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    Nrf2介導氧化還原作用對運動的適應

    發表于:2021-02-20   作者:admin   來源:本站   點擊量:11953

    原文:Done A J , Traustadóttir, Tinna. Nrf2 mediates redox adaptations to exercise[J]. Redox Biol, 2016, 10(C):191-199.
    翻譯:
    Nrf2介導氧化還原作用對運動的適應 
    摘要
    綜述的主要目的是總結當前關于急性運動和定期運動對核因子紅細胞樣2相關因子2(Nrf2)活性和Nrf2信號下游靶點的影響的文獻。Nrf2(在人體內由NFE2L2基因編碼)是抗氧化劑防御的主要調節因子,是一種調節200多個細胞保護基因表達的轉錄因子。越來越多的證據表明,Nrf2信號在氧化應激如何介導運動的有益作用中起著關鍵作用。通過急性運動誘導的氧化應激偶發性增加刺激了Nrf2活化,與定期運動一樣重復刺激時,會導致內源性抗氧化防御能力與總體更大的抗氧化應激破壞性作用能力的上調。運動造成的不同組織Nrf2激活證據可能是運動如何發揮其眾所周知的系統效應的一個重要機制,這些系統效應不僅限于骨骼肌和心肌。此外,還有一些動物研究成果轉化為人類的數據。
     
    1、簡介
    隨著分子生物學的發展及其在運動中的應用,人們對于急性運動誘導細胞信號導致多次運動后積累生理適應性的認識得到了極大提高。急性運動激活初級信使,如一磷酸腺苷(AMP)、鈣和機械應激,以及隨后的次級信使,包括AMP活化蛋白激酶(AMPK)、鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CAMK)和p38有絲分裂原活化蛋白激酶,導致mRNA轉錄的急性變化。急性運動刺激的另一個重要的初級信使是氧化還原平衡(或氧化還原電位)的暫時性變化,通過產生活性氧物質(ROS)進入更加氧化的狀態。雖然ROS最初被認為具有損傷性,但現在人們對ROS在細胞信號傳導、免疫功能調節、基因轉錄和凋亡中的重要作用有了更深入的了解。一個主要的例子是ROS在轉錄因子核因子紅細胞樣2相關因子2(Nrf2)激活中的作用,其是抗氧化劑酶和細胞抗應激的主要調節因子。嚙齒動物研究的數據表明,靶向Nrf2活性以降低疾病風險的治療潛力。靶向Nrf2敲除(Nrf2–/–)模型在所有組織中對毒性和氧化應激源表現出抵抗力明顯受損,因此Nrf2–/–小鼠更易患慢性疾病。靶向Nrf2激活的藥理學和遺傳學(負調節子敲除)方法有效地改善氧化應激源造成的損害并恢復對慢性疾病的抵抗。Nrf2信號中斷的情況下病理學的增加,以及隨后在Nrf2 活化劑存在下的逆轉已經在其他地方進行了綜述。
    越來越多的證據表明,Nrf2途徑在氧化應激如何調節運動的有益作用中起著關鍵作用。急性運動誘導的氧化應激的偶發性增加會刺激Nrf2激活,與定期運動一樣重復刺激時,這可能會導致內源性抗氧化防御的上調,以及總體上更大的能力以抵消氧化對核酸、蛋白質和脂質的損傷作用。本綜述的主要目的是總結當前關于急性運動和定期運動或運動干預對Nrf2活性和Nrf2信號下游靶點影響的文獻。我們還研究了支持或反對與運動結合使用抗氧化補充劑和植物營養素Nrf2活化劑的證據。由于干預效果在目標受損時更容易觀察到,我們將著重研究衰老作為受損細胞信號的非疾病模型,其通常與年齡相關的病理學相協調。我們從Nrf2調節的簡要概述開始。
     
