国际神经病学神经外科学杂志  2015, Vol. 42 Issue (2): 173-177

扩展功能

文章信息

齐倩倩, 吕佩源
核转录相关因子2—抗氧化反应元件信号通路在认知障碍相关疾病中的作用
国际神经病学神经外科学杂志, 2015, 42(2): 173-177
Disease Surveillance, 2015, 42(2): 173-177

文章历史

收稿日期：2014-12-29
修回日期：2015-04-08
引用本文 0
齐倩倩, 吕佩源. 核转录相关因子2—抗氧化反应元件信号通路在认知障碍相关疾病中的作用[J]. 国际神经病学神经外科学杂志, 2015, 42(2): 173-177.
核转录相关因子2—抗氧化反应元件信号通路在认知障碍相关疾病中的作用
齐倩倩1, 吕佩源1,2    
1. 河北医科大学研究生学院，河北省石家庄市 050017
2. 河北省人民医院神经内科，河北省石家庄市 050051
收稿日期: 2014-12-29; 修回日期: 2015-04-08
基金项目：河北省自然科学基金(H2013307046); 河北省重大医学科研课题项目(zd2013005).
作者简介: 齐倩倩(1989-)，女，在读硕士生，主要从事认知障碍相关研究。
通讯作者: 吕佩源(1962-)，男，医学博士，博士生导师，主任医师，教授，主要从事神经内科临床及血管性认知障碍研究工作。E-mail：peiyuanlu@163.com。
摘要：核转录相关因子2-抗氧化反应元件(Nr f2-ARE)信号通路是机体内最重要的抗氧化应激通路之一。近年来研究发现, 在血管性痴呆、阿尔兹海默病、帕金森病等认知障碍相关的疾病中, 机体可以通过激活Nrf2-ARE信号通路来增加内源性的抗氧化能力, 最终使认知功能得到改善。因此, 本文旨在对Nrf2-ARE信号通路的组成、调节及其与认知障碍相关疾病的关系作一综述。
关键词： 核转录相关因子2-抗氧化反应元件信号通路     氧化应激     认知障碍    

在许多神经系统疾病中，氧化应激都起了关键性的作用，如阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、亨廷顿病(Huntington’s disease,HD)、脑血管疾病等[1]。大脑组织含有大量的磷脂和多链不饱和脂肪酸，这些组织都易受活性氧自由基的损伤。氧化损伤后，细胞内蛋白质和脂质双分子层结构发生改变，影响神经元正常的生理过程及功能[2]，最终可导致认知功能下降。核转录相关因子2—抗氧化反应元件(Nrf2-ARE)信号通路在机体对抗氧化应激的过程中起了重要的作用。当细胞处于氧化应激状态时，Nrf2可以从Keap1解离，转移至细胞核，与它专一性配体Maf蛋白形成一个异源二聚体，最终激活了ARE依赖的基因表达，提高细胞应对氧化应激的能力，从而产生细胞保护作用。研究表明，调控Nrf2-ARE信号通路，可能成为预防和治疗认知障碍相关疾病的一个重要靶点。 1 Nrf2-ARE信号通路概述 1.1 核转录相关因子2

核转录相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的蛋白分子量为66 KD，它属于cap'n’ collar转录因子家族，其内包含有高度保守的亮氨酸拉链结构，它于1994年被Moi等[3]发现并命名。在正常生理情况下，Nrf2被泛素－蛋白酶系统泛素化，快速降解[4]。Nrf2由六大功能区组成，分别为Neh1～6[5]。Neh1结构域含有CNC型的亮氨酸拉链，该结构对于其与DNA结合和与其他转录因子之间的二聚化作用是必要的[6]。N-末端Neh2区含有7个赖氨酸残基，可以产生泛素共轭作用，并通过蛋白酶体介导的Nrf2降解作用，负性调节Nrf2活性。Neh2区也可以结合Keap1的Kelch结构域。C-末端Neh3对于募集解螺旋酶结合蛋白(CHD6)引起的Nrf2转录活性是不可缺少的[7 。Neh6结构域为Nrf2的氧化还原非敏感区，Nrf2在氧化应激状态下被降解时，Neh6起了重要作用[8]。Neh4和Neh5为两个独立反式激活域，它们富含酸性残基，并与CREB结合蛋白(CBP)相互作用,启动靶基因的转录过程[9]。 1.2 Nrf2-ARE调节的基因

抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE)是一种含有RTGACnnnGC保守序列的增强子元件，存在于二相解毒和抗氧化基因的5’侧翼区[10]。Nrf2通过它的DNA结构域与ARE结合[11]。Nrf2-ARE通路可以调节超过500多个基因的表达，主要包括I和II相解毒酶、运输蛋白、蛋白酶体亚基、分子伴侣、生长因子及它的受体，和一些其他转录因子。这些酶可以将许多有害物质转换为很容易排出体外的亲水性代谢物，使其解毒。另外，Nrf2也可以调节一些非抗氧化或解毒基因，如编码转运蛋白和控制细胞生长的基因[1]。 1.3 Nrf2-ARE信号通路的调节

Keap1是Nrf2介导的细胞防御反应的开关。它包含三个主要的结构域：N-端的BTB结构域、连接区和C-端的Kelch结构域。其中，Kelch结构域可以结合Nrf2的Neh2结构域[7]。生理条件下，Keap1阻止Nrf2的核移位，作为适配器蛋白结合E3蛋白酶，并通过泛素蛋白酶系统(UPS)促进Nrf2降解[11]。氧化应激时，Nrf2从Keap1解离，转移到胞核，在启动子处与ARE结合，诱导细胞保护和抗氧化酶基因的表达[1]。有研究提出的Keap1调节Nrf2-ARE的另外一个机制是铰链和闩锁模式[12]。

除了Keap1，其他机制也可以调节Nrf2-ARE通路。如在自噬不足和氧化应激情况下p62蛋白可以竞争性的与Keap1-Nrf2结合，提高Nrf2的稳定性和上调Nrf2靶基因[13]；CR6相互作用因子-1是一种ARE依赖基因的负性调节剂，可在Nrf2翻译后修饰阶段起作用。另外，Nrf2的磷酸化也可以调节Nrf2的活性，其上游激酶有PI3K、PKC、PERK、ERK、P38和JNK等[4]。不同蛋白激酶在Nrf2-ARE通路的作用取决于细胞类型[1]。 2 Nrf2-ARE信号通路与AD

AD是一种年龄相关的进行性神经退行性疾病，以记忆丧失、认知功能障碍为特征[14]。它的病理学标志主要包括由β纤维状淀粉样蛋白(Amyloid-β,Aβ)组成的老年斑和高度磷酸化的细胞骨架蛋白-tau蛋白组成的神经纤维缠结等[15]。大量证据表明AD大脑处于巨大的氧化应激状态下。与年龄匹配的对照组相比，发现AD大脑内存在蛋白氧化[14]。研究表明，Aβ沉积与记忆功能受损相关[16]。在体外，通过Nrf2的激活来调控细胞内源性抗氧化通路，对Aβ介导的毒性显示出了神经保护作用[17]。叔丁基对苯二酚(tBHQ)是一种典型的Nrf2的激活剂，在NT2N细胞系中已经证实了它可以减轻Aβ1-42分泌诱导的毒性[18]。Nrf2的另一种激活剂萝卜硫素也被证实在急性AD小鼠模型中改善了认知功能[19]。除此以外，在AD病人的海马神经元中，显示出了核Nrf2明显的减少。另外研究表明，向APP/PS1 AD小鼠模型的海马中定向注射慢性病毒转导的Nrf2可以改善空间学习能力[20]。引人注目的是，作为Nrf2-ARE通路调节的下游基因之一，线粒体过氧化氢酶可以显著减少APP(Tg2576)转基因小鼠的整个APP长度和C-端碎片99，使可溶与不可溶Aβ水平下降，延长寿命，改善工作记忆[21]。以上研究表明，Nrf2-ARE信号通路在AD的发生发展中起了重要的作用。 3 Nrf2-ARE信号通路与PD

