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    Nrf2——解毒、抗氧化、抗炎等細胞保護機制的重要調節器, 其活性可被健康促進因子上調

    發表于:2019-02-19   作者:admin   來源:本站   點擊量:3589

     要:轉錄因子Nrf2 (nuclear factor erythroid-2-related factor 2)可激活人類基因組中500多種基因的轉錄,這些基因大多數具有細胞保護功能。 

    Nrf2能通過解毒機制發揮細胞保護作用,這些機制增強了有害異物和有毒金屬的解毒作用和排出。Nrf2能通過24種以上的基因作用來增加高度協調的抗氧化活性,具有重要的抗炎作用,可促進線粒體的生物合成抑或提高線粒體功能,還能增強細胞自噬以清除毒性蛋白的聚集體和功能異常的細胞器。有益健康的營養素及其他因素至少部分是通過增加Nrf2活性起作用的,包括酚類抗氧化劑、γ-和δ-生育酚和三烯生育酚、長鏈Ω-3脂肪酸DHA和EPA、類胡蘿卜素(其中番茄紅素可能活性最強)、十字花科蔬菜中的異硫氰酸酯、蔥蒜類蔬菜中的硫化物、及萜類化合物。其他一些有益健康并能上調Nrf2活性的因素包括低水平的氧化應激[毒物興奮效應(hormesis)]、鍛煉和熱量限制?,F已發現,增加Nrf2活性可預防和/或治療模型動物和/或人類的多種慢性炎癥性疾病,包括各種心血管疾病、腎臟疾病、肺臟疾病、中毒性肝損傷疾病、癌癥(預防)、糖尿病/代謝綜合征/肥胖、敗血癥、自身免疫性疾病、炎性腸病、 HIV/AIDS及癲癇。有限證據表明,增加Nrf2活性還可降低其他16種疾病的風險,這些疾病中的大部分可能是NO/ONOO循環相關性疾病,而Nrf2可以削弱NO/ONOO循環的多種作用。已知最健康的飲食(地中海和沖繩地區的傳統飲食)中均富含能上調Nrf2活性的營養素,如同我們的祖先在舊石器時代的飲食一樣,然而現代飲食卻缺乏這些營養素。對于Nrf2是否具有延長壽命和促進健康的作用仍有爭議,Nrf2過度激活可能帶來的負面作用也在此被討論??傊?,Nrf2不是一個靈丹妙藥,但可能對促進健康非常重要,特別是對于那些日常暴露于有毒化學藥品中的人群。
     
    關鍵詞:親電體和氧化劑; Keap1; ERK; PI3K; GSK-3β; AMPK;蛋白激酶C和G;有害異物和有毒金屬;解毒;慢性炎癥性疾??;氧化和硝化應激
     
     
    1.引言
     
    自Nrf2被發現為抗氧化基因的一種重要轉錄激活劑已經超過了10年,它發揮著重要的抗氧化保護效應。同時,它也被許多但非所有的酚類抗氧化劑所激活,這些化合物的抗氧化活性大部分是通過Nrf2機制來調控的,而非僅僅直接通過鏈破壞型抗氧劑的化學作用來響應。

    然而最新研究表明,Nrf2的細胞保護作用不僅僅限于抗氧化作用。包括對24個以上的對外源毒物具有廣譜解毒作用的基因活化。Nrf2及其調控機制還能降低炎癥反應,提高線粒體功能并刺激細胞自噬(一種用于清除毒性蛋白聚集體和功能異常的細胞器的機制)。降低氧化應激、炎癥反應和提高線粒體功能,Nrf2的這三個作用可以進而降低幾十種慢性炎癥性疾病所涉及的病理生理學,因此可以預期Nrf2在許多常見慢性疾病的預防或治療中是有效的。

    近些年來,除酚類抗氧化劑外的許多健康促進因子都被發現能促進Nrf2的激活。這些新發現大多數被歸納在最近的一個全系列綜述中[1-22],本文旨在對這些新發現進行匯總,包括Nrf2的健康促進和疾病預防作用。
    Nrf2的重要解毒作用意味著上調Nrf2的活性可能對全球數億經常暴露于毒性化學物質中的人群尤為重要,這些化學物質會導致他們患上氧化應激、炎癥和線粒體功能紊亂相關疾病,包括21世紀生活中大多數易患的慢性疾病。
     
    2. 通過上調Nrf2來預防和/或治療疾?。▌游锬P图耙陨纤綄嶒灒?/strong>
     
    許多疾病都能因上調Nrf2而顯現出預防和/或治療效果,這些疾病被列于表1中。相反,降低或阻礙Nrf2功能則表現出對這些疾病的易感性增加。與此相關的研究大多數在動物模型中展開,但人類研究的相關報道也在不斷增加。

