调已被证明可以保护动脉内皮细胞免受炎症反应影响(Zakkar et al. 2009),并缓解心血管疾病相关的各种因素(Ungvari et al. 2008)。萝卜硫素,Nrf2激活剂,通过上调酶II相解毒酶和HO-1的表达可预防缺血损伤(Piao et al. 2009)。保护性抗氧化酶HO-1也可介导心脏组织中的线粒体生物合成(Piantadosi et al. 2008)。Nrf2细胞保护通路在保护心血管系统免受ROS氧化损伤方面起着至关重要的作用(Zhu et al. 2008)。

同样,用于治疗类风湿性关节炎的药物也可以激活Nrf2信号通路,上调HO-1和GCL的表达。在类风湿性关节炎药物金诺芬和哮喘药物上调Nrf2,可能是通过抑制环氧合酶-2来消除前列腺素的堆积(Kim et al. 2009)。

慢性神经炎症通常与神经退行性疾病相关(Rojo et al. 2010),并归因于失控的防御小胶质细胞活动。小胶质细胞通过清除病原体和细胞碎片促进大脑的愈合。受损的神经元会释放化学刺激物,引发小胶质池的扩张,以应对炎症反应,这反过来又会进一步促进神经元的死亡、慢性神经炎症和神经变性(Kim et al. 2009; Rojo et al. 2010)。

神经退行性变

Nrf2在保护神经退行性疾病和维持认知功能方面的作用正在积极研究中。Nrf2是创伤性脑损伤后充分愈合所必需的,现在被认为是各种年龄相关神经退行性疾病的重要治疗制剂(Jin et al. 2009)。神经元死亡通常与多种疾病有关,包括阿尔茨海默病和帕金森病,体外诱导神经元Nrf2信号通路后,神经元细胞死亡减少(Johnson et al. 2008)。此外,星形胶质细胞中Nrf2信号通路的上调保护邻近神经元免受细胞毒性威胁(Kraft et al. 2004)。同样,在帕金森症和阿尔茨海默病中,高水平的氧化应激可能被Nrf2信号上调和伴随的HO-1、NQO1及其他下游靶点的升高所抵消(Cuadrado et al. 2009)。实验小鼠神经系统表现出与年龄相关的Nrf2水平下降和下游信号成分下降(Duan et al. 2009),这被认为可能导致与年龄相关的认知能力下降。
癌症 
慢性炎症也可能导致自发瘤变(Ahmad et al. 2009)。Nrf2已被证明对癌症的发展和治疗有双重作用(Lau et al. 2008)。分离肿瘤细胞系实验及肿瘤人群试验已经表明,许多肿瘤在体内和体外通过Keap1和Nrf2的突变发挥Nrf2的肿瘤细胞保护作用,这导致Nrf2信号通路的组成型上调和永久性激活,增强癌细胞对毒素的耐受性,从而限制化学治疗剂的功效(Wang et al. 2008)。目前尚不清楚这些体细胞突变在哪个阶段对致瘤表型作用最大。化疗耐药肿瘤细胞株也经常上调GSH生物合成和药物代谢酶途径,使其在体内难以治疗。已经证明GSH生物合成和GSH依赖酶与药物的耐药性有关(McLellan and Wolf 1999),我们现在认识到这可能是由于Nrf2失调造成的(Hayes and McMahon 2009)。

通过研究长寿物种如何阻止这些突变并维持对Nrf2-Keap1通路的调控,可能实现潜在的益处。Nrf2信号通路的化学预防作用、Nrf2信号通路的抗肿瘤特性及其在机体内的广泛存在很可能是抗癌和延长寿命的一个重要组成部分。此外,学习如何调节Nrf2-Keap1通路可能会对人类癌症达到更有效的治疗。

