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    Nrf2——健康的守護者、長壽的看門人

    發表于:2019-02-27   作者:admin   來源:本站   點擊量:3982

    概要:雖然衰老是一個在所有生物體中普遍存在的過程,但是調控功能下降速度和發病年齡的機制仍未闡明。通常在天然長壽物種和延長壽命的實驗模型(例如,基因改變和/或實驗操作的生物體)中觀察到顯著的結構性上調的細胞保護反應,如通過增強抗應激能力和上調對細胞具有保護作用的Nrf2信號通路下游組分。轉錄因子Nrf2在所有組織中均有表達,盡管不同器官之間的水平可能不同,關鍵的解毒器官(腎臟和肝臟)表現出最高水平。

    Nrf2可以進一步由細胞應激物激活,包括內源性活性氧物質或外源親電子物質。Nrf2信號通路通過激活200多種基因的轉錄來介導多種細胞保護功能,這些基因在藥物和毒素的代謝中起關鍵作用,對氧化應激和炎癥具有保護作用,并且在蛋白質的穩定性中起著不可或缺的作用。通過蛋白酶體降解或自噬去除受損蛋白質。Nrf2與其他重要的細胞調節因子相互作用,如腫瘤抑制蛋白53(p53)和核因子-κB(NF-κB),通過它們的聯合相互作用成為健康的守護者,可以預防許多與年齡相關的疾病,包括癌癥和神經變性病。我們假設這種信號傳導途徑在決定物種壽命方面起著關鍵作用,并且該途徑可能確實是衰老過程的主要調節因子。

    前言

    了解自然界對不同壽命物種的進化過程的調控機制是衰老生物學比較研究的基本焦點。長壽物種的定義是根據其體型大小至少比預期壽命長兩倍的物種[即,壽商(LQ)觀察到的壽命除以預計的體尺寸=2,圖1]。根據這個定義,延長壽命的同時降低衰老速率,在許多哺乳動物類群中具有長壽物種(例如,蝙蝠,裸鼴鼠和人類)的哺乳動物中都反復進化著。在嚙齒動物中,裸鼴鼠,一種小鼠大小的hystricognath脫穎而出,特別長壽(Buffenstein 2005),最長壽命為30年,與人類的壽命指數相近(Buffenstein 2008)。然而,根據體型,不同種類的其他幾種嚙齒動物的壽命至少是預期的兩倍。通過比較相似大小的物種,我們能夠闡明自然參與衰老過程的共同機制和新機制。這種方法還可以確定抑制衰老的常見機制,以及特定物種或門所特有的特征。很少有關于衰老的研究采用比較的方法來研究不同衰老速度所涉及的難以捉摸的機制。不過,通過使用非傳統的動物模型,這一方法將通過識別長壽物種中發生變化的途徑來取得關鍵進展,從而更好地理解衰老機制,這確實可能會突出顯示衰老研究的新方向,并且這可能與人類衰老有關。

    衰老是一個固有的公然的過程,在所有哺乳動物中都很容易區分。個人健康和健康質量的下降,加上克服疾病或身體壓力的困難增加,導致老年人永久性喪失功能和死亡率增加。這些衰老特征通常被認為是由于基因組、蛋白質組和代謝完整性的逐漸喪失。然而,盡管進行了大量的研究工作,導致和表征衰老過程的機制仍不清楚。通常認為,老化是一個多因素過程,與多種分子和細胞損傷有關(Rattan 2006; Hayflick 2007; Kirkwood 2008)。然而,目前有關老化的理論主要集中在一個單一的導致衰老的因素上。例如,最被廣泛接受的老化理論是由氧化應激引起的。這個理論最早由Denham Harman在1956年提出,它假設活性氧(ROS)是有氧呼吸不可避免的副產物,會對所有細胞成分進行不加區分的氧化修飾,導致無法被抗氧化劑中和/或修復的損害(Harman 1956)。 隨著年齡的增長,細胞完整性和功能會逐漸下降,損害也會隨之增加。此外,在受損或老化的線粒體中,ROS水平可能增加,導致更高水平的ROS產生,并增加隨后的損傷水平。盡管這種理論存在直覺思維,并且得到了廣泛支持(Barja et al. 1994;貝克曼和艾姆斯1998;Sohal et al . 2002;Droge and Schipper 2007),但氧化應激和衰老速度之間的因果關系還沒有明確的確定,最近大量的數據與這一理論的預測不一致,導致許多人質疑其有效性(Sanz et al. 2006; Muller et al. 2007; Buffenstein et al. 2008; Pe´rez et al. 2009; Lapointe and Hekimi 2010)。許多長壽的嚙齒動物、爬行動物、蝙蝠和鳥類(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),即使是在年輕個體中,也都存在高水平的氧化損傷,這些數據與他們的壽命并不相稱。 此外,轉基因操縱抗氧化劑水平的數據(Huang et al.2000; Van Remmen et al.2003; Pe'rez et al.2009)也與衰老的氧化應激理論的基本前提相悖,因為這些動物的壽命不受抗氧化劑表達水平和/或累積氧化損傷的影響。雖然這個令人敬畏的衰老理論確實涉及到某些與年齡相關的疾病狀態,但現在卻受到了許多人的公開挑戰,其中包括一些著名科學家,他們的大部分研究生涯都集中在這一衰老機制上(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)。顯然,老化的氧化應激理論已經過于簡化,需要進行一些修改。