    上調Nrf2也許能對預防和/或治療上述列表中的疾病有效,這個結果似乎好得讓人難以置信。然而這些疾病均受到了氧化應激和炎癥的影響,其中許多疾病還與線粒體功能紊亂有關。蛋白質聚合物是其中幾種疾病的誘因之一,而這些聚合物能被Nrf2依賴性自噬所清除。還有幾種疾病是由毒性暴露引起,但這些有毒物質也能被Nrf2依賴性解毒作用清除。關于肥胖的數據則喜憂參半,但是其中大多數數據都表明Nrf2可以降低肥胖。但是,我們中的一位同事(Martin L Pall)卻認為這些疾病大多數由NO/ONOO-循環(與氧化應激、炎癥和線粒體功能紊亂有關的一種錯誤循環機制)及其它因素引起的,關于此點,我們稍后會繼續討論。因此,由于這些疾病中的共同因素,通過Nrf2調控可以對其進行預防和/或治療是相當合理的。

    還有一些其它疾病也被報道能通過上調Nrf2來預防和/或治療,但相較于表1中的疾病而言,對于這些疾病的研究較少。包括血紅蛋白?。òㄧ牋罴毎『?beta;地中海貧血)[35]、瘧疾[36]、脊髓損傷[37]、創傷性腦損傷[38、39]、高原病[40、41]、三種典型精神病、憂郁癥、精神分裂癥和雙相情感障礙[42-45]、胃潰瘍[46,47]、青光眼[48]、年齡相關性黃斑變性[49]、白內障[50,51]、引起皰疹的病理性生理反應[52]和良性前列腺增生[53,54]。這些疾病均與氧化應激和炎癥反應相關。Nrf2還表現出了保護細胞免受電離輻射的作用[55,56]。有報道表明,Nrf2能降低因致敏性化學物質引起的皮膚過敏[57,58]。雖然在蓋棺定論前,我們仍需更多Nrf2活性的相關研究來證實,但這些研究表明,Nrf2能提供保護作用的疾病譜也許比表1中所涵蓋的要更多。
     
      
     
    3.Nrf2介導的基因激活
     
    Nrf2最主要的作用是激活具有抗氧化作用的基因。它通過結合在細胞核中,并與一些在基因啟動子區域的抗氧化響應元件(AREs)蛋白一同作用。這些AREs不僅會結合在抗氧化基因的啟動子區域發揮作用,也與基因的其它功能有關,特別是其它細胞保護功能。有超過500個基因能被Nrf2激活,當然也有基因會因Nrf2而下調,這些基因中其中一些可能受到Nrf2介導的轉錄因子調控,也可能通過具有抑制作用的AREs進行調節??傊?,Nrf2能激活多種基因,也能通過其它轉錄因子來上調或下調各種基因的轉錄,并能通過直接作用于轉錄來抑制某些基因的表達。
     
    4. 依賴于Nrf2的抗氧化作用
     
    在Nrf2激活抗氧化基因的實驗中,最常見的是對血紅素加氧酶1(HO-1)基因的研究,HO-1對鐵、一氧化碳(CO)和膽綠素具有抗氧化作用,可通過由Nrf2介導的活性上調來轉化為由兩種膽綠素還原酶基因編碼的抗氧化劑膽紅素[1,2]。血紅素加氧酶對鐵元素的釋放也許會被鐵蛋白所阻礙,因為Nrf2會誘導4種鐵蛋白基因來預防鐵元素產生的氧化應激[1]。這種多基因的聯動調控所帶來的重要生物作用相關蛋白的生成反復在Nrf2介導的基因調控中被發現。通過這種調節作用,CO也能發揮抗氧化作用。特定酶抑制劑或HO-1基因敲除老鼠的研究表明,血紅素氧化酶對激活Nrf2響應非常重要。對此的一個可能的解釋將在后面被討論。
    能被Nrf2激活的抗氧化基因中,其次被研究最多的是醌氧化還原酶(NQO1)基因,其表達的酶能阻止半醌氧化還原循環和隨之產生的氧化應激[2]。兩種超氧化物歧化酶基因(SOD1和SOD2)均能被Nrf2激活,這兩種SOD都能通過減少超氧化物來減少氧化應激。功能相關的過氧化氫酶和兩種谷胱甘肽過氧化物酶基因均由Nrf2所誘導,且均能降低SOD催化超氧化物產生的過氧化氫。由此可見,Nrf2可介導多種抗氧化基因的協同調控[2]。
    還原型谷胱甘肽(GSH)常常被認為是人體產生的最重要的低分子量抗氧化劑。編碼GSH從頭合成所需的三種酶的基因均能被Nrf2激活,谷胱甘肽還原酶(將氧化型谷胱甘肽(GSHG)轉化為GSH]的酶)基因也是如此 [1,2]。編碼參8種酶的基因對NADPH的合成有影響,谷胱甘肽還原酶所需的還原劑同樣也被Nrf2激活。其他編碼以GSH作為抗氧化劑的酶的基因(包括前面討論過的兩個谷胱甘肽過氧化物酶基因)和谷胱甘肽還原酶1基因均被Nrf2所激活。
    與硫氧還蛋白相關的5個基因的抗氧化作用也均能被Nrf2所激活,包括能降解過氧硝酸鹽(一種極其活潑的硝化應激氧化劑)等過氧化物的硫氧還蛋白過氧化物酶1和6[1]。由這5種基因產生的酶和在之前的章節中提及的谷氧還蛋白,代表了一組重要且能相互作用的抗氧化酶[59],每一種都能被Nrf2協同調控。
    由此可知,抗氧化防護相關的23種基因均可被Nrf2激活。此外,還有其它基因也可被Nrf2激活。包括能清除毒害物質、其它能清除或修復蛋白質氧化產物和其它在DNA修復過程中能清除DNA氧化損傷產物的相關酶編碼基因均同樣能被Nrf2調節。
     
