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Nrf2调控抗氧化酶与慢性阻塞性肺疾病

2022-05-23 来源:步旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com ・120・ 国际内科学杂志2008年2月第35卷第2期 Nrf2调控抗氧化酶与慢性阻塞性肺疾病 王梅芳 综述; 戴爱国 ,胡瑞成 审校 摘要:氧化/抗氧化失衡是慢性阻塞性肺疾病(COPD)的主要发病饥制之一。 一谷氨酰半胱氨酸合酶 是肺内重要的抗氧化酶。核因子相关因子一2(Nrf2)是上凋抗氧化基因表达的关键性转录因子,而BTB— CNC异体同源体1(Bach1)是与Nrf2竞争下调抗氧化基因表达的主要因子。本文综述了调控抗氧化酶 转录因子的作用及机制,尤其是氧化应激时Nrf2、Bachl调节靶基因转录的分子机制,对认识COPD的发 病和治疗有重要意义。 关键词:核冈子相关因子一2; BTB—CNC异体同源体1; 慢件阻塞性肺疾病 中图分类号:R563.3 文献标识码:A文章编号:1004—2369(2008)02-0120-04 The regulation of antioxidase by Nrf2 and chronic obstructive pulmonary disease WANG Mei—fang , DAI Ai—guo ,HU Rui—cheng .1 Depaflment of Respiratory Disease Research,Hunan Institute of Gerontology, Hunan Geriatirc Hospital,Changsha 410001;2 Nanhua UniversitY,Hengyang 421001,China Abstract:Oxidative stress is one of the major factors in the pathogenesis of chronic obstructive pulmonayr dis— ease(COPD) 一glutam)rl cysteine synthetase( 一GCS)is an important antioxidase in the lung.NF—E2一related factor 2(Nrf2)plays a key role in up—regulation of antioxidant enzymes gene expression,while BTB—CNC ho— moloyg 1(Bach1)competes with it to down—regulate antioxidase.We here reviewed most of the transcription factors that regulate antioxidases,especialbr the molecular mechanism of Nrf2 and Bachl regulating target genes’transcription in the oxidative stress state,which play a key role in the pathogenesis and therapeutics of C0PD. Key words:NF—E2一related factor 2;BTB—CNC homology 1:Chronic obsturctive pulmonary disease (Int J Intern Med,2008,35:120—123) 吸烟是慢性阻塞性肺疾病(COPD)的主要致病 分子,导致细胞膜受体和酶失活,细胞膜功能受损, 因素。香烟烟雾中含有大量的氧化剂和亲电子体, 渗透性增加,多组织损伤。脂质过氧化物介导生物 吸人体内将导致氧化/抗氧化失衡。氧化应激启动 活性分子如4一hydroxy一2一nonenal(4.HNE)及丙烯醛 机体防御反应,^y一谷氨酰半胱氨酸合酶(^y—GCS)是 (Acrolein)等的生成。4一HNE及丙烯醛是活性醛类 体内重要的抗氧化酶。