    在許多自然長壽物種和轉基因模型之間存在一個共同的特點,即延長的壽命,并為老化的氧化應激理論提供一些支持;也就是說,來自長壽動物的皮膚成纖維細胞顯示出更高水平的細胞凋亡,對氧化和化學損傷更有抵抗力(Ogburn et al. 1998; Kapahi et al. 1999; Salmon et al. 2005; Harper et al. 2006; Mele et al. 2006; Salmon et al. 2008)。物種壽命和細胞對氧化損傷的抵抗能力之間的密切關系在動物王國中各種各樣的生物體中都有報道(Kapahi et al. 1999; Salmon et al. 2005; Labinskyy et al. 2006; Harper et al. 2007)。然而,細胞的抗應激能力擴展到許多其他的非氧化應激源。這些包括熱量、不涉及氧化還原反應的重金屬、化療藥物、飲食改變和外來生物。短壽命和長壽命物種之間的這種顯著性差異很可能代表了將能量和資源轉移到體細胞維持(從而促進個體生存)與增長和繁殖投資之間的進化權衡,從而確??焖龠_到性成熟和物種的長期生存 (Kirkwood et al. 2000)。
    另一種解釋可能是,對抗氧化損傷的細胞保護只是多因子細胞保護途徑的一個組成部分,通過激活多種防御措施,包括分子伴侶的合成、細胞周期監測的組成部分、以及防止過多的細胞應激物、蛋白質降解以及抗氧化劑,以維持在長壽命物種中觀察到的細胞、蛋白質和基因組完整性(Pe´rez et al. 2009; Salmon et al. 2009b)。其中一種途徑是通過轉錄因子核因子2相關因子2 (Nrf2) (Motohashi and Yamamoto 2004)介導的。Nrf2(圖2)是200多個細胞保護基因序列的主要調節器,這些基因編碼的蛋白質能夠中和及解毒內源性和環境毒素,調節細胞周期和細胞生長因子,并促進高質量蛋白質組的維持(Lee et al. 2003; Liu et al. 2007)。鑒于Nrf2調控著廣泛的細胞保護機制,該信號傳導途徑可能實質上有助于與衰老過程相關的多因素表型。此外,這可以解釋為什么一些數據報道支持衰老的氧化應激理論,而其他數據與這一理論不相容; 例如,在抗氧化活性和壽命之間的全面的正相關、負相關以及根本沒有相關性(Perez-Campo et al. 1993; Sohal et al. 1993; Andziak et al. 2005; Pamplona and Barja 2007; Wilhelm Filho et al. 2007)。那些似乎與這一理論不可調和的數據,例如長壽鳥類(Hamilton et al.2001)、吸血蝙蝠(Ferreira-Cravo et al. 2007)、和裸鼴鼠(Andziak and Buffenstein 2006)中報告的高水平氧化損傷可以通過細胞保護性Nrf2信號通路的其他代償組分的組成型上調來解釋(例如分子伴侶,細胞周期監視機制的上調和蛋白質質量控制的組分)。

    Nrf2信號通路

    Nrf2是轉錄因子Cap'n'Collar(CNC)亞家族的成員,其C-末端含有堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)DNA結合域(Hayes and McMahon 2001; Aleksunes and Manautou 2007; Kensler et al. 2007; Cavin et al.2008)。除Nrf2外,CNC家族還包括密切相關的因子Nrf1,Nrf3和p45 NF-E2(Motohashi et al. 2002; Blank 2008)。Nrf1和Nrf2在所有組織中都普遍表達,并與抗氧化/親電反應元件(ARE/EpRE) (Bishop and Guarente 2007)有相似的結合。雖然Nrf1和Nrf2調控一些共同的基因,但Nrf1與Nrf2的不同之處在于Nrf1靶向于內質網(Zhang et al. 2006)。然而,敲除研究表明,Nrf1和Nrf2在ARE依賴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的功能尚未真正闡明,但其表達局限于胎盤和肝臟,并且它具有相對較弱的反式激活活性(Sankaranarayanan and Jaiswal 2004; Zhang et al. 2009)。有證據表明,雖然Nrf1和Nrf2都具有組成型活性,但Nrf2主要由促氧化劑和親電試劑激活。