    2、 Nrf2:細胞防御的主調節子
    轉錄因子Nrf2(在人類中由NFE2L2基因編碼)是抗氧化防御的主調節子,調節超過200種保護氧化應激的細胞保護基因。Nrf2是堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)轉錄因子家族的一員,在無應激條件下通過與胞質溶膠中的Kelch樣紅系細胞相關CNC同源關聯蛋白1(Keap1)的同二聚體結合而被抑制[17]。Nrf2和Keap1之間的相互作用在物種間高度保守,表明其調節作用的重要[18]。在這種狀態下,Keap1作為Nrf2降解的銜接蛋白發揮作用,其由Cul3/Rbx1介導,促進Nrf2泛素化和隨后26s蛋白酶體對Nrf2的降解。Keap1/Cul3/Rbx1也作為一種額外的負調節因子存在于細胞核中[19]。
    半胱氨酸殘基被以一種獨特的形式修飾來響應氧化或親電刺激,不同的結構誘導物與Keap1上不同的半胱氨酸殘基組合反應,從而產生相同的生物響應,特別是從Nrf2脫離并激活Nrf2-抗氧化反應元件(ARE)響應,或通過穩定Keap1-Nrf2復合物,減緩蛋白酶體對其的降解[20–23]。一旦從Keap1上脫離,Nrf2就轉移到細胞核中,在那里它與小Maf蛋白異二聚體化,并結合順式作用元件AREs,有效地激活II相解毒酶的轉錄(見圖1)。
     

    圖1 Nrf2信號通路。Nrf2被運動誘導的ROS或植物營養素Nrf2激動劑激活??寡趸a充劑抑制了運動誘導的ROS的信號,從而抑制下游的Nrf2信號傳導。
     
    在治療潛力方面,這種半胱氨酸編碼作為多種化合物和刺激物的有效Nrf2誘導物,之間相互獨立,引起了人們極大的興趣。例如,運動誘導的Nrf2的活性氧活化可能通過氧化這些半胱氨酸殘基發生。同樣,某些植物營養素被證明能夠激活Nrf2,這個過程可能是通過改變半胱氨酸殘基而發生的,而這些殘基不同于運動中的靶點。如果事實上是這樣的話,運動訓練和Nrf2激動化合物之間可能存在協同效應。一些最新數據支持這一點,這些數據在本綜述的第6節中給出。對于那些對Nrf2激活機制的更詳細背景感興趣的人,我們請讀者參考這方面近期的一篇優秀評論[16]。
    值得注意的是,在某些情況下,如癌癥,Nrf2的激活和信號傳導可能會產生有害影響。在正常情況下,Nrf2信號可以防止癌癥,正如十字花科蔬菜中的植物營養素刺激Nrf2活化的效果一樣。然而,在癌細胞中,Nrf2的激活可能賦予細胞抗應激能力,使細胞不易受到化療治療的影響。研究表明,在癌癥腫瘤中,Nrf2被上調,在化療期間可能需要使用Nrf2抑制劑提高治療效果。
     
    3、Nrf2信號對急性運動的反應
    使用C2C12骨骼肌細胞進行的細胞培養為證明Nrf2被ROS激活的研究提供了證據,當抗氧化劑(如N-乙酰半胱氨酸)應用于培養基時,激活被抑制。Horie等人使用電脈沖刺激(EPS)模擬急性運動,并證明Nrf2表達與刺激強度和持續時間相關。此外,EPS刺激了Nrf2相關抗氧化基因的表達,當siRNA轉染敲低細胞中的Nrf2時,表達減弱。其他研究表明,用H2O2處理肌管或大鼠心肌細胞后,Nrf2蛋白表達增加。
    這些體外結果轉化為體內結果主要在動物模型中完成,最近的一項研究是在臨床研究。表1列出了這些研究。值得注意的是,早期的一些研究在其免疫印跡中針對一個非特異性的Nrf2(57 kDa)條帶。盡管預測的Nrf2分子量為57 kDa,但一些研究小組已經確定90-110 kDa帶是與生物相關的Nrf2靶點。
     