核因子相关因子.2(Nrf2)在 的代表,对亮氨酸、组氨酸、赖氨酸残基有很高的亲 此过程中起关键性的作用。 合力,能结合细胞内外蛋白质如组蛋白脱乙酰基酶 1 COPD与氧化应激 (HDAC).2、胶原蛋白、纤维连接蛋白等,使这些蛋 COPD是一种慢性进展的气道炎症性疾病,患 白质功能发生改变而影响细胞的功能¨’ 。同时 者肺组织内氧化剂持续增长,氧化/抗氧化失衡,出 ROS通过蛋白质硝化作用诱导组织损伤:NO与O主 现氧化应激。氧化剂刺激肺泡巨噬细胞释放一系列 发生反应生成过氧亚硝酸盐阴离子(ONOO ),使酪 的炎症介质趋化中性粒细胞及其它炎症细胞在肺组 氨酸硝化。HDAC失活,影响酶的活性¨ ;ONOO 还 织聚集;肺泡巨噬细胞、中性粒细胞通过还原型烟酰 抑制肺泡表面活性物质的生成,诱导脂质过氧化反 胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPtt)系统等产生活性 应,改变酪氨酸和丝裂酶原活化蛋白激酶活性,损伤 氧(ROS)。此外。研究还发现吸烟者及COPD急性 肺上皮细胞。此外ROS还诱导花生四烯酸磷脂降 加重期患者循环中的中性粒细胞也释放Oi。这些 解生成前炎症因子,它们促进炎性介质的释放,增强 内源性ROS的释放进一步加重了COPD患者的氧 单核细胞、中性粒细胞与内皮细胞间的相互作用,在 化剂负荷。ROS氧化细胞膜磷脂产生脂质过氧化 慢性炎症性疾病中起重要作用。总之,氧化应激是 收稿日期:2007-084)6:修回日期:2007—12—30 作者单位:1湖南省老年医院一湖南省老年医学研究所呼吸疾病研究室,湖南 长沙410001;2南华大学,湖南 衡阳421001 维普资讯 http://www.cqvip.com 国际内科学杂志2008年2月第35卷第2期 COPD重要的发病机制。 2肺内重要的抗氧化酶 2.1^y—GCS ^y.GCS是体内还原型谷胱甘肽(GSH)合成的限 速酶,是一个由催化亚基(GCLC)和调节亚基 (GCLM)组成的二聚体。GCLC具有全酶的催化功 能。GCLM无催化活性,但对GCLC的活性起调节 作用。正常情况下不同组织GCLC与全酶(GCL)比 例保持一定,在肺组织中大约为3.5:1。GCI C与 GCLM在转录水平具有相似的调节机制。不同的氧 化剂通过不同的途径激活转录因子如Nrf2,从而上 调GCLC mRNA与GCLM mRNA的表达;组织细胞 中GCLC mRNA与GCLM mRNA比例减少,导致 GCLC与GCL全酶比例下调,增加^y—GCS的含量和 活性,促进GSH的合成,增强组织细胞抗氧化的能 力 。 2.2其它抗氧化酶 血红素加氧酶.1(HO一1)、谷胱甘肽过氧物酶 (GPx)、过氧化氢酶(Catalase)、硫氧还蛋白(Thiore— doxin)、超氧化物歧化酶(SOD)等也是肺内重要的 抗氧化酶。目前对它们研究比较透彻,它们在转录 水平也受Nrf2的调控,在此不再赘述。 3上调抗氧化酶的转录因子 3.1 Nrfl 一种内质网质膜蛋白,依赖其N.末端跨膜结构 域定位于细胞质。成纤维细胞Nrfl缺失分析表明 Nrfl参与氧化应激反应。Wang等 研究表明内质 网应激时Nrfl被释放出来,转位至胞核,介导抗氧 化酶基因表达。但是,Nrfl抗氧化应激能力较Nrf2 弱。目前内质网应激时Nrfl激活的分子机制及内 质网应激与氧化应激的关系尚不清楚。 3.2 Nrf2 Nrf2有6个高度保守的结构域Neh1.Neh6 (Nrf2一ECH同源物)。Nrf2 C.末端的Neh1结构域 是小Maf蛋白形成二聚体及与ARE结合上调抗氧 化基因表达的部位,N.末端有高度保守的Neh2结 构域是抑制性蛋白Keap1(Kelch.1ike ECH.associated protein 1)识别介导Nrf2的泛素化及26S蛋白酶体 对其降解的部位。NeM和Neh5是cAMP反应结合 蛋白(CREB)结合蛋白(CBP)的结合部位 。大量 研究表明Nrf2在抗氧化基因的基础表达及诱导性 表达中起关键性的作用 。 3.2.1 Nrf2调节靶基因转录的分子机制:Nrf2调节 靶基因的转录活性主要依赖于三个环节:Nrf2蛋白 ・l2l・ 含量的增加、核转位及与DNA结合。