PD是一种进行性的神经退行性疾病[14]。尽管PD的主要特点为运动障碍，但它也可以引起认知、精神、植物神经和感觉障碍。PD的病理学特征是路易小体(Lewy body,LB)在脑干儿茶酚胺神经元(黑质和蓝斑)的聚集[22]。LB由α-突触核蛋白(α-synuclein,α-Syn)聚集形成[11]。α-Syn在聚集形成路易小体的同时，也会导致行为和认知功能损害[23]。氧化的α-Syn更容易形成有毒聚集体，有文献报道，氧化的谷胱甘肽可以刺激α-Syn的淀粉样形成[11]。研究表明，激活Nrf2-ARE通路可以对抗α-Syn的毒性形式。在SK-N-SH神经母细胞瘤细胞中，亚铁通过抑制Nrf2-ARE 通路增加α-Syn的聚集[24]。α-Syn聚集加剧亚铁离子诱导的氧化损伤、线粒体损害和凋亡。Nrf2下游基因HO-1的过度表达可以逆转这种毒性[11]。在神经元人类Syn 变异的 A53T过度表达的小鼠模型中，星形胶质细胞Nrf2的过度表达可以减少α-Syn在中枢神经系统的聚集[25]。也有研究证明了含有特殊的Nrf2过度表达的星形胶质细胞的小鼠(GFAP-Nrf2)完全地逆转了黑质多巴胺能神经元和纹状体末端的缺失[14]。这些研究都强烈地支持这一观点，即在PD中，调节Nrf2-ARE信号通路可以对神经元提供保护作用，进而改善认知功能。 4 Nrf2-ARE信号通路与VD

血管性痴呆(vascular dementia,VD)是由脑血管疾病引起的，这些脑血管疾病可以直接或者间接的损害与认知功能相关的脑结构[26]。慢性脑缺血(chronic cerebral ischemia,CCH)相关的氧化应激损伤被认为在认知障碍的发展中起了重要的作用[27]。Sayan-Ozacmak等[28]在大鼠双侧颈总动脉结扎(bilateral common carotid artery occlusion,BCCAO)模型中，确实观察到了认知下降和氧化应激。研究证实Nrf2-ARE信号通路对于神经元抵抗脑缺血所致的氧化损伤很重要[29]。Ying等[27]在BCCAO所致的CCH大鼠模型中，观察到了认知的损害和Nrf2-ARE结合活性的下降。另外，Jin等[30]研究发现，在BCCAO所致的大鼠VD模型中，脂氧素A4可以通过激活Nrf2来改善大鼠的认知功能。根据上述研究，我们可以认为Nrf2-ARE信号通路参与了VD的发展进程。 5 Nrf2-ARE信号通路与HD

HD是一种常染色体显型遗传的神经变性病[11]。它由亨廷顿(Htt)基因内部多聚谷氨酰胺的扩展片段所致，这种基因可以翻译为具有毒性的变异HTT(mHTT)蛋白[31]。研究发现，Nrf2-ARE信号通路激活可以对抗mHtt的毒性[32]。在初级纹状体神经细胞中，Nrf2与mHtt共转染可以缩短mHttN-末端片段的平均寿命，改善神经细胞活力[33]。HD的病理学特征是新纹状体和大脑皮质的变性，这被认为是导致运动障碍、认知下降和精神症状的基础。Nrf2的抑制剂3-硝基丙酸(3-NP)和丙二酸盐复合物可以使纹状体棘神经元变性，这种变性是HD中观察到的特有的特征[14]。研究已经证实，过度表达Nrf2的星形胶质细胞的移植或者化学激活Nrf2，可以分别保护3-NP和丙二酸盐诱导的纹状体损伤[34, 35]。除此以外，在体内和体外实验中，胱胺(一种Nrf2-ARE激活剂)可以为3-NP毒性模型提供保护作用[36]。研究发现，合成的三萜系化合物可以激活Nrf2，保护啮齿类动物对抗3-NP介导的纹状体损伤，另外它还可以对抗3-NP介导的DNA增加和蛋白氧化、脂质过氧化和谷胱甘肽稳态的破坏[37]。最近，给HD的YAC12模型小鼠口服Nrf2-ARE的激活剂富马酸二甲酯(DMF)，YAC12小鼠显示了神经元内Nrf2的增加，运动功能和运动皮质与纹状体神经元的显著改善[38]。以上研究提示，Nrf2-ARE信号通路在HD中扮演了重要的角色。 6 结语

多种疾病都可引起认知功能障碍，给家庭、社会带来了沉重的负担。因此，认知障碍相关疾病的发病机制与治疗方法，也成为了神经科学的研究焦点。综上所述，Nrf2-ARE信号通路在许多认知障碍相关疾病的发生发展中都起了重要作用，通过提高神经细胞应对氧化应激的能力，产生神经元细胞保护作用，进而改善认知功能。因此，Nrf2-ARE信号通路和它的下游基因可能成为认知障碍相关疾病治疗的一个新的靶点。