    表1 急性運動誘導Nrf2信號

    NR未報告或未測量,SMT骨骼肌組織,PBMC外周血單核細胞,NUC核,WC全細胞。
     
    在野生型小鼠中,單次急性運動提高了骨骼肌中的Nrf2基因表達和其蛋白豐度,以及依賴Nrf2的II相酶。在另外兩項測量運動對小鼠心肌中Nrf2信號傳導影響的研究中,結果基本上與骨骼肌研究的數據一致。然而,這些研究使用了“急性運動應激”,其為連續兩天60分鐘的跑步機運動。雖然很明顯時間不足以歸類為運動訓練,但眾所周知,連續運動會導致mRNA表達的累積反應,可能需要觀察蛋白質豐度的可測量變化[44]。然而,Muthusamy等人[42]提供了對運動反應的Nrf2信號的最全面分析,并比較了年輕野生型(WT)和Nrf2–/–小鼠。盡管兩組的ROS都有相似的增加,但運動引起的核積累顯著增加,并且Nrf2在WT小鼠心肌中結合,而在Nrf2–/–小鼠中沒有觀察到Nrf2活性的變化。在WT小鼠中幾乎所有II相酶的基因表達都顯著增加,唯一的例外是血紅素加氧酶-1(HO-1)。II相抗氧化蛋白的表達變化不太一致,僅在HO-1、谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCLM)和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)中觀察到變化。
    關于運動誘導的人體Nrf2信號傳導的數據仍非常有限,但最近的一項研究首次表明,在年輕和老年人的外周血單核細胞(PBMCs)中,急性運動增加了全細胞水平的Nrf2蛋白豐度[45]。此外,僅在年輕組中觀察到Nrf2的核聚積,表明老化與Nrf2的核輸入受損有關(見圖2)。毫不奇怪,運動刺激了年輕人而不是老年人的HO-1和NAD(P)H醌脫氫酶1(NQO1)基因表達的增加。之前在小鼠心肌和大鼠肝臟中顯示了與年齡相關的胞質溶膠和細胞核中Nrf2水平以及Nrf2/ARE結合能力的降低,并伴隨響應急性運動的Nrf2依賴的抗氧化基因表達的減弱。
     

    圖2 運動在全細胞水平上誘導Nrf2增加,但在老年人中細胞核積累減弱。運動后PBMCs全細胞[A]和細胞核部分[B]中Nrf2的響應。數值為平均值±SEM。在相應圖的上方提供了輕人(Y)和老年人(O)的Nrf2變化的代表性條帶和內參條帶。全細胞Nrf2的倍數變化主要受時間影響(P=0.003)。細胞核聚積只在年輕人中顯著增加,在老年人中則不顯著(主要影響因素年齡,p=0.031)。經Elsevier許可轉載。
     