Li等 的研 究表明柴油机废气微粒(DEP)刺激人支气管上皮细 胞株BEAS-2B细胞能增加Nrf2蛋白的含量,但不改 变Nrf2 mRNA的水平。我室前期研究也发现支气 管哮喘豚鼠肺组织中Nrf2蛋白含量增加,但Nrf2 mRNA却无明显变化 。这说明氧化应激对Nrf2 蛋白含量的调节主要发生于转录后。 3.2.2 Nrf2与Keapl:Keapl是一种降解Nrf2的E3 泛素连接酶。静息状况下Nrf2主要在胞液中进行 依赖Keapl的泛素化降解,半衰期很短。Keapl有4 个结构域:BTB、插人区(IVR)或连接区,双甘氨酸 重复区(DGR),羧基末端区(CTR)。BTB与Keap1 二聚化有关;DGR、CTR(Keap1.DC)是与Nrf2 Neh2 结构域ETGE、DLG模体识别结合的部位;IVR是一 些高度保守的氨基酸序列,呈 螺旋结构。Neh2富 含赖氨酸,ETGE与Keapl的亲合力高,DLG与 Keap1的亲合力低。研究表明Keapl是一个双功能 蛋白;一方面是cu13依赖性E3泛素连接酶的适配 底物,另一方面是氧化应激的感受器。内环境稳定 时,ETGE、DLG交叉识别Keap1.DC,暴露Nrf2 Neh2 特定的赖氨酸残基,促进Nrf2泛素化… 。蛋白酶 体对蛋白质降解关键的一步是泛素化,底物蛋白质 上的赖氨酸残基的空间构象是泛素在泛素结合酶及 底物蛋白质上转移的关键。氧化应激或亲电子应激 时IVR中特定的半胱氨酸残基(Cys273、Cys288)被 活化,Keapl的构象发生改变,低亲合力的DLG与 Keap1分离,Nrf2的泛素化受到抑制,新合成的Nrf2 逃脱依赖Keapl的泛素化降解。。“ ,从而导致Nrf2 蛋白含量的升高。也有研究表明氧化应激通过磷酸 化Nrf2或改变Keapl空间构象导致Nrf2与Keap1 分离。总之,氧化应激时Nrf2主要进行不依赖 Keapl的降解,半衰期延长。 3.2.3 Nrf2调节靶基因转录活性的信号通路:近来 研究表明,Nrf2的核定位信号(NLS)和富含亮氨酸 的核输出信号(NES)之间的平衡调节Nrf2在细胞 中穿梭运动¨ 。氧化应激时这种平衡被破坏,信号 通路中的蛋白激酶参与Nrf2的核转位。MAPK途 径是目前研究最多的也是最重要的信号通路。研究 表明MAPK能磷酸化CBP的C.末端活性区,而CBP 能直接或通过p160蛋白家族成员ARE.结合蛋白.1 结合Nrf2基因的反式激活区,导致转录活性的增 强。xu等¨ 研究表明PC3细胞暴露于苯乙基异硫 氰酸盐(PEITC)时,ERK和JNK通路激活,磷酸化 Nrf2,诱导其核转位,上调靶基因表达。Zipper等 J 维普资讯 http://www.cqvip.com ・122・ 国际内科学杂志2008年2月第35卷第2期 发现HepG2细胞暴露于吡咯烷二硫代氨基甲酸盐 (PDTC)时,ERK和p38通路激活,Nrf2核转位增 结合后并没有导致染色体增强子窗的关闭,认为 Bach1介导的HO.1基因转录抑制的机制可能是 加,上调靶基因表达,而ERK或p38抑制因子阻止 Nrf2核转位。说明Nrf2的核转位需要MAPK的激 Bach1.MARE染色质凝聚体与基因座控制区(Locus control region,LCR)结合有关。 4.1.1 Bachl调节靶基因转录的分子机制:Ishika. wa等 用含巯基的氧化剂二酰胺刺激HepG2和 COS-7细胞发现它诱导GFP探针标记的Bachl胞质 活。wu等 副研究表明内皮细胞暴露于丙烯醛(香 烟烟雾中高度亲电子 、B不饱和乙醛)时,JNK通 路激活,Nrf2核转位增加,上调GSH和HO-1的表 达;而我室前期研究表明在COPD大鼠模型及患者 易位,逆转外源性表达的Bachl对ARE介导基因的 肺组织中 -GCS mRNA、 -GCS蛋白含量及活性增 加,p-ERK及p-P38增加,而P-JNK变化不明 显H 。 ,提示ERK、p38通路参与Nrf2的激活。以 上说明不同的氧化剂通过不同的信号通路诱导Nrf2 的核转位。研究表明蛋白激酶C(PKC)、磷脂酰肌 醇(.3)激酶(PI3K)、蛋白激酶B(PKB)、酪氨酸激 酶、内质网1型跨膜蛋白激酶PERK(PKR-like endo- plasmic reticulum kinase)、丝氨酸/苏氨酸激酶家族 的Akt、GSK.B等也参与氧化应激状态下Nrf2的核 转位。