Nrf2信號通路作為蝦青素治療新靶點的研究進展

商冠華 田春梅

濱州醫學院附屬醫院兒科，濱州 256600

蝦青素（3，3'-二羥基-4，4'-二酮基-β，β'-胡蘿卜素）隸屬于葉黃素亞類，是一種紅橙色脂溶性酮式類胡蘿卜素，因其抗氧化活性而備受關注。在自然界中，它主要由藻類（如雨紅球菌）、酵母菌（如樹葉黃菌）和細菌（如胡蘿卜素副球菌）產生。其也大量存在于海洋動物中，如鮭魚、鱒魚、蝦、螃蟹［1-2］。在類胡蘿卜素中，與角黃素、葉黃素、玉米黃素和β-胡蘿卜素相比，蝦青素具有更強的抗氧化特性［2］。此外，蝦青素還具有多種生物活性，如抗炎、抗腫瘤、抗凋亡、抗脂質過氧化、抗血栓形成和神經保護等。該萜類化合物被廣泛應用于各種實驗研究中，抑制各種疾病狀態所涉及的病理生理過程。有研究表明，蝦青素對糖尿病、心血管疾病、神經退行性疾病、肝臟和腎臟疾病等都有一定治療作用，盡管蝦青素的具體分子機制仍未被完全揭示，但核因子E2 相關因子2（nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）信號通路已被證實具備顯著的生物學功效，調節氧化還原穩態以及細胞解毒相關基因的表達［3-4］。因此，Nrf2 信號通路可能轉化為各種疾病治療的新靶點［5］。

Nrf2 信號通路主要是指Kelch 樣ECH 相關蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）-Nrf2/抗氧化反應元件（antioxidant response element，ARE）信號通路，由于可以抵御自然界氧化、機體衰老以及其他損傷所引起的氧化應激，被認為是重要的自身抗氧化應激通路［6］。此外，Nrf2 信號通路還與許多氧化應激相關的疾病有一定聯系，如心血管疾病、阿爾茨海默病、帕金森病、糖尿病等。本文就蝦青素激活Nrf2信號通路在各種疾病的作用作一綜述。

Keap1-Nrf2/ARE信號通路的基本結構

1.Nrf2的結構

Nrf2 是一個分子量為66 kDa 的蛋白，被歸類到Cap-n-Collar 調節蛋白族，因具有高度保守的堿性區-亮氨酸拉鏈結構（basic leucine zipper，bZip），Nrf2 也是一種特殊轉錄因子［7］。Nrf2蛋白由605個氨基酸殘基構成，其功能主要表達在7 個功能結構域（Neh1～7）上，這些結構域各自具備獨特性，從而發揮出不同的功能［8］。Neh1～7 結構域：⑴Neh1 結構域由高度保守的堿性區-亮氨酸拉鏈區域組成，該區域與小肌肉腱膜纖維肉瘤蛋白形成二聚體并結合到ARE 上，這是一個在許多基因的啟動子區域發現的順式作用增強子序列，會啟動Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶的基因表達［9-11］。⑵Neh2 區是一個負調控結構域，它包含高親和性ETGE 結合位點和低親和性DLG 結合位點，是Nrf2 的主要胞內調節因子Keap1 的結合位點。ETGE 和DLG 之間的7個賴氨酸殘基隨后成為Keap1介導的泛素化作用靶點，進而導致Nrf2的蛋白酶體降解［12-14］。⑶Neh3結構域是一個反式激活域，它招募轉錄共激活因子染色質域解旋酶DNA 結合蛋白6（chromo-ATPase/helicase DNA-binding protein 6，CHD6），CHD6 負責與ARE 基因的反式激活［12，15］。⑷Neh4 和Neh5 也作為反式激活域，通過與cAMP 反應元件結合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）和轉錄激活因子BRG1（Brahma-related gene-1）的相互作用，進而啟動了相關基因的轉錄［9，16］。⑸Neh6 是一個富含絲氨酸的結構域，在Keap1 獨立調控Nrf2 中發揮重要作用，它負向調節了Nrf2 的穩定性［17-18］。⑹Neh7 結構域通過與視黃素X受體α（retinoid X receptor α，RXRα）相互作用，參與了Nrf2轉錄活性的負調控［13，19］。

2.Keap1的結構

Keap1 是一個69 kDa 的富含半胱氨酸的阻遏蛋白，屬于Kelch家族。由5個結構域組成：⑴N末端區域（NTR區）。⑵BTB 二聚結構域，參與了Cul3-Rbx1-ligase 復合體的形成和Keap1 的同二聚化，在Nrf2 的泛素化及蛋白酶體降解中發揮關鍵作用［20］。⑶IVR 區，由易氧化的高活性半胱氨酸殘基（如Cys273、Cys288 和Cys297）組成，其中Cys273 和Cys288 能夠抑制Keap1 的活性，在發生氧化應激時，Cys273 和Cys288 能夠阻斷Keap1 與Cul3 E3 泛素連接酶和Nrf2的相互作用，實現了Keap1的完全分離［21-22］。⑷DGR結構域由6個重復的Kelch結構組成，與Nrf2的N端Neh2結構域結合，抑制了Nrf2的活性。⑸C末端區域（CTR）。