    5. Nrf2介導的解毒基因激活
     
    對于全球數億每天暴露于大劑量有毒物質中的人而言,解毒作用或許是最重要的Nrf2依賴性細胞保護機制。Hayes 和 DinkovaKostova[1]列舉了25種能被Nrf2激活的不同基因,每種基因編碼的酶都能發揮對多種外源毒性物質的解毒作用。這25種基因中的12種對多種含碳外源毒性物質的代謝有影響,但是不包括共軛作用。他們還列舉了5個能被Nrf2激活從而增加谷胱甘肽結合的基因,其中之一增加了硫酸鹽結合,兩個導致葡萄糖醛酸化。這8個基因均能增加毒害物質的結合排出。Nrf2激活的基因還會增加細胞中外源化學物質的轉移,從而增加其隨后從機體排出。
    參考文獻中未被討論的兩個潛在重要解毒基因是編碼金屬硫蛋白的Mt1和Mt2,這兩個基因均能被Nrf2誘導[60]。金屬硫蛋白對螯合、運輸與排出必需金屬和有毒金屬(包括鎘、汞、鉛、砷)都有影響[61]。然而,一個相對短期的鎘毒性試驗的結果表明,Nrf2對抗氧化的影響或許比金屬硫蛋白拮抗鎘毒性更為重要[60]。金屬硫蛋白水平對鉛毒性測定也有影響[62]。Toyama等人[63]的研究表明,當上調還原型谷胱甘肽水平時,Nrf2能刺激汞的排出。值得注意的是,還原型谷胱甘肽是機體中最常見的小分子量硫醇,由于汞、鉛、鎘、砷均能發生巰基反應,Nrf2依賴性升高的還原型谷胱甘肽也許能增加對這些毒性金屬的解毒作用。Nrf2激活營養素之一的姜黃素被發現其對砷、鎘、鉻、銅、鉛和汞的解毒作用要歸因于Nrf2的激活和其對這些有毒金屬的直接螯合作用[64]。雖然本章節只綜述了Nrf2與毒性金屬暴露相關性的一小部分信息。但這些結論表明,Nrf2可能在對毒性金屬暴露的抵抗性中具有非常重要的作用。
    總之,Nrf2具有廣譜的解毒作用,能增加對外源有毒有機物和金屬的抵抗力。
     
    6. Nrf2的抗炎作用
     
    Nrf2的激活能引起包括降低NF-κB和降低一系列炎癥介質(細胞因子、趨化因子、粘附分子、COX-2、MMP-9、iNOS等)活性在內的多種抗炎作用[6,15,16]。Nrf2與NF-κB之間的相互作用非常復雜,兩者都對對方的增加和減少有影響。已明確的事實是,“NF-κB通路可被幾種Nrf2激活劑抑制”,但是這種Nrf2介導的NF-κB減少的特定機制仍有些地方不甚明朗。然而,“與之相反,近期一些證據指出,NF-κB能直接在轉錄水平抑制Nrf2信號。”Nrf2的兩種直接抗炎作用能在轉錄水平上刺激抗炎細胞因子IL-10基因,并被證明可降低TGF-β帶來的調節作用[16]。
    總之,Nrf2能發揮多種抗炎效果,其中許多通過下調NF-κB活性介導,另一些則通過Nrf2依賴性的IL-10上調介導。NF-κB則會反過來降低Nrf2的活性。Nrf2依賴性降低NF-κB活性的相關機制很復雜,仍未完全闡明,但可能是通過Nrf2依賴性降低氧化劑水平起作用的。
     
    7.線粒體生物合成和自噬
     
    表1中列出的大部分疾病均有能量代謝和線粒體功能紊亂的特點。細胞保護作用的機制之一可能是增加線粒體生物合成。Nrf2能部分通過激活相關基因來實現線粒體生物合成的這種增加[20]。能量代謝相關的其它大部分基因也均能被Nrf2激活[1],從而改善線粒體生物合成并提升線粒體功能。Nrf2和AMPK蛋白激酶間存在著大量的交叉作用,這些作用能被AMP激活,并由此監控能量水平。因此,這可能是調控線粒體應答的重要相互作用。
    有研究表明,大量能激活Nrf2的健康促進營養素也能增加自噬作用,從而水解清除受損的細胞器和蛋白聚合體,這種自噬在一定程度上是通過Nrf2依賴性過程發生的[66,67]。自噬作用的激活對于清除受損線粒體和其它受損細胞器十分有效。同時,它對于清除能引發神經退行性病變及其它疾病的蛋白質聚合物也是十分有效的,此外,自噬還具有抗氧化作用。值得注意的是,自噬會被高水平的Nrf2抑制??傊?,Nrf2依賴性自噬作為一種多途徑的細胞保護響應非常有用,其功能之一就是提高線粒體功能。
    Nrf2的健康促進作用中的大部分可以通過其抗氧化、解毒、抗炎、自噬作用及刺激線粒體生物合成來解釋,除此之外還有其它作用機制。例如,在多種慢性炎癥疾病中,大量病理生理組織的重塑涉及纖維變性。有研究表明Nrf2能通過刺激成纖維細胞的去分化從而在肺、肝、腎中發揮抗纖維化作用[68-71]。這種抗纖維化作用中的大部分被認為是通過一種能降低TGF-β信號轉導的Nrf2的抗炎作用引起的。
     