Nrf2的其他作用

虽然Nrf2信号在癌症生物学和神经退行性变等领域的作用正在被深入研究,但Nrf2细胞保护的重要性在其他研究领域也正在显现。Nrf2上调也被假设在不同物种冬眠唤醒期间的机体抗氧化防御中发挥作用。在松鼠中,组成Nrf2以及Nrf2下游的成分在冬眠期间增加,但在恢复正常活动后恢复到正常水平(Morin et al. 2008)。Nrf2还在非洲爪蛙脱水过程中调节抗氧化应激的保护作用(Malik and Storey 2009)。在不同物种中进行的这些有趣的研究表明,Nrf2可以在生物学中发挥多样而深远的生理作用。

由于Nrf2细胞保护在许多研究领域都有涉及,生物医学科学家对激活这一信号通路的化合物很有兴趣。许多天然化合物,特别是可食用植物中的植物化学物质,已经被确认为这种途径的兴奋剂,包括萝卜硫素(存在于西兰花中)、白藜芦醇(葡萄皮中的一种黄酮类物质)以及姜黄素(姜黄的关键成分)(Lee and Surh 2005)。

Nrf2的激活可以保护机体免受氧化应激源、亲电试剂、促炎剂以及受损蛋白和其他分子堆积造成的影响。考虑到这些对细胞有保护作用的调控功能,Nrf2很可能是长寿物种、长寿转基因小鼠模型(如矮鼠)以及那些受到延长寿命环境操纵(如热量限制)的物种抗应激能力增强的重要组成部分。新型的治疗方法,主要是饮食中的多酚,通过激活Nrf2来获得有益的效果,同时调节细胞信号传导过程,这些过程在抵抗炎症、神经变性和癌症方面非常重要。

Nrf2信号通路与衰老 

毒物兴奋效应的模式已经被用来解释长寿命物种处理应激从而延长寿命的能力(Masoro 2007)。事实上,热量限制被认为是一种温和的应激,它会诱导细胞保护性机制,而这些机制很可能依赖于Nrf2——一种细胞保护信号通路。最近从进化的角度综述了Nrf2作用的剂量效应特征(Maher and Yamimoto,2010)。这些作者指出,Nrf2的活性范围很窄,为机体解毒应激提供了最佳的能力。我们假设长寿物种本质上具有待激活的Nrf2通路,随之准备对细胞应激作出反应,从而减少暴露于可能导致细胞损伤的物质。在Nrf2水平导致不良状态暴露之前,这些生物体可能还有更广泛的设置点。支持这一假设的证据来自于ARE-调节基因的组成性表达(如Keap1敲除小鼠中观察到的)或ARE-调节基因的不当表达,观察到这些基因可能在疾病状态下产生有害影响(如癌细胞中的多药耐药表型)。在进化距离较远的物种中,有越来越多的证据表明,Nrf2-ARE依赖成分与长寿和健康延长有关。在多个延长寿命的小鼠模型中,Nrf2依赖参与解毒和GSH代谢的酶增加,包括限热小鼠、限蛋氨酸小鼠和非应激条件下的侏儒小鼠(Brown-Borg and Rakoczy 2005; Amador-Noguez et al. 2007)。GSH的增强也被认为是细胞抵抗药物诱导凋亡的潜在机制(O’brien and Tew 1996)。谷胱甘肽的耗尽改变了细胞对亲电试剂和氢过氧化物的抗性(Higgins et al. 2009),并且谷胱甘肽生物利用度降低与衰老及年龄相关性疾病有关(Maher 2005; Droge and Schipper 2007)。

同样地,在神经组织中过度表达GCL限速酶(负责GSH合成)并因此在中枢神经系统中有较高的GSH水平的果蝇比野生果蝇寿命长50% (Orr et al. 2005)。较长寿命的秀丽隐杆线虫突变体,其胰岛素/IGF-1样信号发生改变,已被发现能够上调GSH生物合成酶以及NQO1和GST等I、II相药物代谢酶(McElwee et al. 2004; Jasper 2008; Tullet et al. 2008) ,过表达GSTs会增加蠕虫的平均寿命(Ayyadevara et al. 2005a;. 2005b)。相反,众所周知,短寿命大鼠和小白鼠随着年龄的增长,硫醇含量降低,这与Nrf2活性降低有关(Suh et al. 2004)。