    在穩態、無應激條件下,Nrf2通過“鉸鏈-鎖存”機制(又稱“雙位點栓系”機制)與Kelch樣ECH相關蛋白1 (Keap1)結合而受到限制,并通過與Keap1和Cullin 3 -E3 /Rbx1連接酶復合物的相互作用,被蛋白酶體定向進行聚偏二?;㈦S后降解(Tong et al. 2006; McMahon et al. 2006)(圖2)。在這些基礎條件下,Nrf2的半衰期仍然很短(15分鐘)。當機體或細胞本身受到應激性損傷時,Keap1中間區域的半胱氨酸殘基(C151、C273和C288)被氧化劑或親電試劑氧化或化學修飾,阻止Nrf2泛素化,從而將其半衰期延長到60分鐘。然后Nrf2迅速進入細胞核并與其他轉錄因子形成異二聚體,例如與ARE / EpRE結合的小肌肉腱膜纖維肉瘤蛋白(Mafs),啟動多種細胞保護分子和酶的轉錄(Thimmulappa et al. 2002; Kwak et al. 2003),從而調控細胞解毒以及維持蛋白質穩定性和完整性所涉及的過程(圖2)。

    Nrf2介導的細胞保護

    Nrf2通過解毒和清除活性氧、異種生物和親電致癌物,以及清除受損的蛋白質和細胞器,在細胞保護中起著核心作用(McMahon et al. 2001; Kwak et al. 2003; Cho et al. 2005)。重要的是,Nrf2調控谷胱甘肽(GSH) 的合成, 參與谷胱甘肽酶體內平衡,即催化谷氨酸-半胱氨酸連接酶 (GCLC)和谷氨酸-半胱氨酸修飾物(GCLM)亞基結合形成了GCL異質二聚體(催化GSH生物合成中的限速酶)和谷胱甘肽還原酶1(GR),其還原氧化的谷胱甘肽二硫化物(GSSG),從而回收GSH。Nrf2還介導其他幾種抗氧化蛋白的誘導[如,硫氧還蛋白、過氧還蛋白、鐵蛋白、金屬硫蛋白、血紅素加氧酶1 (HO-1)],介導I相和II相藥物代謝酶的誘導[如,醛酮還原酶(AKRs)、谷胱甘肽S-轉移酶(GSTs)和NAD(P)H:醌氧化還原酶1 (NQO1)]。
    或許Nrf2在毒素反應中最重要的作用是通過直接調節GCL和NQO1來調節GSH生物合成和解毒。GSH的產生增強了細胞清除ROS的能力,并且在與異生物質結合后,降低了它們的疏水性并通過MRP外排泵增加了它們的清除(Hayes et al. 2005; Meijerman et al. 2008)。NQO1通過醌氧化還原循環抑制自由基的形成,并且還穩定p53,這可以在基因毒性應激狀態下更好地調節細胞周期(Nioi and Hayes 2004)。

    GST是有機過氧化物和α,β-不飽和醛的解毒必需酶,也是GSH調控的重要組成部分,其中Nrf2起直接作用。GSH被認為是豐富的(以mM濃度存在于組織中)和重要的細胞內非蛋白巰基化合物(Meister and Anderson 1983; Franco et al. 2007; Wu et al. 2009),因為GSH參與ROS、親電子試劑和異生質的還原和解毒(Hayes et al.2005)。GSH還參與抑制NO的有害作用,抑制過氧亞硝酸鹽的形成和NO誘導的神經細胞凋亡,是一種重要的神經保護劑(Vargas et al. 2006)。GSH還是半胱氨酸大且重要的儲庫、代謝中的輔因子(例如,甲醛脫氫酶)、激素生物合成并且參與GST介導的解毒結合底物(Jones 2008)。