3.ARE的結構

ARE 被定義為一個順式作用的DNA 增強子基序，是機體重要的抗氧化反應元件。該特異性序列的DNA 片段啟動序列中含有許多Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶，并且能被多種氧化性和親電子化合物所激活。有研究表明，Nrf2 與ARE結合調控了重要抗氧化酶及Ⅱ相解毒酶的轉錄激活，如NAD（P）H：醌氧化還原酶1［NAD（P）H：quinone oxidoreductase 1，NQO1］、超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）、谷胱甘肽過氧化物 酶（glutathione peroxidase，GPx）、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽轉移酶（glutathione S-transferase，GST）、血紅素氧合酶1（heme oxygenase-1，HO-1），進而保護機體組織細胞的正常功能［17，23］。

4.Keap1-Nrf2/ARE信號通路的抗氧化應激作用

Nrf2-Keap1-ARE 信號通路作為氧化應激的關鍵信號傳導途徑，可以有效地調節機體的氧化應激反應。機體在正常情況下，Nrf2蛋白通過ETGE 和DLG 位點與Keap1蛋白的DGR 區域相結合，從而將其固定到細胞內，激活Cul3-Rbx1-ligase 復合體的形成與Nrf2蛋白的泛素化，并被蛋白酶降解，使Nrf2 處于失活狀態［24］。當機體受到活性氧（reactive oxygen species，ROS）或其他外界因素刺激后，Nrf2 會與Keap1 發生解離，進而活化后的Nrf2 蛋白會轉入細胞核中，與小肌肉腱膜纖維肉瘤蛋白形成二聚體并結合到抗氧化反應元件上，并調控了重要的Ⅱ相解毒酶、抗氧化酶基因的轉錄激活，從而發揮抗氧化損傷的作用［25］。

蝦青素介導Nrf2信號通路在各種疾病中的保護作用

1.抗糖尿病作用

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病，蝦青素具有抗氧化應激、抗炎、神經保護作用，已被用于治療糖尿病及其并發癥［26］。Chen 等［3］證實了在妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）小鼠中，蝦青素能夠通過激活SOD、GPx 和過氧化氫酶（catalase，CAT）等抗氧化酶，恢復Nrf2/Keap1信號通路，緩解GDM 癥狀，改善GDM 小鼠的葡萄糖耐受不良、β 細胞功能及生殖結局。Xie 等［27］研究表明，采用蝦青素治療減輕了鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠代謝參數、腎臟形態和細胞外基質積累。高糖誘導自適應激活的Nrf2/ARE 信號通路，增加腎小球系膜細胞中纖維連接蛋白、細胞間粘附分子-1 和轉化生長因子-β1 的表達，增加細胞內ROS 的生成。而蝦青素促進Nrf2 的核轉位和轉錄活性，上調了SOD1、NQO1 和HO-1 的表達，最終抑制較高水平的ROS，抑制纖維連接蛋白，從而緩解糖尿病腎病的病理進展。Chen 等［4］同樣報道了蝦青素通過促進Nrf2 信號通路，減輕糖尿病小鼠腎小球系膜細胞中高血糖誘導的氧化應激以及腎臟形態和生理的改變。

2.腎臟保護作用

Liu 等［28］報道了在阿奇霉素介導的局灶節段性腎小球硬化小鼠模型中，蝦青素治療的小鼠在腎功能參數以及腎小球和間質纖維化方面有顯著改善。蝦青素通過促進Nrf2的表達，抑制腎核苷結合寡聚結構域樣受體蛋白3炎性小體的激活，發揮抗炎和抗氧化作用，從而減少腎小球硬化和間質纖維化，改善腎功能。

Qiu 等［29］證明了蝦青素可通過清除自由基對缺血再灌注誘導的急性腎損傷小鼠進行有效保護，它主要通過Nrf2 信號通路降低腎組織的氧化應激和炎癥反應。蝦青素預處理后的腎臟SOD 和丙二醛水平降低，表明蝦青素在缺血再灌注損傷后具有較強的自由基清除活性，可通過清除自由基來緩解腎小管壞死、凋亡和炎癥反應，從而保存腎功能和腎的微結構。

3.肝臟保護作用

Yang 等［30］注意到，雄性肥胖小鼠補充蝦青素12 周后，肝臟中的Nrf2 及抗氧化酶（如SOD 和GPx）的轉錄水平升高，從而提高了肝臟內源性抗氧化基因表達。從載脂蛋白E敲除小鼠2/2的研究中發現，蝦青素可以通過增加Nrf2及其目標抗氧化基因的表達來減輕肝臟中的氧化應激［31］。