Papaiahgari【t8]研究表明鼠肺上皮细胞氧负荷 过重时通过ROS.EGFR(上皮生长因子受体)-PI3K- Akt/ERK MAPK通路激活Nrf2,说明这些途径不是 孤立的,而是错综复杂交叉的。 3.3其它转录因子 其它转录因子如AP.1、NF.KB等也上调抗氧化 酶的表达。但目前研究表明它们在上调抗氧化酶表 达的同时也上调炎症因子的表达,对抗氧化酶的表 达调控缺乏特异性。 4下调抗氧化酶的转录因子 4.1 Bach家族转录因子 包括Bachl、Bach2,两者高度同源。Bachl在体 内广泛表达,而Bach2只在单核细胞及神经元细胞 中表达。Bachl除包含与Nrf2相同的bZTP、CNC结 构域外;N-末端有一个BTB(Broad complex, Tramtrack.H1 and brie.C.brac)结构域,C-末端有一 个胞质定位信号区CIS(Cytoplasmic localization sig- na1)。研究表明BTB结构域与Bachl的核输入有 关。Bachl具有CP(Cysteine-proline)模体,对Heme 有很高的亲合力。Heme抑制Bachl与DNA结合, 促进其核输出 。转染分析发现Bachl能与Nrf2 竞争性结合Maf识别元件(MARE)下调抗氧化酶的 基因表达。使用转染技术改变核内Bachl、Nrf2的 蛋白水平,Bachl核内聚集下调ARE介导的基因表 达,导致抗氧化物酶生成减少,Bachl与Nrf2在核内 的动态平衡关系影响着ARE介导的基因转录 。 Dohi等 研究发现Bach1.Mark二聚体与MAREs 抑制作用而基本不影响Nrf2的核转位;然而Bachl DNA结合区574位保守的半胱氨酸突变为丝氨酸 后这种作用流产。这表明氧化还原状态调控Bachl 是介导氧化应激时靶基因表达的另一机制。 4.1.2 Bach1与透明质酸酶结合蛋白(IHABP): IHABP是一种微管相关蛋白,N.末端拥有微管结合 结构域,调节着微管与肌动蛋白的相互作用;C-末端 503—724氨基酸残基是Bachl结合域。IHABP与 微管稳定结合,通过直接与Bachl结合将其锚定于 微管。IHABP通过将Bachl固定于胞液的作用对 抗其对HO.1表达的抑制。Bachl与微管结合是一 个动态平衡的过程。Bachl受核输出信号的调节, IHABP有利于其在胞浆中积聚。IHABP在细胞中 可以根据不同的应激而作出反应。使用PC12细胞 研究发现,IHABP通过ERK而参与信号转导。 4.1.3 Bachl调节靶基因转录活性的信号通路:镉 通过激活ERK1/2信号通路诱导Bachl的核输出, 导致其抑制靶基因转录活性的作用下降。目前研究 表明Heme及IHABP作为信号分子调节着Bachl对 靶基因转录活性的抑制作用,但具体的信号通路尚 待进一步研究。 4.2 Nrf3 Nrf3编码基因位于染色体7p14-15。Sankarana- rayanan等 研究指出过表达Nrf3的Hep-G2细胞, 半醌还原酶1(NQO1)基因表达受抑制,而沉默Nrf3 基因则上调NQO1的表达,过表达Nrf2解除Nrf3对 ARE介导基因的表达抑制作用。Nrf3可能竞争结 合ARE下调抗氧化酶的表达。目前关于Nrf3在氧 化应激中的表达和作用鲜见报道。 5 Nrf2调控抗氧化酶与COPD Rangasamy等 研究指出,在同等浓度慢性香 烟烟雾暴露的情况下(时间均为6个月),Nrf2基因 缺失鼠肺气肿症状更明显。Iizuka等 研究表明 Nrf2基因缺失小鼠香烟烟雾诱导性肺气肿的发生较 野生型小鼠明显提前,ARE介导的抗氧化/抗炎症 基因表达不足,支气管肺泡灌洗液中性白细胞弹性 维普资讯 http://www.cqvip.com 国际内科学杂志2008年2月第35卷第2期 ・123・ 蛋白酶活性、巨噬细胞、氧化应激产物明显增加。采 用微阵列法对经支气管活检取得的气道上皮细胞进 行分析,检测44种抗氧化基因的表达,发现与不吸 烟者相比,吸烟者有16种上调 。