参考文献
[1] Kumar H, Kim IS, More SV, et al. Natural product-derived pharmacological modulators of Nrf2/ARE pathway for chronic diseases. Nat Prod Rep, 2014, 31(1): 109-139.
[2] 李政, 徐运.帕金森病病因及发病机制的进展研究.国际神经病学神经外科学杂志, 2014, 41(4): 345-348.
[3] Bock KW. Ah receptor- and Nrf2-gene battery members: modulators of quinone-mediated oxidative and endoplasmic reticulum stress. Biochem Pharmacol, 2012, 83(7): 833-838.
[4] McMahon M, Thomas N, Itoh K, et al. Dimerization of substrate adaptors can facilitate cullin-mediated ubiquitylation of proteins by a "tethering" mechanism: a two-site interaction model for the Nrf2-Keap1 complex. J Biol Chem, 2006, 281(34): 24756-24768.
[5] Baird L, Dinkova-Kostova AT. The cytoprotective role of the Keap1-Nrf2 pathway. Arch Toxicol, 2011, 85(4): 241-272.
[6] Nioi P, Nguyen T, Sherratt PJ, et al. The carboxy-terminal Neh3 domain of Nrf2 is required for transcriptional activation. Mol Cell Biol, 2005, 25(24): 10895-10906.
[7] Zhang DD. Mechanistic studies of the Nrf2-Keap1 signaling pathway. Drug Metab Rev, 2006, 38(4): 769-789.
[8] McMahon M, Thomas N, Itoh K, et al. Redox-regulated turnover of Nrf2 is determined by at least two separate protein domains, the redox-sensitive Neh2 degron and the redox-insensitive Neh6 degron. J Biol Chem, 2004, 279(30): 31556-31567.
[9] Katoh Y, Itoh K, Yoshida E, et al. Two domains of Nrf2 cooperatively bind CBP, a CREB binding protein, and synergistically activate transcription. Genes Cells, 2001, 6(10): 857-868.
[10] Rushmore TH, Morton MR, Pickett CB. The antioxidant responsive element.Activation by oxidative stress and identification of the DNA consensus sequence required for functional activity. J Biol Chem, 1991, 266(18): 11632-11639.
[11] Gan L, Johnson JA. Oxidative damage and the Nrf2-ARE pathway in neurodegenerative diseases. Biochim Biophys Acta, 2014, 1842(8): 1208-1218.
[12] Tong KI, Kobayashi A, Katsuoka F, et al. Two-site substrate recognition model for the Keap1-Nrf2 system: a hinge and latch mechanism. Biol Chem, 2006, 387(10-11): 1311-1320.
[13] Komatsu M, Kurokawa H, Waguri S, et al. The selective autophagy substrate p62 activates the stress responsive transcription factor Nrf2 through inactivation of Keap1. Nat Cell Biol, 2010, 12(3): 213-223.
[14] Joshi G, Johnson JA. The Nrf2-ARE pathway: a valuable therapeutic target for the treatment of neurodegenerative diseases. Recent Pat CNS Drug Discov, 2012, 7(3): 218-229.
[15] Van Uden E, Sagara Y, Van Uden J, et al. A protective role of the low density lipoprotein receptor-related protein against amyloid beta-protein toxicity. J Biol Chem, 2000, 275(39): 30525-30530.
[16] Soejima N, Ohyagi Y, Nakamura N, et al. Intracellular accumulation of toxic turn amyloid-beta is associated with endoplasmic reticulum stress in Alzheimer's disease. Curr Alzheimer Res, 2013, 10(1): 11-20.
[17] Kanninen K, Malm TM, Jyrkkanen HK, et al. Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 protects against beta amyloid. Mol Cell Neurosci, 2008, 39(3): 302-313.
[18] Nouhi F, Tusi SK, Abdi A, et al. Dietary supplementation with tBHQ, an Nrf2 stabilizer molecule, confers neuroprotection against apoptosis in amyloid beta-injected rat. Neurochem Res, 2011, 36(5): 870-878.
[19] Kim HV, Kim HY, Ehrlich HY, et al. Amelioration of Alzheimer's disease by neuroprotective effect of sulforaphane in animal model. Amyloid, 2013, 20(1): 7-12.
[20] Kanninen K, Heikkinen R, Malm T, et al. Intrahippocampal injection of a lentiviral vector expressing Nrf2 improves spatial learning in a mouse model of Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009, 106(38): 16505-16510.