    另外兩項人類研究雖然沒有直接研究Nrf2信號傳導,但與之相關,兩項研究包括了測量響應急性運動的Nrf2的mRNA。在含氧量正常的恢復條件下,經過90分鐘的急性自行車運動后,年輕健康男性骨骼肌中Nrf2和靶向SOD2的基因表達顯著增加。有趣的是,在缺氧的恢復條件下未發現這些反應。同樣地,在跑步機中等強度運動2小時30分鐘后,經常運動的中年婦女Nrf2 的mRNA顯著增加;然而,久坐婦女在運動前后Nrf2或靶點的基因表達沒有變化,這表明隨著年齡的增長,健身可能在維持急性Nrf2響應中起到作用。
    與細胞培養研究類似,一些動物研究表明,Nrf2信號的增加依賴于運動的持續時間。持續不到一小時的跑步機運動不會引起Nrf2的mRNA或蛋白質表達的變化。當持續時間增加到90分鐘或更長時,骨骼肌組織和腦勻漿中的Nrf2激活變得明顯,骨骼肌中Nrf2蛋白表達顯著增加,兩種組織中的基因表達顯著增加。在耐力運動的一個極端例子中,Li和同事證明,在跑步機上跑1小時小鼠的Nrf2活性沒有差異,但跑6小時后,Nrf2細胞核聚積和Nrf2-ARE的結合強勁增加。且與非運動對照組和1小時組相比,多種II相酶的基因表達顯著增加。與這些結果相反,其他研究報道在跑步機運動1小時和中等強度循環30分鐘后,Nrf2蛋白質豐度增加。這些研究之間觀察到的差異可能是方案強度差異的結果(總結在表1中)。
    目前還沒有研究運動強度對Nrf2信號響應的影響。然而,Wang等人發現運動誘導的線粒體H2O2含量與Nrf2基因和蛋白表達之間存在正相關(根據運動不同時間的反應進行測量)。然而,假設高強度導致更大的氧化應激;這些數據以及肌管中電脈沖刺激的結果表明強度可能影響Nrf2信號。運動的刺激效應(無論是持續時間還是強度)可能有一個上限,因為運動到筋疲力盡的大鼠沒有表現出Nrf2蛋白或II相酶蛋白水平或包括谷胱甘肽還原酶(GR)、NQO1和谷胱甘肽-s-轉移酶(GST)在內的酶活性增加,除非它們之前接受過蘿卜硫素,一種有效的Nrf2活化劑。
    另一個需要考慮的機制來自于Xue等人最近的研究,其證明在刺激II相抗氧化物表達方面,Nrf2的積累可能不如Nrf2進出細胞核的頻率重要。在他們的模型中,Nrf2循環的速率和振幅決定了下游信號的強度——盡管很難解讀這些體外數據,但這個概念很有趣。運動的方式、強度和持續時間都可能影響體內Nrf2循環的速率和振幅。例如,即使最短持續時間為30秒的最大運動也會引起氧化還原平衡的系統性變化;隨著強度和持續時間的增加,氧化還原平衡的變化幅度也會增加。因此,與傳統的有氧運動相比,通過高強度間歇訓練進行重復的氧化還原平衡移位可能會對Nrf2的進出頻率產生不同的影響。確定Nrf2激活的最佳“劑量”或運動量為未來研究提供了巨大前景。
     
    4、Nrf2信號對定期運動的響應
    與急性運動相比,定期運動訓練對Nrf2響應的影響已被廣泛研究。表2概述了這些研究。無論持續時間(4-24周)或訓練方案(傳統的中等強度或高強度間歇訓練)如何,嚙齒類動物模型中的定期有氧運動始終被證明能夠激活包括骨骼肌、腎臟、大腦、肝臟、睪丸、前列腺和心肌在內的多種組織的Nrf2信號。
     
    表2 定期運動誘導Nrf2信號

    表2 (續表)