    Nrf2在許多細胞保護作用中的重要性已經通過Nrf2敲除(Nrf2 - / -)小鼠或應激條件下的成纖維細胞得到了明確的證明(Enomoto et al. 2001; Chanas et al. 2002; Gong and Cederbaum 2006)。在正常的實驗室條件下,Nrf2 - / - 小鼠與野生型(Nrf2+/+)小鼠相比僅有很少表型差異(Yanagawa et al. 2004)。并且,這些基因敲除動物比野生型動物更容易受到高氧、脂多糖(LPS)、香煙煙霧、柴油廢氣、紫外線照射(UVA和UVB)等促氧化刺激,以及許多化學品的影響,例如丁基化羥基甲苯和苯并[a]芘(Cho et al. 2002; Rangasamy et al. 2004; Hirota et al. 2005; Thimmulappa et al. 2006a; Reddy et al. 2007)。Nrf2的細胞保護作用在迄今為止研究的所有組織中都很明顯,有報道稱,Nrf2-/-小鼠對許多癌癥(Ramos-Gomez et al. 2001; Iida et al. 2004; Xu et al. 2006; Kensler et al. 2007; Osburn and Kensler 2008)、神經退行性病(Shih et al. 2005; Burton et al. 2006)、肺病(Cho et al. 2004; Rangasamy et al. 2005)的易感性增加,肝臟和胃腸功能較易受損(Enomoto et al. 2001; Khor et al. 2008)、較易發生炎癥反應(Rangasamy et al. 2005; Thimmulappa et al. 2006b; Osburn et al. 2007)。事實上,即使是飲食限制的腫瘤保護作用也依賴于Nrf2的存在,并且在Nrf2-/-小鼠能量限制的保護作用被減弱(Pearson et al. 2008)。因為大量的細胞保護分子對任何生物體都是有益的,我們相信這些因素將被用于壽命較長的物種中,更好地保護他們免受細胞毒性,有助于長壽。

    Nrf2信號通路的多種作用

    Nrf2信號通路正在成為一個預防腫瘤、神經變性和炎癥反應的重要因子(Hayes and McMahon 2001; Droge and Schipper 2007; Nair et al. 2007)。由于Nrf2在多種年齡相關疾病中的重要作用,我們認為Nrf2在長壽和健康中起著關鍵作用(圖3)。

    解毒作用

    許多不同類型的應激不斷挑戰所有生物體細胞。這包括內源性應激源(如ROS、過氧化氫、羰基和醌)和環境應激源(如熱、紫外線照射、空氣污染物、食物毒素、重金屬、藥物和細菌或病毒感染)。雖然像活性氧這樣的物質可以預見地作為代謝副產品持續產生,但其他應激源可能更加反復無常,這是由于食物、污染物、甚至感染中的毒素造成的。這些不同類型的應激,雖然起源不同,但都可以導致細胞蛋白質和DNA的改變,可能導致細胞和組織功能下降,在極端情況下,甚至導致生物體死亡。Copple等主要研究Nrf2在毒素代謝方面的作用,包括乙酰氨基酚、丁基羥基甲苯、博萊霉素和7,12-二甲基苯(a)蒽等(Copple et al. 2008)。Nrf2是這些毒素的主要應答者,并上調了幾種化合物和酶(NQO1、GSH、GST)的表達,促進了毒素的有效中和、結合以及消除。

    蛋白質穩定及更新

    蛋白質穩定性發生變化和降解被認為是導致蛋白質年齡相關具有聚集傾向的構象變化。這種相關性已經在一些神經退行性疾病中觀察到(Grune et al. 2004; Gregersen et al. 2006) ,包括阿爾茨海默氏癥。維持蛋白酶體活性是細胞生存所必需的,而由于錯誤折疊或受損蛋白的聚集引發的蛋白酶體功能喪失可能會而進一步加劇細胞應激。當不能有效地去除和降解時,受損的蛋白質會形成有毒的聚集物(Glickman and Ciechanover 2002)。不足為奇的是,不能維持蛋白質的穩定性和更新被假設為老化的一個原因(Grune 2000; Herczenik and Gebbink 2008; Pe´rez et al. 2009)。

    蛋白質的穩態部分是通過泛素介導的26S蛋白酶體靶向作用于錯誤折疊蛋白降解和自噬來維持的。然而,在氧化應激過程中,兩者在氧化蛋白的降解過程中都起著很小的作用(Shringarpure et al. 2001)。相反,19S亞基與26S蛋白酶體分離,氧化修飾蛋白直接作用于蛋白酶體的20S催化圓柱核心(Grune and Davies 1997)。

