Nrf2／ARE/HO－1通路：阿爾茨海默病神經保護的潛在靶點

Nrf2/ARE/HO-1通路：阿爾茨海默病神經保護的潛在靶點

王洪權王玉敏1

(赤峰學院醫學院赤峰學院附屬醫院神經內科，內蒙古赤峰024005)

關鍵詞〔〕核因子E2相關因子2；血紅素加氧酶-1；阿爾茨海默病；神經保護

中圖分類號〔〕R741.05〔

基金項目：國家自然科學

1腫瘤內科

第一作者：王洪權(1979-),男，博士，副教授，主要從事神經退行性疾病發病機制及其防治的臨床與基礎研究。

近年研究表明，調節Nrf2/ARE/HO-1通路在各種神經系統疾病中具有神經保護作用。通過遺傳學或藥理學手段上調Nrf2或HO-1的表達，在動物模型和細胞體系中具有神經保護作用。因此有必要就Nrf2/ARE/HO-1在阿爾茨海默病(AD)中作用的研究進行梳理。本文對Nrf2/ARE/HO-1在AD中作用的研究歷史進行了梳理。調節Nrf2/ARE/HO-1通路的激活劑有望成為治療AD的手段。氧化應激(OS)損傷在AD的發病機制和進展中發揮著重要的作用〔1〕。鑒于OS在AD中的重要作用，因此，針對抗OS的治療策略對AD的發生和發展是有效的治療途徑。

1Nrf2-ARE-HO-1通路

OS激活應激反應，適應ROS介導的細胞損傷，維持氧化還原平衡，從而保護細胞免于致死性損傷〔2〕。這一適應反應經常需要上調內源性抗氧化酶，這些酶的表達水平受許多轉錄因子的調控?？寡趸赴l揮其對氧化應激損傷的抑制作用。細胞有三種主要的細胞成分參與抗氧化反應的調節，它們是Kelch樣環氧氯丙烷(ECH)相關蛋白-1 (Keap1)、核因子NF-E2相關因子-2(Nrf2)和抗氧化反應原件(ARE)，它們組成Keap1-Nrf2-ARE信號轉導通路，從而在轉錄水平調節一系列細胞保護蛋白的表達〔3〕。受此通路調節的酶包括血紅素加氧酶-1(HO-1)〔4〕，由此組成Keap1-Nrf2-ARE-HO-1通路(圖1)。Nrf2為細胞對氧化還原應激做出反應的主要執行者。許多研究表明，應激條件下，Nrf2的激活可以促進細胞存活。Nrf2是轉錄因子亮氨酸拉鏈家族的一個成員。Nrf2的轉錄活性受細胞骨架相關性抑制蛋白Keap1的調節。在未受刺激的情況下，Keap1募集Nrf2，Nrf2與Keap1在胞質內形成一個復合體，從而經泛素蛋白酶途徑降解〔5〕。親電子物質或者氧化刺激引起Keap1的修飾，使Keap1-Nrf2復合體解離，從而游離出Nrf2，進而Nrf2從胞質轉位到胞核內。Nrf2進入到細胞核后與存在于HO-1和其他一些細胞保護酶蛋白基因的啟動子區的ARE和其他轉錄因子(如sMaf等)結合，從而啟動和誘導這些基因的表達。

圖1　Keap1-Nrf2-ARE-HO-1通路圖

2HO-1在AD中的神經保護作用

HO-1是一個具有保護作用的在應激早期發揮反應的抗氧化酶蛋白,其參與游離血紅素降解的限速酶，其分子量為32 kD，HO-1催化血紅素產生一氧化碳(CO)、膽綠素biliverdin (快速地轉化為膽紅素bilirubin)和游離鐵〔6〕。近年來研究表明，HO-1通過抗氧化損傷作用而發揮其神經保護作用〔7〕。HO-1在以腦氧化損傷和beta-淀粉樣蛋白(Aβ)相關病理改變為特征的AD中所起的作用引起研究者的關注。

2.1HO-1與老年斑HO-1蛋白水平在AD腦內顯著升高并與神經元纖維纏結共存，表明抗氧化防御系統的激活〔8〕。HO-1 mRNA水平在AD新皮質和腦血管升高〔9〕。升高的HO-1亦與老年斑共存，而HO-1似乎更在海馬中與老年斑相關的星形神經膠質中過表達〔10〕。淀粉樣前體蛋白(APP)過表達的轉基因鼠中HO-1在Aβ沉積物中的表達升高，這與AD病人腦內的老年斑內的表達相似〔11〕。研究結果表明，Aβ可以劑量依賴性誘導HO-1的表達，暗示HO-1的誘導表達可能是機體試圖來緩解和抑制Aβ沉積誘導的氧化損傷。2000年，Snyder研究組發現HO-1表達增加并不促進Aβ生成，而APP尤其是AD病理突變的APP可抑制HO-1的生物活性進而使神經元易受毒性物質的損害〔12〕，這一發現表明，通過藥理學手段阻斷APP與HO-1的相互作用或許具有臨床獲益。 HO-1對于減弱AD的神經退變中發揮重要作用。在大鼠和小鼠小神經膠質細胞中，外源性給予HO-1蛋白能夠誘導細胞因子如腫瘤壞死因子(TNFα)和白細胞介素(IL-6)的產生，促進Aβ的吞噬作用和清除〔10〕，這表明，HO-1在AD中具有神經保護作用。調控固醇的穩態對于AD的病理非常重要，因為大量游離的膽固醇和促進Aβ的沉積和神經退變。星形膠質細胞瞬時過表達HO-1能夠顯著降低細胞內膽固醇的濃度〔13〕。輕度認知功能障礙(MCI)和早期AD中，促進HO-1的表達可刺激星形膠質細胞膽固醇的合成和外流。