    8. Nrf2活性能被一些健康促進營養素及其它因素上調
     
     
     
    能上調Nrf2(至少部分)的健康促進因子清單如表2所示。
    列于表2的9種因子中的每一種均有大量文獻支持了其健康促進效果。雖然這9種因素均被發現能上調Nrf2活性,但其中幾種因子已被發現能通過Nrf2之外的其它途徑來促進健康。
    例如,4種能獨立于Nrf2發揮作用的營養因子如下:
    酚類,包括生育酚/生育三烯酚,能作為鍵斷裂型抗氧化劑發揮作用;
    類胡蘿卜素可以作為單態氧和過氧硝酸鹽的清除劑;
    魚油具有作為花生四烯酸前體的抗炎特性;
    運動能通過獨立于Nrf2的方式發揮作用。
    酚類物質能通過三種機制來上調Nrf2,但有一些酚類物質卻對上調Nrf2完全無效。其中作用最直接的是鄰羥基或對苯二酚,它們可以氧化成醌類[2 ],然后起到上調Nrf2的作用。酚環結構的作用見于表2所列的第二類化學制品中(不同形式的維生素E)。雖然都是酚類,γ和δ形式的酚環結構卻比α-生育酚在上調Nrf2中具有更高活性[72,73]。常被當作補充劑使用的α-生育酚是維生素E的常見形式,它雖也具有一定上調Nrf2的活性,但因其會增加體內其它形式維生素E的降解(包括γ和δ生育酚和生育三烯酚),α-生育酚反而可能會下調體內的Nrf2活性[81]。
    當用小鼠的Nrf2-/-敲除突變體對這9種因素進行實驗時發現,與其在Nrf2+/+小鼠中的活性作用相比,其對突變體中的健康促進作用大大降低[82-89]。這表明,大部分營養素的健康促進作用需要有Nrf2基因功能才能發揮,至少在小鼠中是如此。對這些營養素的其它細胞培養實驗也同樣支持了Nrf2元件對響應其它因素的重要性。
    另一個健康促進因子——熱量限制,也能部分通過上調Nrf2發揮作用[90-92]。傳統中國、阿育吠陀、歐洲和美洲土著的草本也被發現能通過上調Nrf2發揮作用。其中兩個已在之前被討論[93],但對這些的草藥的充分討論已經超出了本次綜述的范圍。
    這里仍有些其它能上調Nrf2的植物化學成分,其中一些比表2中列出的類別更難描述。例如,一些植物源炔類化合物 [2]、十字花科植物的1,3-二硫-4-硫代羰基五環也如α-硫辛酸一樣能上調Nrf2[2]。有報道表明,膳食纖維在腸道中發酵產生的丁酸鹽也能上調結腸細胞中的Nrf2[94],這可能暗示著膳食纖維與下消化道(GI)中的Nrf2調控有關。
    有三類化學物質能通過其氧化產物來上調Nrf2水平。長鏈Ω3脂肪酸DHA和EPA通過其氧化產物4-羥基己烯醛和其它氧化產物來上調Nrf2[26,27,95]。類胡蘿卜素主要并可能完全通過其醌氧化產物來上調Nrf2[1-6]。Sandberg等人認為慢性炎癥組織也許能通過上調Nrf2來減少疾病易感性。同樣,Kumar等人認為“不幸的是,長期炎癥信號會造成Nrf2活性下降并減少抗氧化劑和機體的抗氧化防護能力”。這三類能上調Nrf2的營養素在治療慢性炎癥疾病上或許有效,因為這些營養物在炎癥、氧化應激組織中具有較高的氧化率,也許能抵消這些組織中降低的Nrf2應答。
     