    微陣列研究表明,Nrf2還影響自噬的關鍵組成部分——分子伴侶、26S和20S蛋白酶體亞基以及sequestosome 1 (p62)的表達(Kwak et al. 2003; Korashy and El-Kadi 2006; Hayes and McMahon 2009)。因此,Nrf2能夠調控蛋白質折疊、錯誤折疊、泛素化蛋白質以及受損細胞器清除(Lane 1992; Nioi and Hayes 2004; Gamet-Payrastre 2006)。Kapeta等人(2010)證實了Nrf2和蛋白酶體功能在調節人類細胞增殖老化中的作用。在人成纖維細胞中誘導Nrf2可維持蛋白酶體功能,通過降低活性氧和氧化蛋白的水平,可將復制壽命延長65%。這一結果支持了我們之前提出的觀點,Nrf2在調節壽命方面具有保護作用(圖3)。

    長壽物種和突變小鼠模型似乎具有共同的特性,這些特性有助于增強蛋白質的穩定性,而這種穩定性可能在一定程度上受到上調的Nrf2調控。一些研究人員已經證明,與壽命較短的蝙蝠和老鼠相比,壽命較長的蝙蝠和裸鼴鼠擁有較高水平的抗錯誤折疊、低泛素化蛋白、20s蛋白酶體特異性活性中等 (Pe´rez et al. 2009; Salmon et al. 2009a);所有這些特性都提示這與蛋白質穩定性增強和蛋白質質量維持有關。如果長壽物種的Nrf2水平升高,在氧化應激期間會變得活躍,并且作用于靶基因以消除該應激并用20S蛋白酶體降解錯誤折疊的蛋白質,那么這些觀察結果就可以被解釋。

    細胞完整性

    Nrf2還與p53相互作用,p53是腫瘤抑制轉錄因子,被廣泛認為是基因組的守護者。p53調節細胞應對應激反應的通路,這些應激反應可能導致細胞周期阻滯、DNA修復、細胞衰老和凋亡。p53也能在毒性條件下轉錄激活p21,使p21發揮細胞周期抑制劑的作用?;蛘遬53可以激活多種凋亡基因,導致細胞死亡(Shen 2001)。Chen等人(2009)已經證明p21通過干擾keap1定向Nrf2泛素化和降解來增加Nrf2水平。因此,p21通過與Nrf2通路的相互作用,保護細胞免受細胞毒素的侵害,擴大了p53在低至中度應激條件下的生存功能,可能是p21抑制腫瘤的另一種機制。如果毒素水平超過一定的閾值,p21可誘導細胞周期阻滯,以便DNA修復。如果損傷超過機體的修復能力,就會誘導細胞凋亡(Villeneuve et al. 2009)。因此,細胞周期阻滯的p21-Nrf2依賴和p21依賴通路可能代表p53和Nrf2介導的兩種單獨但增強的細胞保護機制。目前尚不清楚Nrf2信號在不同類型的細胞中是否會升高,這可能是因為在應激反應中積累了p21所致。

    從p21對Nrf2活性的影響中產生的一個有趣的問題是,對于從p21誘導的Nrf2依賴性細胞生存機制上調到p53/p21誘導的細胞死亡,長壽和短命生物的細胞是否具有不同的閾值?相反,已顯示p53拮抗Nrf2與ARE啟動子的結合,表明在高水平的應激和/或不可修復的損傷中,平衡轉變為促凋亡狀態,通過減弱的Nrf2活性和增加的ROS水平而得到加強??紤]到不同壽命物種對細胞毒素的抵抗能力的差異,我們假設長壽物種的細胞具有更高的抗應激閾值,有利于Nrf2依賴性細胞保護的上調,且僅作為最后的手段, 當損傷過大或不可修復時,抑制Nrf2反應,從而誘導細胞凋亡。p53是否選擇誘導生長阻滯或凋亡似乎取決于生存信號。當生存信號占主導地位時,p53激活導致細胞周期停止,并促進修復。相反,當生存信號不足時,p53會導致細胞凋亡(Ashcroft et al. 2000; Sears 2002)。長壽物種可能會維持一個更穩定的環境,通過p53激活來協調更多的生存信號,從而使系統進入修復或細胞周期阻滯的通路。Nrf2靶基因,如NQO1,已被證明能夠結合和穩定p53。這可能導致相互加強的反饋回路調節細胞周期阻滯或凋亡,這取決于活性氧的濃度和受損大分子的數量。

