Nrf2_Keap1抗氧化系统与慢性阻塞性肺疾病

Nrf2 Keap1抗氧化系统与慢性阻塞性肺疾病林 健综述 文富强审校(四川大学华西医院呼吸病学研究室,四川成都610041)摘要 Nr f2是细胞调节抗氧化应激反应的重要转录因子。

K eap1是N r f2的胞浆蛋白伴侣分子。

Nr f2 K eap1组成的抗氧化系统在细胞抗氧化应激反应中发挥重要的作用。

氧化/抗氧化失衡是慢性阻塞性肺疾病(CO PD)的主要发病机制之一。

研究N rf2 Keap1抗氧化系统在COP D中的作用日益受到重视。

本文对Nr f2 K eap1抗氧化系统的组成与信号调控,及其在CO PD中的作用进行了综述,提示其在治疗和预防CO PD中可能发挥作用。

关键词 N rf2 K eap1抗氧化系统; 氧化应激; 慢性阻塞性肺疾病中图分类号 R563.3 文献标识码 A 文章编号 1672 3511(2009)09 1590 03慢性阻塞性肺疾病(CO PD)是一种具有气流受限为特征的疾病。

CO PD的发病机制尚未完全明了,目前认为其主要的发病机制与氧化/抗氧化失衡、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、气道的慢性炎症和自主神经功能紊乱有关。

氧化/抗氧化失衡的机制越来越引起大家的重视。

Nr f2 K eap1组成的抗氧化系统在细胞抗氧化应激反应中发挥重要的作用。

N r f2是调节抗氧化应激反应的重要转录因子,生理状态下它与胞浆蛋白伴侣分子Keap1结合使活性处于相对抑制状态。

氧化应激源作用下, Nr f2与K eap1解耦联后转移入核,与抗氧化反应元件(Antio x idant response element,AR E)结合,启动A RE调控的!相解毒酶及抗氧化酶基因的表达,增加细胞对氧化应激的抗性。

近年来国外的研究表明,N rf2表达水平异常或其转录活性受损与某些肺部疾病的发生发展密切相关[1]。

1 Nrf2、Keap1的基本结构和功能1.1 N rf2的基本结构和功能 N r f2属于cap'n'co llar(CNC)转录因子家族成员之一。

N rf2分子量在66~68kDa之间。

N rf2含有6个不同的功能区,分别被命名为N eh1到N eh6。

N eh1区中有一个亮氨酸拉链结构bZ IP、bZIP与小M af蛋白形成异二聚体是N rf2识别抗氧化反应元件A RE的重要前提。

N rf2与小M af蛋白结合AR E上的DN A基序继而启动目的基因的转录[2]。

Neh2区是N rf2与胞浆蛋白伴侣分子Keap1的结合区,N eh2上的ET GE基序在这一过程中有重要作用,ET G E缺失或突变会解除N rf2 Keap1的相互作用[3]。

N eh1和Neh2之间为两个激活区N eh4和Neh5。

Neh4和N eh5与共激活因子CR EB结合蛋白CBP结合会促使CBP协同参与对N rf2目的基因转录活性的激活[2]。

N rf2是包括p45、N rf1、N r f2、N rf3在内的CNC转录因子家族成员中活力最强的转录调节因子,主要在代谢性和解毒组织及持续暴露在外界环境的组织表达,如肝脏、肾、皮肤、肺、消化管等。

Nr f2作为转录因子与抗氧化反应元件A RE作用,调控A RE依赖的第!相解毒酶及抗氧化酶基因的转录活性,包括谷胱甘肽 S 转移酶(G ST)、血红素氧合酶(H O 1)、超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化氢酶(CA T)等。

目前认为N rf2是调控细胞对抗外来异物和氧化损伤的关键转录通讯作者:文富强,E m ail:w en fuqiang@ 因子。

N rf2缺失或激活障碍,会引起细胞对应激源的敏感性增高,与炎症修复时间延长、化学促癌的发生、细胞凋亡等病变过程密切相关。

1.2 K eap1的基本结构和功能 Keap1蛋白是一个与胞浆肌动蛋白结合的含624个氨基酸的多肽,主要有DG R区、BT B 区、I VR区。

DGR区含有6个双甘氨酸重复序列,是K eap1与N rf2的N eh2区结合位点,也是K eap1与胞浆肌动蛋白的结合区位[2]。

BT B区的作用是介导K eap1二聚体化并与N r f2的结合力有关。

IV R区是Keap1与亲电化合物及氧化剂发生反应的区位,I VR区富含半胱氨酸,其中的C257、C273、C288和C 297是亲电化合物直接作用的位点,亲电化合物对一个或者多个半胱氨酸残基的修饰可能引起K ea p1的DGR区构象改变,进而导致N rf2的释放[4]。

生理状态下,K eap1与N r f2结合并将其锚定在胞浆,同时结合泛素化连接酶促进Nr f2泛素化和在蛋白酶作用下的降解,使N r f2处于非游离及不断降解的非活性状态。

当受到亲电试剂或氧化剂的作用,K eap1与Nr f2解耦联使得N r f2转移入核,与M af蛋白结合成异二聚体后识别并结合A RE,启动!相解毒酶和抗氧化应激蛋白基因的转录,提高细胞抗氧化应激能力。

2 Nrf2 Keap1抗氧化系统的信号调控机制研究表明,磷脂酰肌醇激酶(P ho sphatidylinosito l3kinase, PI3K)、蛋白激酶C(Pr otein kinase C)、丝裂酶原激活蛋白激酶(M itog en activated pr otein kinase,M A PK)等细胞内信号传导途径在N rf2 K eap1抗氧化系统信号调节机制中起重要作用。