    NR未報告或未測量,SMT骨骼肌組織,PBMC外周血單核細胞,NUC核,WC全細胞。
     
    綜上所述,這些動物研究的數據表明,定期運動會上調Nrf2蛋白豐度和II相酶的數量和/或酶的活性。迄今為止,還沒有對人體內Nrf2信號進行運動干預的研究。然而,一項比較久坐和活動老年人的單次肌肉活檢中Nrf2和Keap1蛋白含量的橫斷面研究表明,活動老年人的Nrf2蛋白含量明顯更高,Nrf2/Keap1比率更高,表明定期運動可能會減弱Nrf2信號的年齡相關變化。運動干預是否能恢復Nrf2信號傳導已受損個體的氧化還原平衡仍是個問題。來自老年動物的運動干預數據支持老年人有恢復Nrf2信號的潛力。另一個有趣的問題是,一個人在一生中開始運動的時間是否重要。最近的兩項研究,雖然沒有測量Nrf2信號,但證明老年人的終身訓練與骨骼肌中氧化還原平衡的年齡相關變化的代償適應有關。Zhao等人在加速衰老的小鼠模型中(SAMP8)更直接地研究了這個問題。他們有3組動物接受游泳運動,分別是終身的、在生命周期早期開始的和晚期開始的。這些組還與非運動對照組進行了比較??偟膩碚f,晚期組仍然比久坐組有一些好處,這支持了一句古老的格言,即開始運動永遠不會太遲。然而,與晚期組相比,終身組和早期組顯示出明顯更大的益處,這表明早期開始運動在運動誘導信號的年齡相關缺陷方面提供了更大保護。重要的是,有證據表明經常運動可以增強對之后損害的恢復力。例如,接受過跑步機訓練或保持靜坐狀態的大鼠,腦內輸注藥物破壞多巴胺受體以模擬帕金森氏病。運動訓練可保護大鼠免受神經退行性病變、氧化應激和藥物反應性Nrf2降低的影響。此外,當Nrf2被阻斷時,運動保護作用并不明顯,這支持了Nrf2在運動介導的神經保護中的作用。
    據我們所知,目前為止還沒有任何研究針對傳統抗阻力訓練來研究Nrf2信號。 Gomes等人采用帶負重背心的跳躍方案作為對Sprague-Dawley大鼠進行抗阻力訓練(也稱阻力訓練,譯者注)。在幼年動物中沒有觀察到Nrf2表達的變化,而接受相同訓練方案的老年動物Nrf2表達降低。老年動物的Nrf2表達基線水平明顯高于年輕動物,這部分解釋了運動訓練后Nrf2的下降。有可能是老年動物上調了Nrf2以抵消日益增長的促氧化環境。運動訓練可以改善Nrf2誘導反應,從而降低基線值??赡苄枰獪y量運動干預前后對急性運動的反應,以闡明這些觀察到的Nrf2表達差異。在接受過臥床休息的人身上也觀察到了類似情況,不論他們是否接受過伴隨的抗阻力訓練。臥床休息控制(無運動)顯示骨骼肌中Nrf2的mRNA水平升高;然而,臥床休息加上阻力訓練與臥床前休息水平相比,沒有引起Nrf2表達的變化,這表明阻力運動可維持氧化還原平衡。這兩項研究都沒有集中于Nrf2信號本身,只包括測量Nrf2基因表達變化。需要進一步的研究來闡明抗阻力訓練是否能誘導Nrf2信號傳導。
     
    5、抗氧化劑補充對Nrf2信號傳導的影響
    雖然這些證據明確支持運動作為一種通過激活Nrf2誘導的內源性抗氧化防御的可行方法,但人們總是關注是否可以通過外源性補充劑或藥物實現這一點??紤]到氧化應激在衰老中的作用,外源性抗氧化劑補充通過減緩衰老或活性氧產生速率,減少自由基與細胞成分接觸,并促進更平衡的細胞氧化還原環境來,對抗由自由基引起的細胞損傷和與年齡相關的病理學變化。這一假設導致了大量的研究,研究了外源性補充劑與成功老化(快樂、滿足、幸福地度過老化時期,在生理、心理和社會等方面都感到相對適應,譯者摘注)和/或延長壽命之間的關系。事實上,對“抗氧化劑和衰老”關鍵詞的公開搜索產生了超過13000份結果。盡管有大量的文獻,但對于補充抗氧化劑的益處仍沒有達成共識。許多研究表明補充抗氧化劑沒有影響,一些研究甚至表明抗氧化劑補充劑的負面影響。目前,美國超過40%的成年人口每天至少攝入多維生素補充劑,僅在美國,每年就產生320億美元的產業收入。研究中最常見的兩種維生素是維生素C和E。
    維生素C(抗壞血酸/抗壞血酸)是一種有效的親水性抗氧化劑,能夠直接中和活性氧,盡管速度非常慢。維生素E(α-生育酚)是細胞膜的主要疏水性抗氧化劑,是體內脂質過氧化的有力抑制劑。由于其疏水性,它被儲存在細胞膜中,可以清除過氧化自由基,比過氧化自由基與細胞膜反應快得多。此外,α-生育酚能直接清除線粒體膜中的活性氧。鑒于維生素E的抗氧化特性,它被吹噓具有通過抑制循環脂蛋白的氧化修飾進而預防動脈粥樣硬化的潛力。然而,根據這些反應,維生素C和E可以提高細胞存活率,最近的薈萃分析表明,補充抗氧化維生素沒有效果,甚至可能增加發病風險。運動和抗氧化維生素補充劑之間的相互作用使情況更加復雜。外源抗氧化劑可能通過在細胞信號傳導開始前降低ROS來減弱信號傳導(見圖1)。
    因此,活性氧的許多有益作用被中斷,這與通過Nrf2介導的內源性抗氧化防御作用控制的活性氧下降形成了直接對比。在一項雙盲、安慰劑對照的維生素C和E補充研究中,Morrison等人清楚地證明,通過測定F2異前列素對急性運動挑戰的響應,補充劑對減少氧化應激沒有好處。此外,他們還發現,在對使用補充劑的成人進行為期4周的運動干預后,SOD1和SOD2蛋白表達減弱,而安慰劑組這些蛋白的表達顯著增加。同時補充劑的運動適應不良反應在功能水平上也表現出來,補充劑減少了疲勞試驗、血壓控制和葡萄糖耐量的改善。在肌肉水平上,補充抗氧化劑抑制了線粒體適應耐力訓練的幾個標志物;盡管還不清楚補充抗氧化劑是否會抑制人類的耐力訓練表現。
     
