Nrf2與腫瘤及腦部疾病關系的研究進展*

劉廣文，陳為民，秦嘉萍，顧匯權 綜述，劉 嬙 審校

海南醫學院基礎醫學與生命科學院藥理教研室，海南海口 571199

核因子E2相關因子2(Nrf2)是細胞氧化應激反應中的關鍵因子，同時也是維持細胞內氧化還原穩態的中樞調節因子，受Kelch樣ECH相關蛋白1(Keap1)調控。隨著Nrf2新作用研究的不斷深入，Nrf2在氧化應激性疾病中起到了關鍵作用， Nrf2參與了腫瘤的發生、發展過程，靶向抑制Nrf2是一種潛在有效的抗腫瘤策略。不僅如此，Nrf2還能調節腦鐵代謝及線粒體功能的表達，與腦部疾病有著密切聯系。本文就Nrf2與腫瘤及腦部疾病的關系作一綜述。

1 Nrf2信號通路的結構及活化

Nrf2與NF-E2高度同源，研究發現Nrf2在機體氧化還原穩態中扮演著重要角色，且通過調控下游眾多基因，在抗炎、解毒等方面有重要作用[1]。這些被調控的下游基因都有相同的一段保守序列：抗氧化反應原件(ARE)，它是一個特異的DNA啟動子結合的保守序列。Nrf2基因結構上有6個高度保守的同源結構域Neh1～6[1]：(1)Neh1含有bZip轉錄因子，其與細胞核內小分子肌腱纖維瘤蛋白結合形成二聚體，使Nrf2能夠識別ARE，并啟動轉錄[2]；(2)Neh2含有可與Keap1的DGR區結合的DLG區和ETGE區，使Keap1依賴性調控Nrf2的泛素化降解；(3)Neh3主要調控Nrf2的轉錄活性；(4)Neh4和Neh5主要負責轉錄的活化，其與cAMP反應元件結合蛋白(CREB)等結合，才能開始轉錄過程；(5)Neh6主要是非Keap1依賴性調控Nrf2的降解[3]。

Keap1含有5個結構域[4]，其中DGR區又稱Kelch區，是Keap1與Nrf2的Neh2區的結合位點；BTB區域是Keap1與Cul3作用的區域，主要介導Nrf2的泛素化及降解，其半胱氨酸151突變時，Keap1與Cul3發生解離，導致Nrf2不被泛素化；中間連接區域含有Keap1活性最強的半胱氨酸殘基，其半胱氨酸273和288與Nrf2的泛素化有關，在氧化應激條件下能減弱Nrf2的泛素化；還有N端區域與C端區域分別位于N端和C端。在細胞核中Nrf2識別結合ARE，生理狀態下，Neh2上的DLG區和ETGE區與Keap1的兩個DGR區結合，由Keap1調控Nrf2活性并介導其降解，阻止Nrf2進入細胞核[5-6]。

在氧化應激條件下，Keap1的半胱氨酸殘基會被共價修飾，從而導致Keap1的構象改變，由于DLG區與DGR區的親和力較低，ETGE區與DGR區的親和力較高，Keap1一邊從低親和力的DLG區上釋放下來，而另一邊仍與高親和力的ETGE區相連，使Nrf2與Keap1結合一直處于飽和狀態，而新合成的Nrf2就能夠進入細胞核，與小分子肌腱纖維瘤蛋白結合，生成異二聚體并結合ARE，啟動下游基因的表達[7-8]，這是“門閂和樞紐”學說。

2 Nrf2與腫瘤的關系

最初認為Nrf2是一個抑癌基因，作為一種重要的轉錄因子，通過激活細胞保護性抗氧化基因來調控腫瘤細胞內氧化還原的動態平衡；促進化學致癌物的快速酶修飾和排泄，以及通過其靶基因的表達來抑制活性氧(ROS)的產生或修復氧化損傷來防止致癌[9]。但在P53突變情況下，Nrf2高水平激活可促進癌癥的進程。Nrf2通過抗氧化和解毒程序抑制氧化和致癌物誘導的DNA損傷，在腫瘤形成早期階段促進轉化細胞的活性[10]。Nrf2持續高水平是其在腫瘤中發揮作用的主要原因，而Nrf2持續高水平在不同腫瘤中的機制也不同，腫瘤的Keap1或Nrf2發生突變，導致Nrf2組成型高水平激活[10]；在肝癌中，Autophagy缺陷導致p62隱藏Keap1，E3-Keap1降解導致Nrf2組成性激活[11-12]；在肺癌中，Nestin表達導致Nrf2高水平激活[13]。

通過激活Nrf2，不僅使得腫瘤細胞獲得生存優勢，產生耐藥性，且可以促進腫瘤細胞轉移。正常細胞內Nrf2水平很低，其激活是曲線型的波動。因為藥物都有代謝的半衰期，而誘導Nrf2激活都是曲線型波動的，因此植物性Nrf2激活劑可用來預防癌癥等的發生、發展[14-15]。同時也要研發Nrf2抑制劑用于抑制腫瘤細胞的生長和轉移。靶向抑制Nrf2及Nrf2/Keap1抗氧化通路從而誘導腫瘤微環境中ROS的大量產生，抑制關鍵腫瘤信號轉導通路及誘導細胞程序性死亡等方式殺傷腫瘤細胞可能是一種潛在有效的抗腫瘤治療策略。