[21] Mao P, Manczak M, Calkins MJ, et al. Mitochondria-targeted catalase reduces abnormal APP processing, amyloid beta production and BACE1 in a mouse model of Alzheimer's disease: implications for neuroprotection and lifespan extension. Hum Mol Genet, 2012, 21(13): 2973-2990.
[22] Sonnen JA, Postupna N, Larson EB, et al. Pathologic correlates of dementia in individuals with Lewy body disease. Brain Pathol, 2010, 20(3): 654-659.
[23] Caviness JN, Lue L, Adler CH, et al. Parkinson's disease dementia and potential therapeutic strategies. CNS Neurosci Ther, 2011, 17(1): 32-44.
[24] He Q, Song N, Jia F, et al. Role of alpha-synuclein aggregation and the nuclear factor E2-related factor 2/heme oxygenase-1 pathway in iron-induced neurotoxicity. Int J Biochem Cell Biol, 2013, 45(6): 1019-1030.
[25] Gan L, Vargas MR, Johnson DA, et al. Astrocyte-specific overexpression of Nrf2 delays motor pathology and synuclein aggregation throughout the CNS in the alpha-synuclein mutant (A53T) mouse model. J Neurosci, 2012, 32(49): 17775-17787.
[26] Roh JH, Lee JH. Recent updates on subcortical ischemic vascular dementia. J Stroke, 2014, 16(1): 18-26.
[27] Yang Y, Zhang J, Liu H, et al. Change of Nrf2 expression in rat hippocampus in a model of chronic cerebral hypoperfusion. Int J Neurosci, 2014, 124(8): 577-584.
[28] Sayan-Ozacmak H, Ozacmak VH, Barut F, et al. Rosiglitazone treatment reduces hippocampal neuronal damage possibly through alleviating oxidative stress in chronic cerebral hypoperfusion. Neurochem Int, 2012, 61(3): 287-290.
[29] Peng B, Zhao P, Lu YP, et al. Z-ligustilide activates the Nrf2/HO-1 pathway and protects against cerebral ischemia-reperfusion injury in vivo and in vitro. Brain Res, 2013, 1520: 168-177.
[30] Jin W, Jia Y, Huang L, et al. Lipoxin A4 methyl ester ameliorates cognitive deficits induced by chronic cerebral hypoperfusion through activating ERK/Nrf2 signaling pathway in rats. Pharmacol Biochem Behav, 2014, 124: 145-152.
[31] Godinho BM, Malhotra M, O'Driscoll CM, et al. Delivering a disease-modifying treatment for Huntington's disease. Drug Discov Today, 2015, 20(1): 50-64.
[32] Stack C, Ho D, Wille E, et al. Triterpenoids CDDO-ethyl amide and CDDO-trifluoroethyl amide improve the behavioral phenotype and brain pathology in a transgenic mouse model of Huntington's disease. Free Radic Biol Med, 2010, 49(2): 147-158.
[33] Tsvetkov AS, Arrasate M, Barmada S, et al. Proteostasis of polyglutamine varies among neurons and predicts neurodegeneration. Nat Chem Biol, 2013, 9(9): 586-592.
[34] Shih AY, Imbeault S, Barakauskas V, et al. Induction of the Nrf2-driven antioxidant response confers neuroprotection during mitochondrial stress in vivo. J Biol Chem, 2005, 280(24): 22925-22936.
[35] Calkins MJ, Jakel RJ, Johnson DA, et al. Protection from mitochondrial complex II inhibition in vitro and in vivo by Nrf2-mediated transcription. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005, 102(1): 244-249.
[36] Calkins MJ, Townsend JA, Johnson DA, et al. Cystamine protects from 3-nitropropionic acid lesioning via induction of nf-e2 related factor 2 mediated transcription. Exp Neurol, 2010, 224(1): 307-317.
[37] Yang L, Calingasan NY, Thomas B, et al. Neuroprotective effects of the triterpenoid, CDDO methyl amide, a potent inducer of Nrf2-mediated transcription. PLoS One, 2009, 4(6): e5757.
[38] Ellrichmann G, Petrasch-Parwez E, Lee DH, et al. Efficacy of fumaric acid esters in the R6/2 and YAC128 models of Huntington's disease. PLoS One, 2011, 6(1): e16172.
核转录相关因子2—抗氧化反应元件信号通路在认知障碍相关疾病中的作用
齐倩倩, 吕佩源