    因此,在p53和Nrf2通路之間有許多相互作用的點,這些點依賴于應激的嚴重程度和Nrf2反應動力學,這兩者都可能決定細胞存活或死亡。

    炎癥反應

    近期研究結果顯示Nrf2信號在減少炎癥反應中也起著重要作用。Nrf2可抑制多種促炎基因,包括腫瘤壞死因子α(TNFα)、白細胞介素(IL-1β, IL-6)以及細胞粘附分子、前列腺素代謝物、基質金屬蛋白酶和誘導型一氧化氮合酶(Kim et al . 2009)。Nrf2減少炎癥反應被認為主要是由于它對NF-κB的抑制(Chen et al. 2006; Jin et al. 2008)。例如,Nrf2化學激活劑(如姜黃素或蘿卜硫素)減弱脂多糖(LPS)對NF-κB的誘導(Jeong et al. 2004)。酶HO-1具有顯著的抗炎活性。重要的是,HO-1被Nrf2上調,而后調節先天免疫、炎癥和傷口愈合(Srisook et al. 2005; Patil et al. 2008)。Nrf2通路和炎癥信號之間也有大量的相互作用。據報道NF-κB直接在轉錄水平抑制Nrf2信號。此外,NF-κB還可能通過組蛋白去乙?;?(HDAC)的募集和通過競爭性結合轉錄共激活因子結合蛋白(CBP)誘導低乙?;瘉碜柚筃rf2信號傳導(Liu and Shen 2008)。
    Nrf2誘導的炎癥抑制對許多疾病狀態具有廣泛的意義。慢性炎癥涉及人類多種退行性疾病的病因學,并促進自身免疫性疾病、哮喘、神經退行性疾病(如帕金森氏癥和阿爾茨海默氏癥)、肺纖維化、骨關節炎、結腸炎、腎功能衰竭、心血管疾病、動脈粥樣硬化及癌癥的發病和進展(for review see Kim et al. 2009)。例如,促炎因子的下調似乎對心血管功能有很大的有益作用,使Nrf2成為維持心臟健康的新靶點。Nrf2上調已被證明可以保護動脈內皮細胞免受炎癥反應影響(Zakkar et al. 2009),并緩解心血管疾病相關的各種因素(Ungvari et al. 2008)。蘿卜硫素,Nrf2激活劑,通過上調酶II相解毒酶和HO-1的表達可預防缺血損傷(Piao et al. 2009)。保護性抗氧化酶HO-1也可介導心臟組織中的線粒體生物合成(Piantadosi et al. 2008)。Nrf2細胞保護通路在保護心血管系統免受ROS氧化損傷方面起著至關重要的作用(Zhu et al. 2008)。

    同樣,用于治療類風濕性關節炎的藥物也可以激活Nrf2信號通路,上調HO-1和GCL的表達。在類風濕性關節炎藥物金諾芬和哮喘藥物上調Nrf2,可能是通過抑制環氧合酶-2來消除前列腺素的堆積(Kim et al. 2009)。

    慢性神經炎癥通常與神經退行性疾病相關(Rojo et al. 2010),并歸因于失控的防御小膠質細胞活動。小膠質細胞通過清除病原體和細胞碎片促進大腦的愈合。受損的神經元會釋放化學刺激物,引發小膠質池的擴張,以應對炎癥反應,這反過來又會進一步促進神經元的死亡、慢性神經炎癥和神經變性(Kim et al. 2009; Rojo et al. 2010)。

    神經退行性變

    Nrf2在保護神經退行性疾病和維持認知功能方面的作用正在積極研究中。Nrf2是創傷性腦損傷后充分愈合所必需的,現在被認為是各種年齡相關神經退行性疾病的重要治療制劑(Jin et al. 2009)。神經元死亡通常與多種疾病有關,包括阿爾茨海默病和帕金森病,體外誘導神經元Nrf2信號通路后,神經元細胞死亡減少(Johnson et al. 2008)。此外,星形膠質細胞中Nrf2信號通路的上調保護鄰近神經元免受細胞毒性威脅(Kraft et al. 2004)。同樣,在帕金森癥和阿爾茨海默病中,高水平的氧化應激可能被Nrf2信號上調和伴隨的HO-1、NQO1及其他下游靶點的升高所抵消(Cuadrado et al. 2009)。實驗小鼠神經系統表現出與年齡相關的Nrf2水平下降和下游信號成分下降(Duan et al. 2009),這被認為可能導致與年齡相關的認知能力下降。
    癌癥 
    慢性炎癥也可能導致自發瘤變(Ahmad et al. 2009)。Nrf2已被證明對癌癥的發展和治療有雙重作用(Lau et al. 2008)。分離腫瘤細胞系實驗及腫瘤人群試驗已經表明,許多腫瘤在體內和體外通過Keap1和Nrf2的突變發揮Nrf2的腫瘤細胞保護作用,這導致Nrf2信號通路的組成型上調和永久性激活,增強癌細胞對毒素的耐受性,從而限制化學治療劑的功效(Wang et al. 2008)。目前尚不清楚這些體細胞突變在哪個階段對致瘤表型作用最大?;熌退幠[瘤細胞株也經常上調GSH生物合成和藥物代謝酶途徑,使其在體內難以治療。已經證明GSH生物合成和GSH依賴酶與藥物的耐藥性有關(McLellan and Wolf 1999),我們現在認識到這可能是由于Nrf2失調造成的(Hayes and McMahon 2009)。