    9. 兩種最著名的健康飲食——傳統地中海飲食和傳統沖繩飲食均富含Nrf2激活營養素
     
    傳統地中海飲食被認為是理想的克里特島飲食,并可能是1960年代南部希臘和南部意大利的飲食。同一時期的傳統沖繩飲食則因長壽、大量的長壽老人和低癌癥和心血管疾病發生率而被認為是已知最健康的人類飲食[96-103]。雖然近幾十年來,這兩個地方的飲食都變得不那么健康了,但這兩種傳統飲食的相關研究卻依然是闡明影響人類健康的飲食因素中的非常重要的一部分?,F在的問題是,在這些飲食中是否有能上調Nrf2活性的營養物質,且其對這兩種飲食的健康促進特性具有何種重要作用。
    表2中列出的能上調Nrf2的膳食因子除了主要從海魚中獲得的長鏈Ω-3脂肪酸外,其余全是植物源物質。因此,最佳的上調Nrf2飲食或許是含有常規海產品及大量植物源食物攝入的飲食,尤其是包含大量低卡路里密度的植物源食物,如此才能為身體提供更多的植物化學物質。傳統地中海和沖繩飲食均非常符合這個要求[96-103]。此外,被列于表2中的幾種已知能上調Nrf2的營養素類別均富含于這兩類飲食中(表3)。
     
     
     
    從表3可以看出,這兩種健康促進飲食均含有豐富的能上調Nrf2營養組分,包括6種列于表3中的Nrf2激活組分中的五種。傳統地中海飲食以高橄欖和橄欖油含量著稱,橄欖和橄欖油又富含酚類和萜類物質;從橄欖中提取出的酚類和萜類物質均被發現能上調Nrf2。傳統沖繩飲食中的主要熱量來源是包括紫薯在內的甜土豆[96]。所有的甜土豆都含有非常高的類胡蘿卜素,甜紫薯中還含有非常高的Nrf2強力激活劑——花色苷酚類化合物。Murakami等人的研究表明[97],傳統沖繩飲食中的大量特殊蔬菜能夠有效減少白血球中的過氧化物和一氧化氮,而這些蔬菜部分通過上調Nrf2起作用。在一些實驗中,研究人員[97]發現酚類和萜類物質都可以產生這些作用,再次表明了其可能存在的Nrf2效應。雖然并非這兩種飲食中的所有的植物化學物質都能主要或單獨通過Nrf2來發揮健康促進作用,但我們認為Nrf2在這兩種飲食中的健康促進中起主要作用。
    沖繩飲食被認為與舊石器時代飲食非常相似[103],那是在人類進化過程中我們的祖先食用的飲食。這兩種飲食間唯一的不同在于,舊石器時代飲食中大部分的Ω-3脂肪酸來源于富含Ω-3脂肪酸的野生陸生動物和植物[104],而非主要來自于魚類。尤其是,沖繩飲食被認為在富含高水平的酚類、類胡蘿卜素抗氧化劑和Ω-3脂肪酸、萜類物質和基本不消耗糧食上與舊石器時代飲食非常相似[103],這些均與Nrf2調控有關。因此,我們似乎在飲食中進化出了更高水平的Nrf2上調營養素,但現在幾乎所有人都處于Nrf2上調營養素缺乏的飲食水平。這或許是現代人群遭受以氧化應激、炎癥和線粒體功能紊亂為特點的慢性疾病困擾的主要原因。
     
    10. Nrf2是長壽和健康的主調節器嗎?
     
    Lewis等人認為,Nrf2不僅是長壽的主要調節器,更是重要的健康調節器[105]。在題為“Nrf2,健康的守護者與長壽的看門人”的文章中,研究人員指出“越來越多進化上距離遠的物種證據表明,Nrf2-ARE依賴元件不僅與長壽也與健康延伸相關。”這些研究包括一些小鼠及其它物種的遺傳研究,表明上調Nrf2活性會延長壽命和健康,而下調Nrf2則會縮短壽命與健康。小鼠實驗帶來的結果尤為重要,因為對轉基因小鼠的基因修飾能輕易確定上調和下調Nrf2帶來的影響。對壽命和健康有影響的一個改變是已發現能被Nrf2減緩的細胞復制性衰老[106]。相反,敲除Nrf2基因則會導致細胞早衰[107]。我們無需為Nrf2對細胞衰老率的影響而驚訝,因為氧化應激就具備導致細胞衰老的作用[108]。
    Nrf2、長壽和健康相關性的一般觀點自然是由許多疾病大力支持,包括至少在動物研究中通過提高Nrf2降低衰老的疾?。ū?)。各種能上調Nrf2而發揮作用(至少部分通過上調Nrf2)的健康促進營養素和其它因子(表2),及已知的兩種最健康飲食(傳統地中海飲食和傳統沖繩飲食)中發現的高水平Nrf2上調營養素(表3)均為此提供了有力的證據.
     
    11.Nrf2如何通過表2中的健康促進因子調節?
     