El-Baz 等［32］研究了富含蝦青素的雨生紅球藻對D-半乳糖（D-galactose，D-Gal）致衰老大鼠肝臟的改善作用。注射D-Gal［200 mg/（kg·d）］后，肝臟氧化應激標志物CAT、GST 和髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）水平均升高，Nrf2 表達水平降低。同時，D-Gal 通過誘導核因子κB 增加炎癥細胞因子（如白細胞介素6）水平。蝦青素可通過刺激Nrf2/Keap 信號通路，恢復CAT、GST、MPO 水平，降低白細胞介素6、誘導核因子κB 水平，從而改善D-Gal 誘導大鼠衰老相關的肝臟變化，具有良好的抗衰老作用。

4.心血管保護作用

Xue 等［33］證明了蝦青素可降低冠狀動脈微栓塞誘導的心功能障礙、心肌梗死的發生及心肌細胞凋亡。蝦青素通過重新激活Nrf2/HO-1 信號通路抑制冠狀動脈微栓塞誘導的氧化應激，而HO-1抑制劑鋅原卟啉Ⅸ完全消除了蝦青素在CEM 中的益處，表明了蝦青素通過Nrf2/HO-1 通路抑制氧化應激調節大鼠冠狀動脈微栓塞后的心肌細胞凋亡，從而改善心臟功能障礙。有研究顯示，蝦青素通過線粒體介導的凋亡和Nrf2 通路的激活，對赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）誘導的心肌損傷具有保護作用［34］。OTA 組小鼠心肌Keap1蛋白表達增加，心肌組織中總Nrf2和HO-1蛋白表達減少。因此，OTA 抑制Keap-1/Nrf2 通路的激活，而蝦青素可上調心肌組織中總Nrf2 和HO-1 蛋白表達，降低Keap-1 蛋白表達，這減少了由OTA 引起的氧化應激，從而保護心臟免受氧化應激誘導的心肌細胞凋亡［34］。

5.肺保護作用

慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）主要是長期吸入有害氣體（如香煙煙霧）而引起，香煙煙霧含有許多有害物質，如氧化劑（自由基、過氧化氫等）。根據相關研究表明，COPD的病因是氧化-抗氧化失衡和蛋白酶-抗蛋白酶失衡所致，其中，氧化應激是COPD 發病的重要因素［35-36］。Kubo 等［37］研究表明，在COPD 小鼠模型中，攝入蝦青素可通過激活肺內Nrf2-ARE 信號通路，引起Nrf2 及HO-1 的表達水平升高，還可減少支氣管肺泡灌洗液炎癥細胞數量，改善肺氣腫。因此，針對激活Nrf2-ARE 通路的治療，使用蝦青素可能是減輕COPD 發病機制中氧化應激一種新的預防和治療策略。

6.神經保護作用

蝦青素可以減輕大鼠腦損傷，從而起到保護大腦的作用。Zhang等［38］研究表明了在蛛網膜下腔出血模型中，注射蝦青素可明顯減輕蛛網膜下腔出血后的早期腦損傷，通過抑制氧化應激，減輕腦水腫及血腦屏障破壞程度，減少神經細胞凋亡，并改善神經功能。

Wu 等［39］再次證實了蝦青素在蛛網膜下腔出血后24 h激活了Nrf2-ARE 通路，上調Nrf2 蛋白表達水平，激活抗氧化反應基因，從而調控Ⅱ相解毒酶、抗氧化應激酶的表達，使蛛網膜下腔出血引起的皮質氧化損傷減輕，并進一步減輕了大鼠早期腦損傷程度。

結論

綜上所述，Nrf2 信號通路通過減少氧化應激和炎癥反應，在改善各種疾病進展中發揮了關鍵作用。靶向Nrf2 信號通路在治療各種疾病中具有潛在的優勢，該通路是細胞抗氧化應激的主要調節因子，其調節了細胞氧化還原穩態以及細胞解毒相關的基因表達。

蝦青素是一種天然存在的β-胡蘿卜素，因具有強大的抗氧化活性而聞名，具有抗氧化、抗炎、神經保護等多種生物活性作用。其中，蝦青素主要通過激活Nrf2 信號通路來發揮其強大的抗氧化及抗炎作用。本文綜述了蝦青素激活Nrf2 通路的作用機制及其在各種疾病中的保護作用，但仍沒有具體數據表明蝦青素可以在人體體內通過調節Nrf2信號通路來發揮作用，這需要我們進一步去研究和探討。根據以往在動物模型的研究數據表明，Nrf2 信號通路很有可能作為蝦青素治療各種疾病的新靶點，蝦青素可能成為一種有前途的治療藥物，通過其抗氧化應激及抗炎在各種疾病中發揮作用［3-5］。而這就需要我們設計更多良好的臨床試驗來研究蝦青素是否可以在人體體內通過調節Nrf2信號通路來發揮作用，并對以過度氧化應激和炎癥為特征的疾病具有一定治療作用。

作者貢獻聲明商冠華：醞釀和設計試驗，實施研究，采集數據，分析/解釋數據，起草文章；田春梅：對文章的知識性內容作批評性審閱，獲取研究經費，行政、技術或材料支持，指導，支持性貢獻