Gebel等 采 用微阵列法发现Nrf2及其介导编码的HO一1、 NQO1、GC1c参与急、慢性香烟烟雾暴露鼠鼻和肺部 疾病的发病过程。在体外实验中发现暴露于丙烯醛 的Ⅱ型肺泡上皮细胞Nrf2上调,NQO1、GC1c表达 gen--activated protein kinase cascades and synergistic stimu-- latory effect of Raf and CREB—binding protein.J Biol Chem. 2004,279(22):23052—23060. 7 Iizuka T,Ishii Y,Itoh K,et a1.Nrf2一deficient mice are highly susceptible to cigarette smoke—induced emphysema. Genes Cells,2005,10(12):1113—1125. 8 Khor TO,Huang MT,Kwon KH,et a1.Nrf2一deficient mice have an increased suseptiilifty to dextran sulfate sodium--in-- duced colitis.Cancer Res,2006,66(24):11580—11584. 增加 。以上研究结果表明:Nrf2及其调控的抗氧 化基因产物参与香烟烟雾导致的肺部疾患症状的调 节,Nrf2在COPD的发生发展中起着重要的作用。 6展望 由于吸烟、空气污染等因素,COPD患病率仍有 逐渐增加的趋势。氧化应激状态下Nrf2、Bachl活 性调节分子机制的研究为防治这一顽固性疾病开辟 新的途径,可将其抑制蛋白或信号通路中的信号受 体作为靶位,研制出一些新的药物以增强肺组织抵 抗氧化应激的能力,从而改变COPD患者的氧化/抗 氧化失衡状态。当然,分子水平的调节是十分精细 而又复杂的,将其真正应用于COPD的临床治疗,尚 需要更深入的研究。 参考文献: 1 Marwick JA,Kirkham PA,Stevenson CS,et a1.Cigarette smoke alters chromatin remodeling and induces proinflamma— tory genes in rat lungs.Am J Respir Cell Mol Biol,2004,31 (6):633-642. 2 Kirkham PA,Spooner G,Rahman I,et a1.Macrophage phagocytosis of apoptotic neutorphils is compromised by ma— trix proteins modified by cigarette smoke and lipid peioxida— tion products.Biochem Biophys Res Commun,2004,3 1 8 (1):32—37. 3 Ito K,Hanazawa T,Tomita K,et a1.Oxidative stress re— duces histone deacetylase 2 activity and enhances IL一8 gene expression:role of tyrosine nitration.Biochem Biophys Res Commun,2004,315(1):240—245. 4 Dasgupta A,Das S,Sarkar PK.Thyroid hormone promotes glutathione synthesis in astrocytes by up regulation of gluta— mate cysteine ligase through differential stimulation of its cat— alytic and modulator subunit mRNAs.Free Radic Biol Med, 2007,42(5):617-626. 5 Wang W.Chan JY.Nrfl is targeted to the endoplasmic retic— ulum membrane by an N—terminal transmembrane domain. 