于馨雅 申元英 郭 樂
氧化應(yīng)激被定義為活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生和內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)之間的失衡。生理條件下,細胞內(nèi)會產(chǎn)生少量的ROS,這些ROS在細胞信號轉(zhuǎn)導過程中發(fā)揮作用,很容易被抗氧化防御系統(tǒng)還原。然而,在病理生理條件下,ROS的產(chǎn)生超過了抗氧化防御系統(tǒng)的緩沖能力,會導致細胞功能障礙、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)過氧化、DNA損傷,最終造成不可逆的細胞損傷和死亡。
炎癥是對有害刺激和某些條件(如感染或組織損傷)的適應(yīng)性反應(yīng),炎性細胞可產(chǎn)生可溶性介質(zhì),如花生四烯酸代謝產(chǎn)物、細胞因子和趨化因子等,它們的作用是進一步將炎性細胞招募到損傷部位并產(chǎn)生更多的活性物質(zhì)。這些關(guān)鍵介質(zhì)可激活信號轉(zhuǎn)導級聯(lián),并誘導轉(zhuǎn)錄因子的變化,從而加重氧化損傷。另外,環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2, COX-2)和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的誘導表達,腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細胞介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、白細胞介素-6(interleukin-6, IL-6)、轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)和單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein, MCP-1)等的異常表達,以及特異性microRNA的改變也參與了氧化應(yīng)激誘導的炎性反應(yīng)[1]。
研究表明,核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2/血紅素加氧酶-1(nuclear factor erythroid-2-related factor 2/heme oxygenase 1, Nrf2/HO-1)通路在氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)的發(fā)生與調(diào)控中起重要作用,也是目前國內(nèi)外氧化應(yīng)激和炎性疾病發(fā)生、發(fā)展機制中的研究熱點。
Nrf2是體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)因子,參與多種細胞內(nèi)防御機制相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導。生理狀態(tài)下,Nrf2與Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein-1, Keap1)以復合體形式存在于細胞質(zhì)中并處于惰性狀態(tài),當受到氧化應(yīng)激刺激時,過量的ROS使Nrf2與Keap1解離進入細胞核,通過抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element, ARE)調(diào)節(jié)細胞內(nèi)解毒酶和抗氧化蛋白的基因表達,從而促進細胞解毒過程和抗氧化潛能[2]。Nrf2依賴ARE驅(qū)動的基因編碼解毒和抗氧化酶包括NAD(P)H:醌氧化還原酶1(NQO1)、谷氨酸半胱氨酸連接酶催化亞基和修飾亞基,以及HO-1[3]。
HO-1是Nrf2下游的靶蛋白,能降解血紅素釋放膽綠素、CO和亞鐵離子。HO-1及其產(chǎn)物通過保護氧化損傷、調(diào)節(jié)細胞凋亡、調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)以及促進血管生成而發(fā)揮有益的作用[4]。生理狀態(tài)下,HO-1的表達較低,當組織細胞受到血紅素、一氧化氮、重金屬、生長因子、細胞因子等刺激而處于應(yīng)激狀態(tài)時,HO-1可通過Nrf2的調(diào)控進行應(yīng)答,表達量高度上調(diào),表現(xiàn)出明顯的抗氧化作用。
Nrf2/HO-1通路被認為是抗NF-κB誘導的炎癥的上游分子之一,完整的Nrf2/HO-1通路發(fā)揮抗氧化、抗炎、維持線粒體穩(wěn)態(tài)、抑制細胞凋亡、調(diào)控細胞焦亡等多種效應(yīng),最終影響疾病的轉(zhuǎn)歸(圖1)。
圖1 Nrf2/HO-1信號通路
1.抗氧化與抗炎:研究表明,芍藥苷通過抑制NF-κB通路和激活Nrf2/HO-1通路來減輕脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導的人克隆結(jié)腸腺癌細胞炎性反應(yīng)[5]。Wang等[6]研究證實了蛆提取物通過降解Keap1和激活Nrf2減輕LPS誘導的實驗性結(jié)腸炎的炎癥和氧化應(yīng)激。