我们发现,与长寿的实验性小鼠模型一样(Brown-Borg and Rakoczy, 2005),长寿啮齿动物,如裸鼹鼠和白足鼠(Peromyscus leucopus)表现出GSH和GST的组成性升高。如上所述,升高的GSH提供了相当大的保护,首先作为氧化还原缓冲,以及作为中和和消除活性氧和亲电试剂所需的共底物(Hayes and Strange 1995; Maher 2005)。基于对小鼠的研究(McMahon et al. 2001),在长寿啮齿类动物中,这些GSH依赖酶的增加可能是由Nrf2调控的。此外,我们发现年轻(2岁)和年老(26岁)裸鼹鼠同样表现出低水平的泛素化蛋白,表明高效去除受损蛋白(Pe´rez et al. 2009)。当Nrf2调控26S蛋白酶体的α和β亚基以及p62时,似乎至少在一定程度上,上调ARE-基因的调控可能是积聚泛素化蛋白失败的原因,p62是一种通过自噬促进蛋白聚集物去除的蛋白(Bjorkoy et al. 2006; Nakaso et al. 2006; Du et al. 2009) 。因此,我们推测长寿物种具有组成活性的Nrf2细胞保护通路。与该观点一致,我们发现在正常生理条件下,裸鼹鼠各器官和成纤维细胞Nrf2蛋白水平比小鼠高3 - 8倍,白足鼠表现出中间值。Nrf2在裸鼹鼠中明显的组成性上调和激活的分子基础尚不清楚,其激活的结果也不清楚。我们预计,Nrf2活性的增强会显著延长该物种的寿命,且这可能是长寿哺乳动物的共同特征。

有趣的是,与秀丽隐杆线虫长寿相关的两个转录因子之一是Skn1,一种由饮食限制而导致的长寿所必需的与哺乳动物Nrf2相关的CNC型蛋白(An et al. 2005; Tullet et al. 2008) (Bishop and Guarente 2007)。Nrf2具有延长寿命的能力的观点也来自于果蝇,在果蝇中,一个Keap1等位基因的缺失会增加GSTD1的表达,从而导致雄性果蝇对百草枯的抗性和长寿(Sykiotis and Bohmann 2008)。Nrf2信号通路下游成分的过表达延长了果蝇的寿命(Orr et al. 2005),且秀丽隐杆线虫模型也显示Skn- 1依赖酶的表达上调 (Jasper 2008)。相反,当Nrf2的同源基因在果蝇和蠕虫中都被敲除时,与热量限制相关的寿命延长也消失(Bishop and Guarente 2007)。综上所述,这些研究表明Nrf2-ARE通路(或其在无脊椎动物中的进化等同物)通常涉及到小鼠、蠕虫和苍蝇中延长寿命的范例。

总的来说,这些数据进一步支持了我们的假设,即Nrf2在决定寿命和健康方面直接发挥作用。尽管Nrf2和与衰老相关的细胞保护机制之间有重要关系,但令人惊讶的是,很少有研究评估Nrf2在调节衰老和寿命方面的作用。然而,上述数据间接支持了我们的假设,即Nrf2对毒素和肿瘤发生的保护作用决定了寿命和健康 (图3)。许多已被证明可以调节衰老的单一基因突变可以通过操纵这一途径来诱导它们的作用,因此这可能是在这一方向的比较衰老研究中进行新假设检验的一个来源。对这一通路及其在衰老过程中的调节作用的机制研究将决定这些假设的有效性,最终可能会有Nrf2延长人类生命和健康相关的干预研究。


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