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(下转封3) 维普资讯 http://www.cqvip.com 临床症状、体征、实验室检查和治疗反应作出诊断, 痛3大特征,都有胸腔积液、心包积液、白细胞升高, 并排除任何感染、恶性肿瘤或系统性疾病 。目前 符合成人Still病的诊断标准。该病临床表现较多, 采用的诊断标准主要有两个:①Yamaguchi标准 易误诊为其它疾病,所以临床医生应全面综合分析, (1992年):主要标准为发热高于39cc、关节疼痛时 才能得出正确诊断。治疗早期使用糖皮质类固醇激 间超过2周、特征性皮疹、中性粒细胞增多性白细胞 素,可迅速改善症状,防止病情进一步加重。本病的 增多;次要标准为咽痛、淋巴结或脾脏肿大、肝功能 预后较好,但复发率较高,若出现复发,再次使用糖 异常、类风湿因子和抗核抗体阴性。具备5项以上 皮质类固醇激素仍然有效 J。 标准(包括2项主要标准)并排除感染、恶性肿瘤 参考文献: (尤其是恶性淋巴瘤)及结缔组织病(特别是结节性 1 Arlet JB,Le ThiHuong DB,Pouchot J,et a1.Cu ̄ent con— 多动脉炎、恶性关节风湿症)者可确诊;②Fautrel标 cepts on the physiopathology of adult—onset Still’S disease. 准(2002年):主要标准为发热(不低于39cc)、关节 Rev Med Intern,2005,26(7):549—556. 疼痛、一过性红斑、咽炎、多核中性粒细胞不少于 2曹照龙,李跃龙,何权瀛.成人Still’S病59例临床分析. 80%、糖化铁蛋白水平不超过20%;次要标准为斑 临床内科杂志,2003,20(4):198—199. 丘疹、白细胞数不少于10×10 /L。具备4项及以 3王学文,卢侃.成人Still病的发病机制、诊断和治疗学 上主要标准,或3项主要标准加2项次要标准即可 进展.现代医学,2006,34(4):288—291. 诊断,无需排除诊断。例1中因患者有双侧胸腔积 4铃木康夫,若林孝章,大桥喜代理.成人Still病.内科, 2005,95(3):511—514. 液、发热及胸痛,易误诊为结核性胸膜炎,但该病一 般不会出现皮疹和关节痛,PPD试验常为阳性,经试 5雷小妹,李守新.血清铁蛋白检测在成人Still病诊断和 治疗中的临床价值.临床内科杂志,2006,23(10):667— 验性抗痨治疗不见好转,可除外结核性胸膜炎。例 669. 2患者因有发热、皮疹、肝脾肿大易误诊为“败血 6樊慧珍,于化鹏,杨振峰,等.成人Still病45例临床分析 症”,此病往往有寒战、休克等表现,骨髓培养、血细 和诊治体会.广东医学,2005,26(12):1687—1689. 菌培养可发现致病菌,但不会出现关节疼痛,经抗菌 (编辑:刘建华) 治疗后病情能缓解。2例患者均有发热、皮疹、关节 (上接第123页) gene.J Biol Chem,2004,279(49):50810—50817. 19 Igarashi K,Sun J.The heme—bachl pathway in the regula— 24 Rangasamy T,Cho CY,Thimmulappa RK,et a1.Genetic tion of oxidative stress response and erythroid differentiation. ablation of Nrf2 enhances susceptibility to cigarette smoke— Antioxid Redox Signal,2006,8(1-2):107—118. induced emphysema in mice.J Clin Invest,2004,114(9): 20 Dhakshinamoorthy S, Jain AK, Bloom DA, et a1. 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