3 Nrf2與腦部疾病的關系

3.1在腦部疾病中Nrf2與腦鐵代謝的關系 腦部疾病常與腦鐵代謝紊亂和Nrf2水平改變有關[16-17]。腦鐵在腦內主要是以鐵蛋白的形式存在，在大腦的功能活動中起著重要作用。過量的游離鐵被稱為“有毒”鐵，可以和神經細胞內的H2O2反應生成ROS，引起一系列的級聯反應，進而引起神經細胞的病變甚至死亡。以往認為Nrf2僅僅參與神經細胞的氧化應激反應，現已證實它調控了眾多腦鐵相關蛋白的代謝活動。轉鐵蛋白受體1被認為是鐵入腦的主要通道[18]，入腦的鐵主要以鐵蛋白的形式存在，這種形式保證了神經細胞中鐵的穩定，同時也減少了不穩定的游離鐵即“有毒”鐵[19]，鐵泵蛋白是目前已知的能在神經細胞中輸出鐵的唯一蛋白。而轉鐵蛋白受體1、鐵蛋白及鐵泵蛋白的基因上游序列中都含有ARE保守序列，也就是說這3個基因都受Nrf2的調控，在腦鐵的攝入、儲存及輸出過程中都有著重要的調控作用。Nrf2作為一個潛在的調節腦鐵代謝的關鍵轉錄因子，可以防止腦鐵代謝紊亂，維持腦鐵的內環境穩態，與腦部疾病的發生有著密切聯系[16,20-21]。

3.2在神經退行性疾病(ND)中Nrf2與線粒體的關系 ND是由中樞神經組織慢性進行性變性引起的疾病總稱，減少氧化應激是延緩腦神經退行性病變的關鍵。神經細胞常依賴氧化磷酸化供能，而線粒體是細胞供能的主要場所，會產生大量的ROS。Nrf2通路會被ROS迅速激活，通過誘導超氧化物歧化酶和谷胱甘肽系列酶等的表達，維持細胞穩態，在調節線粒體功能方面起到了關鍵的調控作用[22-23]。

α-突觸核蛋白(SNCA)的積累是帕金森病病理表現之一，SNCA積累會降低線粒體最大呼吸能力，還可能引發ROS的持續積累[24]。研究表明，在SNCA積累的前期，Nrf2水平的升高能減弱SNCA誘導的氧化應激反應[25]，從而保護線粒體功能免受損傷。有報道稱，在腦缺血再灌注模型的細胞中存在線粒體腫大的現象，注射丙酮酸乙酯，腦組織Nrf2及其靶基因表達增強(抗氧化能力提高)，神經細胞的線粒體損傷減輕[26]。在阿爾茨海默病(AD)模型海馬組織中Nrf2的水平均降低，導致線粒體的轉錄翻譯水平下降。說明Nrf2在AD中具有調節線粒體表達的作用。而在亨廷頓病患者腦中，抗氧化蛋白水平升高[27]，表明Nrf2在亨廷頓病患者中處于激活狀態以應對線粒體氧化應激造成的損傷。綜上所述，Nrf2在調控線粒體方面有著重要作用。

4 Nrf2與其他氧化應激性疾病的關系

隨著Nrf2新作用研究的不斷深入，Nrf2不僅與腫瘤及腦部疾病有著密切關系，其在氧化應激性疾病中也都起到了關鍵作用。在動脈粥樣硬化(AS)的發展過程中，ROS誘導的氧化低密度脂蛋白的生成是加劇AS進程的關鍵，而Nrf2通過增加過氧化物酶的表達，阻止ROS誘導的氧化低密度脂蛋白的生成，減緩AS的進程，但Nrf2也可能會加速AS的發展[28-29]。有研究顯示，被敲除Nrf2且高膽固醇血癥載脂蛋白E缺失的小鼠，其斑塊減少并且血管壁彈性良好[30]。慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者主要是由于巨噬細胞吞噬能力減弱所致[31]。研究發現，上調Nrf2的表達，可調控MARCO基因的表達，從而增強巨噬細胞吞噬細菌的能力，有助于減輕炎癥反應，防止氧化應激所引起的肺功能下降，提高細菌清除能力，從而延緩COPD的進展[32]。

許多疾病的發病機制都和氧化應激有重要關系。一般氧化應激反應分為慢性和急性兩種，急性的氧化應激反應有心肌、肺等缺血再灌注損傷等，主要由于缺血再灌注部位短時間內產生了大量的ROS而引發的氧化應激。而慢性氧化應激反應則有腫瘤、ND、AS、COPD等，主要由于Nrf2的調控失常，機體氧化還原穩態紊亂，Nrf2在這些氧化應激性疾病中都起到了關鍵作用。

5 總結與展望

Nrf2像是一把雙刃劍，一方面，維持細胞的氧化還原平衡，對環境有毒物質進行解毒，抑制各種與氧化應激相關的疾病。另一方面，Nrf2也可能在腫瘤的生長、增殖、轉移及對化療藥物的耐受中發揮重要作用，同時也可能會加劇AS的發展，以及鎘所致的腎損傷等。很遺憾目前實驗室Nrf2激活劑有很多，但抑制劑都有缺陷，因此研發Nrf2抑制劑有著重要意義。