2.維持線粒體穩(wěn)態(tài):線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所,也是細胞內(nèi)ROS的主要來源。Nrf2/HO-1通路的激活可能在維持糖尿病患者線粒體穩(wěn)態(tài)方面起到重要作用,有望成為防治或延緩糖尿病患者視網(wǎng)膜病變進展的重要靶點[7]。Li等[8]通過體內(nèi)外實驗證實了磷酸肌酸通過Nrf2/HO-1通路使線粒體功能正?;⒔档脱趸瘧?yīng)激,從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。
3.調(diào)節(jié)Ca2+濃度:細胞內(nèi)Ca2+濃度過高會通過細胞內(nèi)鈣超載、鈣依賴降解酶的激活和細胞凋亡等多種機制導致氧化應(yīng)激和機體功能障礙。近年來研究發(fā)現(xiàn),κ阿片受體激動劑U50488H通過激活Nrf2/HO-1通路抑制Ca2+內(nèi)流,改善心力衰竭大鼠心肌細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,從而減輕心肌損傷[9]。Park等[10]研究證實,異槲皮苷和槲皮素通過Nrf2/HO-1通路恢復細胞內(nèi)ROS水平和調(diào)節(jié)Ca2+濃度等,顯著抑制谷氨酸誘導的細胞氧化死亡。Ca2+是機體各項生理活動不可缺少的離子,Nrf2/HO-1通路通過對其調(diào)節(jié)可能參與凝血、肌細胞收縮、調(diào)節(jié)酶活性等多種重要的生命活動,從而在相關(guān)疾病中顯示出潛在的治療作用。
4.調(diào)控鐵死亡:鐵死亡是一種調(diào)節(jié)性細胞死亡,是鐵依賴和半胱天冬氨酸蛋白酶(caspase)非依賴的非凋亡性細胞死亡,與ROS的產(chǎn)生密切相關(guān)。Chen等[11]研究發(fā)現(xiàn),鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1通過Nrf2/HO-1信號通路有效地改善了葡聚糖硫酸鈉誘導的實驗性結(jié)腸炎。同樣,Li等[12]研究發(fā)現(xiàn),另一種鐵死亡抑制劑Liproxstatin-1通過激活Nrf2/HO-1通路下調(diào)TGF-β1來緩解放射性肺纖維化?;谏鲜鲅芯磕軌虬l(fā)現(xiàn),Nrf2/HO-1通路對鐵死亡具有抑制作用。
5.抑制細胞凋亡:細胞凋亡是指細胞內(nèi)的死亡級聯(lián)反應(yīng)被特定信號觸發(fā)所致的生理或病理性、主動性的死亡過程。研究發(fā)現(xiàn),Sirt5蛋白可能通過調(diào)節(jié)Nrf2/HO-1通路和B淋巴細胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)來減輕順鉑誘導的人腎近曲小管上皮細胞-2的凋亡和線粒體損傷[13]。Zhang等[14]研究認為,蓮房原花青素通過調(diào)節(jié)Nrf2/HO-1通路的激活而增強細胞抗氧化防御能力,并參與抑制線粒體介導的凋亡信號通路。Nrf2/HO-1通路與細胞凋亡的密切關(guān)系為氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)提供了潛在的研究方向。
6.調(diào)控細胞焦亡:細胞焦亡又稱細胞炎性壞死,是一種依賴caspase-1的程序性細胞壞死,主要表現(xiàn)為細胞滲透壓改變、細胞膜破裂、炎性物質(zhì)釋放,從而導致細胞死亡。炎性小體是炎癥的中心調(diào)節(jié)器,越來越多的證據(jù)表明,Nrf2和炎性小體在不同水平上存在交聯(lián)。如Huang等[15]研究發(fā)現(xiàn),Nrf2的激活和HO-1的誘導可以抑制NLRP3(nucleotide-binding and oligomerization domain-like receptor thermal protein domain associated protein 3)炎性小體,從而抑制焦亡。同時,近年來有研究發(fā)現(xiàn),和厚樸酚通過激活Nrf2抑制人支氣管上皮細胞中NLRP3、caspase-1、Gasdermin D等的表達,從而抑制NLRP3炎性小體介導的焦亡,減輕氧化應(yīng)激,進而減輕LPS誘導的急性肺損傷[16]。
7.調(diào)控細胞自噬:自噬是調(diào)節(jié)體內(nèi)環(huán)境的一種天然保護機制,當受到外部傷害性刺激時,適當?shù)卣T導自噬可以減少對機體的傷害。研究表明,亞砷酸鹽通過PI3K/Akt途徑促進Nrf2和下游mTOR的上調(diào),繼而抑制自噬[17]。此外,還有研究發(fā)現(xiàn),西格列汀通過激活AMPK/mTOR和Nrf2/HO-1通路,提高自噬/凋亡率,減輕鎘所致的睪丸損傷[18]。總之,該通路的活化程度對自噬的調(diào)節(jié)效果不同,進而對機體產(chǎn)生不同效應(yīng)。
1.呼吸系統(tǒng):呼吸系統(tǒng)疾病是臨床上最常見的疾病之一,因此,其發(fā)病機制、診斷和治療值得進一步研究。Wu等[19]研究指出,Nrf2/HO-1通路可以抑制LPS誘導的ROS的產(chǎn)生,減少炎性介質(zhì)IL-1β和TNF-α的表達,從而減輕肺損傷。急性呼吸窘迫綜合征是一種以進行性呼吸困難、肺動脈高壓、通透性肺水腫和肺微血栓形成為主要特征的臨床綜合征,而Nrf2/HO-1通路可以拮抗TNF-α介導的毛細血管內(nèi)皮損傷,從而改善毛細血管內(nèi)皮細胞的屏障功能,降低毛細血管通透性,刺激內(nèi)皮細胞釋放大量抗炎性細胞因子。