    參考文獻[1-22]中已經綜述了Nrf2調節機制,并提供了關于各種因素如何上調Nrf2的一些信息。那些文獻中對于Nrf2調節機制的討論比這里要詳細得多。因此,我們建議讀者去閱讀這些文獻以獲取比本文更詳細的信息。
    Nrf2蛋白在未激活的情況下主要包含在另一種被稱為KEAP1蛋白的非活性復合物中。Keap1具有5個活性半胱氨酸殘基,每個殘基都能通過半胱氨酸硫醇誘導化學物質反應,從而使得Nrf2從Keap1中釋放。釋放后,Nrf2可以移動到細胞核中與名為Maf的其它蛋白形成復合體,結合在DNA的ARE序列上,從而激活相鄰基因的轉錄。能與這些半胱氨酸硫醇結合的均是親電子和/或具氧化能力的物質,這些物質與硫醇的結合被認為是Nrf2調控中最為重要的機制。五種不同的半胱氨酸硫醇與化合物發生的反應各不相同。
    然而,參與調節的其它機制卻讓Nrf2調控系統變得十分復雜。在Nrf2調控中,好幾個蛋白激酶也發揮了作用,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,當Nrf2結合于Keap1上時,Nrf2趨向于靶向蛋白酶降解,以使其保持較低水平。當從Keap1釋放后,Nrf2穩定性會約增加7倍,使其水平大幅度提升。此外,Nrf2能激活自身基因及MafG基因的轉錄,從而進一步激活Nrf2依賴性轉錄。與自噬相關的P62蛋白也可被Nrf2激活,形成正反饋回路又反過來增加Nrf2活性[66]。前三個作用機制會增加Nrf2活性,但也有兩種機制會降低Nrf2活性。Nrf2同時也會激活Keap1基因轉錄從而降低Nrf2水平。此外,Nrf2還會激活編碼INrf2的基因的轉錄,這是一種會降低Nrf2活性的蛋白[109]。
    Nrf2能被miRNAs調節,包括200a大小的miRNAs,從而降低Nrf2的mRNA或Nrf2相關蛋白的mRNA的轉錄[110,111]。因為200a的miRNA能被組蛋白乙?;饔谜{節,這種乙?;赡軙砹硪凰降恼{控;這或許能部分解釋組蛋白去乙?;种苿┒∷猁}在上調Nrf2中的作用(前面討論過)[94]。另外,p300/CBP蛋白是能使組蛋白和Nrf2乙?;囊阴^D移酶,Nrf2的乙?;瘯せ钇湓贏RE介導的基因轉錄中的活性[112]。因此,組蛋白去乙?;种苿┒∷猁}也許能通過增加Nrf2乙?;瘉砩险{Nrf2轉錄活性。
    另一調控機制是能刺激芳香烴受體(AhR)的物質會上調Nrf2轉錄,從而致使Nrf2活性上調,這一主題最近才引起了廣泛關注[113]。
    蛋白激酶G最近被發現對Nrf2激活有重要作用[114-117]。這種作用或許能解答一個關于Nrf2的長期難題,即為什么HO-1(血紅素氧合酶1)誘導會對Nrf2作用產生如此大的影響?在大量Nrf2作用研究中,一種特殊的血紅素加氧酶抑制劑被發現能有效降低Nrf2激活的生物作用。為什么HO-1對Nrf2作用效果如此重要?HO-1酶的活性產物之一為CO,它與NO一樣能有效降低cGMP(環磷酸鳥苷)生成,從而使蛋白激酶G激活Nrf2[117,118]。由此可知, Nrf2誘導HO-1或許是一種重要的正反饋回路,在Nrf2活性增加的任何初始步驟中,Nrf2活性和隨后帶來的Nrf2依賴性應答的增加,要比HO-1活性未增加的情況下要快得多。我們認為,Nrf2的直接重要影響可能是通過增加cGMP/蛋白激酶G產生的,這種效應與這種正反饋回路不同。
    表2中的成分是如何激活Nrf2活性的?異硫氰酸酯、H2O2和其它氧化劑、酚類抗氧化劑、長鏈Ω-3脂肪酸和類胡蘿卜素均能與Keap1的活性硫醇發生反應,另外3個硫醇則與其氧化產物反應。蔥屬植物的硫化物、異硫氰酸酯和類胡蘿卜素均能通過ERK激活發揮作用[119,120],后兩者通過兩種不同機制來上調Nrf2。一些黃酮類和其它酚類物質(包括一些一些在KEAP1反應中不起作用的AhR激動劑[121]),部分通過蛋白激酶信號傳導作用,部分通過其醌氧化產物直接作用于Keap1硫醇[2]。萜類被認為通過三種直接機制發揮作用,即直接作用于Keap1/Nrf2蛋白復合體,通過蛋白激酶調控,以及通過miRNA調控[2,19]。
    由此可知,植物化學物質及其它組分上調Nrf2活性的機制在于:直接或通過其氧化產物與Keap1的不同半胱氨酸殘基作用、調控多種不同蛋白激酶、激活AhR受體、通過組蛋白乙?;?、影響miRNA合成的其它機制等。由此可知,能經由不同方式上調Nrf2的植物化學物質和其它組分或許能協同發揮作用。例如,Saw等人[123]的相關研究表明,類胡蘿卜素、蝦青素和魚油脂肪酸DHA和EPA能協同上調Nrf2。普天登(Protandim)成分也被發現在細胞培養中能協同上調Nrf2,這或許是通過多種方式上調Nrf2的信號通路的結果[93]。
    正因這種協同作用,富含植物化學物質的飲食(如傳統地中海飲食和傳統沖繩飲食)也許能比單一上調Nrf2的營養素在Nrf2激活中更好地發揮作用。
     
    12.長期高水平的Nrf2會有毒性作用嗎?
     