2.1 P I3K信号途径 PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶,其产物包括3,4 二磷酸磷酯酰肌醇和3,4,5 三磷酸磷酯酰肌醇等,它们都是位于质膜上的第二信使。

PI3K具有丝/苏氨酸激酶的活性,也具有磷脂酰肌醇激酶的活性,对调节细胞的分裂、分化、凋亡等有重要的作用。

众多研究表明,氧化应激通过PI3K信号通路激活N r f2,引起N rf2的核转位,调节抗氧化基因的表达。

Papaiahgar i等[5]研究发现在小鼠肺上皮细胞株C10,氧超载通过P I3K信号通路激活N rf2,抑制P I3K通路可显著减弱氧超载引起的N r f2核转位和AR E介导的转录活性。

Joung等[6]用辣椒辣素刺激H epG2细胞后可以增加H O 1在细胞的表达,进一步研究发现辣椒辣素上调HO 1是通过激活PI3K A kt通路,增加N rf2的核转位和A RE的转录活性实现的[6]。

最近的研究显示,叶绿酸以时间依赖性和剂量依赖性上调N QO1和HO 1在人脐静脉内皮细胞的表达,这样的诱导表达也伴随着PI3K/A kt通路的激活和N r f2的核积聚[7]。

2.2 M A PK信号途径 M A PK是蛋白激酶级联反应的中间体,是细胞内重要的激酶系统,在细胞生长、分化和肿瘤形成等过程中起非常关键的作用。

M A P K激酶的家族成员主要有ER K、p38、JNK。

研究发现M AP K的家族成员参与了N rf2 Keap1抗氧化系统的激活。

Papaiahg ari等[8]研究发现在小鼠肺上皮细胞株C10,用U0126抑制ERK激酶可以显著减弱氧超载引起的Nr f2核转位和A RE介导的转录活性。

H w ang 等[9]研究发现6 羟基多巴胺刺激SH SY5Y细胞后可以增加HO 1在细胞的表达,进一步研究发现6 羟基多巴胺上调HO 1是通过激活PI3K和ERK激酶,增加N rf2的核转位实现的。

Zipper等[10]研究显示在H epG2细胞ERK和p38可能同时参与了N rf2的激活和 谷氨酰半胱氨酸合成酶(G CS)基因的诱导表达,他们用G CS诱导剂吡咯烷二硫代氨基甲酸盐(PDT C)刺激H epG2细胞可以导致ERK和p38的激活,用PD98059或SB202190阻断ERK或p38通路后N rf2的核转位减少,GCS 基因表达下降。

Xu等[11]用苯乙基异硫氰酸盐(P EIT C)刺激PC 3细胞后可以增加ERK1/2和JN K1/2的磷酸化水平并进一步使Nr f2 K eap1解耦联,N rf2转移入核并增加A RE的转录活性和H O 1基因的表达,提示ERK和JN K同时参与了这一细胞氧化应激过程。

同时Yuan等[12]研究发现用ERK和JNK 抑制剂U0126和SP600125可以减弱叔丁对甲氧酚(BH A)诱导的N rf2核内积聚,证明ER K和JNK同时参与了BH A诱导的氧化应激过程。

2.3 PK C信号途径 PK C是一类Ca2+、磷脂依赖性的蛋白激酶,在跨膜信号传递过程中起着重要的作用。

P KC通过催化多种蛋白质的丝/苏氨酸残基磷酸化,调节多种细胞的代谢、生长、增殖和分化。

N umazaw a等[13]在二缩三丙酮和4 羟基 2壬烯酸(4 HN E)对WI 38细胞的反应中,发现PK C参与N rf2的磷酸化,P KC通过磷酸化Nr f2丝氨酸40位点导致Nr f2的激活,Ro 31 8220抑制PK C后减弱A RE介导的转录活性。

Rushw ort h等[14]研究发现用L PS刺激人单核细胞后可以诱导H O 1基因的表达,但使用P KC抑制剂Ro 31 8220和G o6976后,N rf2结合A RE减少并且H O 1基因的表达下降提示L PS 诱导的H O 1基因表达需要PK C和N rf2。

而后Rushwo rth 等[15]继续用姜黄刺激人单核细胞发现可以通过N r f2/AR E通路的活化而上调HO 1和N Q O1的表达,使用PK C抑制剂R o 31 8220和卡拉霉素可以抑制姜黄诱导的HO 1的表达也支持了PK C是N rf2上游重要的信号调控通路。

3 Nrf2 Keap1抗氧化系统在COPD中的作用CO PD是一种慢性进展的气道炎症性疾病,患者肺组织内的氧化剂持续增长,出现氧化/抗氧化失衡,导致氧化应激。

氧化剂刺激肺泡巨噬细胞释放一系列炎症介质趋化中性粒细胞、嗜酸性粒细胞及其它炎症细胞在肺组织聚集,而后肺泡巨噬细胞和募集的中性粒细胞等炎症细胞以及上皮细胞通过还原型烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸(N ADP H)系统产生活性氧(RO S)。

已有研究表明CO PD患者存在中性粒细胞的高反应性,CO PD 患者的循环血中性粒细胞在受到炎性介质刺激时较正常对照者循环血中性粒细胞更易产生ROS等产物[16]。

内源性ROS 的产生加重了CO PD患者的氧化负荷。

RO S主要通过氧化细胞膜磷脂产生脂质过氧化分子,比如4 羟基 2壬烯酸(4 H NE)[17]和丙烯醛等的产生,导致细胞膜受体和酶的失活,胞膜功能受损,渗透性增加,从而导致组织损伤。

另外,ROS还可以诱导花生四烯酸生成前炎症因子,促进炎性介质的释放,增强单核 巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞和上皮细胞的相互作用,在COP D慢性炎症过程中起重要的作用[18]。