    通過研究長壽物種如何阻止這些突變并維持對Nrf2-Keap1通路的調控,可能實現潛在的益處。Nrf2信號通路的化學預防作用、Nrf2信號通路的抗腫瘤特性及其在機體內的廣泛存在很可能是抗癌和延長壽命的一個重要組成部分。此外,學習如何調節Nrf2-Keap1通路可能會對人類癌癥達到更有效的治療。

    Nrf2的其他作用

    雖然Nrf2信號在癌癥生物學和神經退行性變等領域的作用正在被深入研究,但Nrf2細胞保護的重要性在其他研究領域也正在顯現。Nrf2上調也被假設在不同物種冬眠喚醒期間的機體抗氧化防御中發揮作用。在松鼠中,組成Nrf2以及Nrf2下游的成分在冬眠期間增加,但在恢復正?;顒雍蠡謴偷秸K?Morin et al. 2008)。Nrf2還在非洲爪蛙脫水過程中調節抗氧化應激的保護作用(Malik and Storey 2009)。在不同物種中進行的這些有趣的研究表明,Nrf2可以在生物學中發揮多樣而深遠的生理作用。

    由于Nrf2細胞保護在許多研究領域都有涉及,生物醫學科學家對激活這一信號通路的化合物很有興趣。許多天然化合物,特別是可食用植物中的植物化學物質,已經被確認為這種途徑的興奮劑,包括蘿卜硫素(存在于西蘭花中)、白藜蘆醇(葡萄皮中的一種黃酮類物質)以及姜黃素(姜黃的關鍵成分)(Lee and Surh 2005)。

    Nrf2的激活可以保護機體免受氧化應激源、親電試劑、促炎劑以及受損蛋白和其他分子堆積造成的影響??紤]到這些對細胞有保護作用的調控功能,Nrf2很可能是長壽物種、長壽轉基因小鼠模型(如矮鼠)以及那些受到延長壽命環境操縱(如熱量限制)的物種抗應激能力增強的重要組成部分。新型的治療方法,主要是飲食中的多酚,通過激活Nrf2來獲得有益的效果,同時調節細胞信號傳導過程,這些過程在抵抗炎癥、神經變性和癌癥方面非常重要。

    Nrf2信號通路與衰老 

    毒物興奮效應的模式已經被用來解釋長壽命物種處理應激從而延長壽命的能力(Masoro 2007)。事實上,熱量限制被認為是一種溫和的應激,它會誘導細胞保護性機制,而這些機制很可能依賴于Nrf2——一種細胞保護信號通路。最近從進化的角度綜述了Nrf2作用的劑量效應特征(Maher and Yamimoto,2010)。這些作者指出,Nrf2的活性范圍很窄,為機體解毒應激提供了最佳的能力。我們假設長壽物種本質上具有待激活的Nrf2通路,隨之準備對細胞應激作出反應,從而減少暴露于可能導致細胞損傷的物質。在Nrf2水平導致不良狀態暴露之前,這些生物體可能還有更廣泛的設置點。支持這一假設的證據來自于ARE-調節基因的組成性表達(如Keap1敲除小鼠中觀察到的)或ARE-調節基因的不當表達,觀察到這些基因可能在疾病狀態下產生有害影響(如癌細胞中的多藥耐藥表型)。在進化距離較遠的物種中,有越來越多的證據表明,Nrf2-ARE依賴成分與長壽和健康延長有關。在多個延長壽命的小鼠模型中,Nrf2依賴參與解毒和GSH代謝的酶增加,包括限熱小鼠、限蛋氨酸小鼠和非應激條件下的侏儒小鼠(Brown-Borg and Rakoczy 2005; Amador-Noguez et al. 2007)。GSH的增強也被認為是細胞抵抗藥物誘導凋亡的潛在機制(O’brien and Tew 1996)。谷胱甘肽的耗盡改變了細胞對親電試劑和氫過氧化物的抗性(Higgins et al. 2009),并且谷胱甘肽生物利用度降低與衰老及年齡相關性疾病有關(Maher 2005; Droge and Schipper 2007)。