    動物實驗[105]表明,上調Nrf2會延長壽命和健康。此外,富含上調Nrf2營養素的人類飲食(包括傳統地中海飲食和傳統沖繩飲食)也會帶來更長的壽命和更低的疾病發生。然而,有些情況表明,長期Nrf2激活會對機體造成病理生理學影響。充分證據表明,TCDD(二噁英)導致的高水平的Nrf2長期上調會致使氯痤瘡[124,125]。雖然TCDD還有其他獨立于Nrf2的毒性作用,但這些皮膚性質的痤瘡樣變化顯然是因長期過多的Nrf2水平引起的,因此,氯痤瘡可以作為過量的Nrf2刺激的標志物。亞砷酸鹽和其它砷化合物也能通過引發Nrf2過度活躍而導致相似的皮膚反應[125],但是砷化物也有其它獨立于Nrf2的毒性作用。TCDD和砷化物均是通過AhR激活來提高Nrf2活性來發揮作用的。這些皮膚反應部分是因為Nrf2增加了角質細胞的敏感性。
    這種角質細胞的作用可能是最顯著的Nrf2過量的影響。研究表明,Keap1基因敲除的轉基因鼠在妊娠期其食管和前胃中出現發育性角化過度的現象,這會導致其在出生后因營養不良而死亡[126]。研究表明這是由于Nrf2過度活化引起的[126]。
    因某些情況而使小鼠置于長期高水平的Nrf2數月之久,結果導致了其心臟功能紊亂[127,128]。但是關于這種功能紊亂有多少是因為Nrf2引起的仍屬未知,這也許是另一例長期高水平Nrf2上調導致病理生理學影響的例子。
    人們普遍認為,穩定的高水平Nrf2活性比可變的激活更容易造成損傷[2,129]。如前所示[129],“然而,該途徑的藥理誘導允許脈沖誘導而不是永久誘導KEAP1-NFR2信號轉導軸,這或許可以減少恒定通路激活的任何不良影響。”同樣的道理對在某天的某一時刻攝入Nrf2激活營養素也同樣適用。
    這種看似矛盾的Nrf2的影響也可能發生在沒有Nrf2的情況下,即在Nrf2敲除突變細胞中。例如,研究表明,這種基因敲除細胞在炎癥激活方面存在缺陷,顯示Nrf2活性也許對于某些炎癥反應是必需的[130]。
    總之,在地中?;驔_繩飲食中的Nrf2上調營養素水平也許能帶來顯著的健康促進作用。然而,長期極高水平的Nrf2上調卻能導致病理生理學影響,就如同將調控作用推向了極端。因此,我們需要注意不能讓Nrf2長期維持高水平。由于人群的基因異質性,一些人也許會更容易遭受這種病理生理學影響。減小這些病理生理學影響的方式之一在于在一天的不同時間內改變機體中的Nrf2上調營養素水平。由Nrf2上調物質引起的長期高水平的Nrf2上調為人類帶來的痤瘡樣的皮膚影響,也許能作為Nrf2是否激活過度的視覺標記。
     
    13. 總結
     
    Gao等人提出了“Nrf2激活或抑制氧化或親電子應激,并旨在恢復氧化還原穩態,這為理解其預防甚至治愈復雜疾病開辟了新途徑新方式。”表1中列出的疾病均為能通過上調Nrf2來預防和/或治療的疾病,至少在動物模型中呈現出了這樣的效果。對Nrf2的調控和所引發的調控響應被總結在圖1中。
     
     
     
    7類健康促進營養素的作用(圖1的左側框內)均通過上調Nrf2起作用,其它三類健康促進因子也是如此。兩種最健康的飲食方式(傳統地中海飲食和傳統沖繩飲食)均被認為富含Nrf2上調營養素,而現代飲食中則缺乏這些營養素(圖1,左)。這些發現強烈支持了這些飲食能通過Nrf2發揮有效健康促進作用,但現在大多數人都缺乏Nrf2上調營養素。Nrf2能通過調控約500種基因的轉錄來提高機體的抗氧化能力、線粒體生物合成、能量代謝、含碳外源物質和有毒金屬的解毒作用、有害蛋白聚合物和功能紊亂細胞器的自噬,并有效降低許多炎癥反應(圖1,右下)。因此,許多以氧化應激、炎癥和經常性線粒體功能為特征的慢性疾病可以通過上調Nrf2來被治療和/或被預防,至少在動物模型中是如此(圖1,右)。由于許多衰老相關疾病都是以氧化應激、炎癥和線粒體功能紊亂為特點,所以Nrf2被認為能延長壽命和健康也就不足為奇了(圖1,右上)。
    這里還有其它16種能通過上調Nrf2來預防和/或治療的疾病被報道,每種Nrf2相關性疾病都有一至兩項實驗支持。人們往往忽視這些,除了這些疾病都是氧化應激和炎癥的疾病并可能因此受到Nrf2的影響外,最近快速增多的研究還表明(表4),我們可能只發現了Nrf2影響疾病的冰山一角。
     