2.心血管系統(tǒng):心血管疾病可導致心絞痛和呼吸急促,嚴重威脅著人類健康和生活質(zhì)量。Nrf2/HO-1通路已用于治療病毒性心肌炎、心肌缺血再灌注損傷等常見心血管疾病。Yang等[20]研究表明,蓮葉提取物(nelumbo nucifera leaf extract, NLE)具有抗動脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)的作用,補充NLE可增加Nrf2及其下游靶點的表達。因此,利用其上調(diào)Nrf2的特性,NLE有望成為治療AS的潛在藥物。還有研究發(fā)現(xiàn),蕨麻提取物直接增強心肌細胞的內(nèi)源性抗氧化防御,并通過Nrf2/HO-1通路間接激活一氧化氮(NO)通路,從而緩解心律失常和心肌梗死。另外,一些研究表明,線粒體功能障礙可能導致心血管疾病的發(fā)展,如高血壓心臟病,而Nrf2/HO-1通路具有減輕線粒體損傷的作用,或許可以作為一種治療高血壓心臟病的方法。
3.消化系統(tǒng):對乙酰氨基酚(acetaminophen, APAP)所致的肝損傷對臨床來說是一項重大挑戰(zhàn),Feng等[21]研究發(fā)現(xiàn),富甲烷生理鹽水可降低炎性細胞因子水平,抑制NF-κB的表達,同時通過Nrf2/HO-1/NQO1信號通路及其下游產(chǎn)物的抗炎、抗氧化、抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和抗凋亡特性來預防APAP誘導的肝損傷。此外,Arab等[22]的研究揭示了達帕利嗪通過激活AMPK/mTOR和Nrf2/HO-1通路,抑制HMGB1/RAGE/NF-κB級聯(lián)反應(yīng),增強結(jié)腸自噬,抑制細胞凋亡,從而減輕大鼠實驗性炎癥性腸病。通過上述研究可以看出,Nrf2/HO-1通路在消化系統(tǒng)不同疾病的轉(zhuǎn)歸中均能發(fā)揮作用,且其激活方式不同,提示該通路可能具有廣泛的結(jié)構(gòu)體系及與不同信號通路之間的交叉影響。
4.泌尿系統(tǒng):慢性腎臟疾病(chronic kidney disease, CKD)與心血管疾病交織在一起已成為全球健康問題的主要負擔。Fan等[23]研究發(fā)現(xiàn),Sir6/Nrf2/HO-1通路可以減輕血管緊張素Ⅱ介導的DNA氧化損傷和足細胞損傷,從而在CKD中發(fā)揮保護作用。膜性腎病(membranous nephropathy, MN)是引起腎病綜合征的多種腎小球疾病之一。研究顯示,姜黃素通過調(diào)節(jié)PI3K/Akt/mTOR和Nrf2/HO-1通路誘導自噬,減輕腎臟氧化應(yīng)激,進而顯著減輕MN的發(fā)生、發(fā)展。另外,Wang等[24]通過體內(nèi)外實驗發(fā)現(xiàn)激活Nrf2/HO-1可明顯減輕草酸誘導的氧化損傷和尿草酸鈣結(jié)石形成,這一結(jié)果可能為泌尿系結(jié)石的治療開辟新的方向。
5.神經(jīng)系統(tǒng):阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一種起病隱匿、進行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,主要發(fā)生于老年人群,且隨著年齡的增長,其患病率顯著升高,主要表現(xiàn)為記憶等認知或行為改變。大量研究表明,氧化應(yīng)激是AD發(fā)病的一個重要的早期因素,并參與了淀粉樣蛋白的生成。Kong等[25]研究發(fā)現(xiàn),白藜蘆醇干預可降低腦組織中Nrf2的含量,增加核Nrf2含量和Nrf2核轉(zhuǎn)位率,同時上調(diào)HO-1的表達,提示Nrf2/HO-1通路參與了AD的抗氧化防御機制。Park等[26]研究證實,拓撲異構(gòu)酶Ⅰ抑制劑β-拉帕醌(β-lapachone)通過上調(diào)星形膠質(zhì)細胞中的p-AMPK/Nrf2/HO-1信號通路,對神經(jīng)毒素MPTP誘導的帕金森病小鼠起到神經(jīng)保護作用。通過上述研究可以看出,Nrf2的調(diào)節(jié)作用已經(jīng)在幾種神經(jīng)退行性疾病中顯示出來,而不僅僅是AD。
氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)相互作用、相互影響。Nrf2/HO-1通路在氧化應(yīng)激性疾病中的調(diào)控機制十分復雜,除抗炎和抗氧化作用外,還參與了線粒體穩(wěn)態(tài)的維持以及細胞死亡的調(diào)節(jié)。然而,Nrf2在人類疾病中扮演著復雜而多變的角色,不僅可以預防慢性病和癌癥的發(fā)生,還可以促進癌細胞的存活,使腫瘤細胞對放化療產(chǎn)生耐藥性。Nrf2和HO-1的雙重作用表明,該信號通路的調(diào)節(jié)機制仍未完全闡明。因此,深入探究Nrf2/HO-1通路在氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)中的作用機制,可以為靶向藥物治療的研究提供分子基礎(chǔ),有助于實現(xiàn)Nrf2/HO-1通路在臨床藥物研究中的潛在價值。