    同樣地,在神經組織中過度表達GCL限速酶(負責GSH合成)并因此在中樞神經系統中有較高的GSH水平的果蠅比野生果蠅壽命長50% (Orr et al. 2005)。較長壽命的秀麗隱桿線蟲突變體,其胰島素/IGF-1樣信號發生改變,已被發現能夠上調GSH生物合成酶以及NQO1和GST等I、II相藥物代謝酶(McElwee et al. 2004; Jasper 2008; Tullet et al. 2008) ,過表達GSTs會增加蠕蟲的平均壽命(Ayyadevara et al. 2005a;. 2005b)。相反,眾所周知,短壽命大鼠和小白鼠隨著年齡的增長,硫醇含量降低,這與Nrf2活性降低有關(Suh et al. 2004)。

    我們發現,與長壽的實驗性小鼠模型一樣(Brown-Borg and Rakoczy, 2005),長壽嚙齒動物,如裸鼴鼠和白足鼠(Peromyscus leucopus)表現出GSH和GST的組成性升高。如上所述,升高的GSH提供了相當大的保護,首先作為氧化還原緩沖,以及作為中和和消除活性氧和親電試劑所需的共底物(Hayes and Strange 1995; Maher 2005)?;趯π∈蟮难芯?McMahon et al. 2001),在長壽嚙齒類動物中,這些GSH依賴酶的增加可能是由Nrf2調控的。此外,我們發現年輕(2歲)和年老(26歲)裸鼴鼠同樣表現出低水平的泛素化蛋白,表明高效去除受損蛋白(Pe´rez et al. 2009)。當Nrf2調控26S蛋白酶體的α和β亞基以及p62時,似乎至少在一定程度上,上調ARE-基因的調控可能是積聚泛素化蛋白失敗的原因,p62是一種通過自噬促進蛋白聚集物去除的蛋白(Bjorkoy et al. 2006; Nakaso et al. 2006; Du et al. 2009) 。因此,我們推測長壽物種具有組成活性的Nrf2細胞保護通路。與該觀點一致,我們發現在正常生理條件下,裸鼴鼠各器官和成纖維細胞Nrf2蛋白水平比小鼠高3 - 8倍,白足鼠表現出中間值。Nrf2在裸鼴鼠中明顯的組成性上調和激活的分子基礎尚不清楚,其激活的結果也不清楚。我們預計,Nrf2活性的增強會顯著延長該物種的壽命,且這可能是長壽哺乳動物的共同特征。

    有趣的是,與秀麗隱桿線蟲長壽相關的兩個轉錄因子之一是Skn1,一種由飲食限制而導致的長壽所必需的與哺乳動物Nrf2相關的CNC型蛋白(An et al. 2005; Tullet et al. 2008) (Bishop and Guarente 2007)。Nrf2具有延長壽命的能力的觀點也來自于果蠅,在果蠅中,一個Keap1等位基因的缺失會增加GSTD1的表達,從而導致雄性果蠅對百草枯的抗性和長壽(Sykiotis and Bohmann 2008)。Nrf2信號通路下游成分的過表達延長了果蠅的壽命(Orr et al. 2005),且秀麗隱桿線蟲模型也顯示Skn- 1依賴酶的表達上調 (Jasper 2008)。相反,當Nrf2的同源基因在果蠅和蠕蟲中都被敲除時,與熱量限制相關的壽命延長也消失(Bishop and Guarente 2007)。綜上所述,這些研究表明Nrf2-ARE通路(或其在無脊椎動物中的進化等同物)通常涉及到小鼠、蠕蟲和蒼蠅中延長壽命的范例。

    總的來說,這些數據進一步支持了我們的假設,即Nrf2在決定壽命和健康方面直接發揮作用。盡管Nrf2和與衰老相關的細胞保護機制之間有重要關系,但令人驚訝的是,很少有研究評估Nrf2在調節衰老和壽命方面的作用。然而,上述數據間接支持了我們的假設,即Nrf2對毒素和腫瘤發生的保護作用決定了壽命和健康 (圖3)。許多已被證明可以調節衰老的單一基因突變可以通過操縱這一途徑來誘導它們的作用,因此這可能是在這一方向的比較衰老研究中進行新假設檢驗的一個來源。對這一通路及其在衰老過程中的調節作用的機制研究將決定這些假設的有效性,最終可能會有Nrf2延長人類生命和健康相關的干預研究。


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