     
     
    雖然現在下結論無疑還為時過早,但我們很難否認,關于Nrf2對健康影響我們可能還僅僅是摸到了一點邊,對該機制的闡明很可能成為醫學史上最不尋常的治療和最非凡的預防性突破。

    我們可以預見到,在未來,上調Nrf2可能是促進健康最重要的方式。當然,這并不是說上調Nrf2是一種靈丹妙藥。Nrf2上調得越多并不意味著更好,而且其它健康促進營養素和其它藥物也可能通過其它方式與Nrf2協同作用。藥物通過獨立與Nrf2的方式來降低NF-κB也是有效的。在RAGE介導的炎癥反應中降低晚期糖基化終產物生成的藥物或飲食也是如此。B族維生素和維生素C、鎂和其它微量元素等營養素也能通過其它方式來發揮其健康促進作用,比如高劑量B12的羥鈷胺素形式可以通過減少其兩種前體物質來降低過氧硝酸鹽。其它能獨立于Nrf2來提高線粒體功能的藥物也是如此。
    許多被認為能通過上調Nrf2活性來治療和/或預防的疾病均被認為能由NO/ONOO-循環引起。這些可被Nrf2調控的典型NO/ONOO-循環疾病包括心血管疾病及神經病變、哮喘、多發性硬化、癲癇、脊髓損傷和青光眼[131-135]。心力衰竭是現在被研究最多的NO/ONOO-循環疾病[136]。該循環的局部影響引起的第二十三種最新疾病是青光眼[135]。因為循環涉及包括過氧硝酸鹽、炎癥和線粒體功能紊亂在內的氧化應激,因此典型的NO/ONOO-循環疾病或許能通過上調Nrf2來預防和/或治療。NO/ONOO-循環主要發生在不同個體的不同組織的局部,因發生部位的不同從而引發不同的疾病[131-135]。這里有個問題需要指出,Nrf2調控機制可能是預防NO/ONOO-循環疾病的天然方法,但這一觀點對循環的其他方面是否也成立仍屬未知。已知曉的是,上調Nrf2活性也許能降低部分由NO/ONOO-循環帶來的氧化/氮化應激、炎癥和線粒體功能紊亂,循環中的大部分元素均參與這三種反應[131-135],但仍有其它循環元素未涉及。Nrf2是否能降低循環中其它元素帶來的病理生理學影響?雖然數據有限,但我們仍有一些數據支持了這一猜想。NMDA活性過表達的病理生理學影響[136-138]和細胞內鈣水平過量[138-139]均能被Nrf2所降低。四氫生物蝶呤的氧化和消耗是循環的另一部分,其水平被發現在Nrf2基因敲除小鼠中升高了[140],暗示(但未證明)上調Nrf2會降低循環中的這個部分。關于此我們雖仍需要更多研究來證實,但現有數據已經支持了這一觀點,即Nrf2可能是預防NO/ONOO-循環疾病的自然方式。由此可知,Nrf2上調營養素的飲食缺陷或許是現代社會疾病高發與流行的核心因素。

    Nrf2對多種疾病明顯且廣泛的影響對醫學產生了挑戰。從歷史上看,醫學主要聚焦于區分不同疾病,這是了解它們之間差異的一種方式。然而,這些不同的慢性炎癥疾病很可能擁有相似的潛在機制而僅僅是發生部位不同,但是這些發生位置的不同卻造成了其病理學上的所有差異。這并不一定意味著所有這些疾病都是NO/ONOO-循環疾病,但這很可能是最顯而易見的解釋。

    盡管有大量證據證實了多種慢性疾病中存在氧化/氮化化學反應引起的蛋白質改變,并證實了其對這些疾病的重要性,但一些醫生和一些科學家們仍反對氧化應激對人體疾病的重要性。在Watson最近的論文中[141],他雖然知道Nrf2的存在,但他顯然忽視了Nrf2會被氧化劑激活、其在復合體中的作用和它能很好地調控酶的抗氧化作用。在多種疾病的病理學中,這些反應的復雜性和協調性不可能在不基于氧化/硝化應激的病理學作用的強大遺傳選擇上發生演變。Nrf2調控的抗氧化機制表明,抗氧化機制是后生動物進化的機制中最為重要的。雖然忽略其他Nrf2細胞保護機制是一個重大錯誤,但忽略大量Nrf2研究證實的酶促抗氧化機制的重要性也是一個重大錯誤。

    本文強調了Nrf2對世界上數億日常暴露于有毒化學物質的人群的特殊重要性。Nrf2在引發復雜且有效調控的解毒機制中的作用使我們聚焦于將上調Nrf2作為一種能有效降低這些暴露對人體產生的毒性作用的病理生理學的方式,同時降低機體中有機、含碳異源毒素和有毒金屬的水平。
     
    本文來源heng Li Xue Bao. 2015 Feb 25;67(1):1-18


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