    6、運動和植物營養素Nrf2活化劑有協同作用嗎?
    深入討論植物營養素或植物化學物質對Nrf2信號傳導的影響超出了本綜述的范圍。相反,我們將關注最近的研究,這些研究已經證明了運動與已知的Nrf2活化劑結合在進一步改善氧化還原平衡方面的潛在協同效應。Pala等證明輔酶Q10(COQ10)補充劑和運動對雄性Wistar大鼠有協同作用。運動和輔酶Q10補充劑的作用相互獨立,顯著增加心臟、肝臟和骨骼肌中的Nrf2表達,超過久坐對照組。在所有組織中,補充劑和運動對Nrf2表達的聯合作用都顯著增強,并且類似模式在誘導HO-1中也觀察到。Sprague-Dawley大鼠補充了已知的Nrf2激活劑——冬蟲夏草,在15天的游泳計劃中Nrf2蛋白表達和II相酶表達水平顯著高于單獨運動組的水平。這一領域值得進一步研究。圖3顯示了來自早期研究的數據,這些研究表明,運動效果是如何通過同時補充抗氧化劑而被抑制的,以及如何通過同時使用植物營養素Nrf2激活劑而得到增強的。
     

    圖3 運動結合補充抗氧化劑維生素的抑制運動適應,而Nrf2激活劑增強運動效果。與久坐對照組小鼠相比,接受維生素C補充并運動的嚙齒動物未能改善其疲勞時間[A]。與之相反,與靜坐對照組和非補充運動組相比,在疲勞時間試驗的運動過程中,補充了Nrf2激活化合物的大鼠表現明顯更好,表明其具有潛在的協同效應[B]。數據源自Gomez-Cabrera等人和Kumar等人。
     
    激活Nrf2和II相反應的另一個可能機制是熱量限制。據我們所知,目前還沒有關于熱量限制和運動結合對Nrf2和下游信號傳導影響的隨機對照研究。
     
    7、結論與未來方向
    總之,這些數據說明運動通過氧化還原激活Nrf2信號產生了許多好處。Nrf2在包括大腦、腎臟和睪丸在內各種組織中的激活可能是運動如何產生眾所周知的,不僅限于骨骼肌和心肌的系統效應的一個重要機制。此外,還有一些新的數據表明,這些結果實際上可以轉化到人類。顯然,我們還需要更多的研究,特別是人體運動干預研究的隨機對照試驗。動物研究和人類研究幾乎都局限于雄性/男性。結果需要擴展到雌性/女性,并解釋可能的性別差異。在增強對Nrf2轉錄因子在健康和疾病中重要作用的理解方面,使用Nrf2基因敲除小鼠具有極其重要的價值。Nrf2−/−表現出與老齡小鼠非常相似的表型,表明Nrf2-Keap1信號的中斷是生物老化的一個原因,這使得Nrf2成為一個有希望的靶點,特別是治療生物老化以預防年齡相關疾病中。
    動物研究的一個告誡是,通常只有兩個時間點可用(急性運動前/后或運動干預前/后)。許多Nrf2調節基因和蛋白質可能有不同的時間-響應進程,因此可能需要多個時間點來捕捉整體變化。這些需要在未來進一步研究。


    本文由福山生物整理翻譯,轉載請注明出處。

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