2.2HO-1與tau在AD 中上調HO-1具有另一個潛在治療作用，即可通過泛素蛋白酶系統來清除tau蛋白。AD腦內蛋白酶體的活性降低，Aβ可在培養細胞抑制蛋白酶體功能〔14〕。在神經退行性疾病中，HO-1的表達分布在空間上與tau相似，HO-1與tau蛋白形成的神經元纖維纏結相關〔15〕。APP過表達的轉基因鼠中可以再現HO-1在tau蛋白組成的神經元纖維纏結周圍聚集，更加證明了HO-1在臨床和實驗性AD中的作用〔16〕。在成神經瘤細胞中，HO-1過表達可顯著降低tau蛋白的水平，而這一效應可被抑制HO-1的活性所逆轉〔17〕。M17成神經瘤細胞中HO-1的瞬時表達增加，可促進tau蛋白經蛋白酶體途徑降解，而HO-1抑制劑錫中卟啉(SnMP)或蛋白酶體抑制劑乳胞素可阻斷HO-1的這一效應〔18〕。因此，在AD腦內HO-1的上調因此可刺激UPS，進而限制毒性tau的聚集。綜上所述，HO-1對于Aβ和tau引起的損傷具有抑制作用。因此，在AD中上調HO-1的表達，有利于抗損傷。

2.3誘導HO-1 表達在AD具有神經保護作用HO-1在神經元內表達對AD起保護作用，通過HO-1表達的誘導劑上調HO-1的表達來增強細胞的抗氧化能力，可能成為預防和治療AD的措施。這種假設被前人的研究結果所證實，Le等〔19〕的研究表明Aβ處理SN 56后伴隨著HO-1 表達的上調，HO-1反義寡核苷酸預處理SN 56后降低HO-1的免疫活性，并促進Aβ誘導的神經毒性。然而HO-1的誘導劑氯高鐵血紅素預處理SN 56細胞后，HO-1的表達上調，并可降低Aβ誘導的神經毒性。此研究表明，HO-1在保護細胞免受氧化損傷中發揮重要作用。本文的前期研究表明，通過藥理學途徑上調HO-1的表達可以抑制Aβ 誘導的神經毒性損傷，這為HO-1參與直接抑制Aβ 誘導的神經毒性損傷提供了直接的研究證據〔20〕。最近Li的研究證實了前期研究結果，前胡素上調HO-1的表達并抑制Aβ 誘導的神經毒性損傷，HO-1 競爭性抑制劑鋅原卟啉預處理，可以減弱前胡素對Aβ 誘導的神經毒性損傷，這表明HO-1的上調直接參與前胡素對Aβ 神經毒性損傷的抑制作用〔21〕。同時近期其他研究也證實了HO-1在AD中具有神經保護作用〔19，22，23〕。在SH-SY5Y細胞中，姜酚通過激活Nrf2上調HO-1的表達來抑制Aβ25～35〔24〕。SHXW可通過上調Nrf2和HO-1來抑制Aβ1～42誘導的SH-SY5Y細胞凋亡的發生和ROS的產生〔25〕。最近研究顯示，葛根素可通過磷酸化糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)使其失活，進而激活Nrf2，從而誘導HO-1的表達上調抑制Aβ25-35誘導的原代培養大鼠海馬神經元細胞的毒性損傷〔26〕。綜上所述，HO-1 在AD 具有神經保護作用，通過藥理學手段上調HO-1的表達能夠抑制Aβ誘導的神經毒性損傷。

3Nrf2在AD中的神經保護作用

3.1細胞水平證據HO-1的上游調節因子Nrf2在腦內的生理作用以及神經保護作用亦引起了廣大研究者的興趣。最近研究表明，Nrf2在本身亦具有神經保護作用。Nrf2 缺失的膠質細胞和皮層神經元更易受氧化應激損傷的影響〔27〕，相反膠質細胞Nrf2過表達可以增強膠質細胞-皮層神經元共培養系統的抗氧化能力〔28〕。另一項研究表明，Kavalactones可以通過ERK1/2通路依賴的Nrf2的激活來抑制Aβ的神經毒性損傷，同樣，而這種神經保護作用與包括HO-1在內的保護基因的表達上調有關〔29〕。染料木黃酮能夠通過激活PI3 K進而活化Nrf2，從而抑制Aβ25～35誘導的腦血管內皮細胞bEND.3的氧化損傷〔29〕。最近Lee的研究表明，萊菔硫烷(SFN)能夠抑制Aβ25～35誘導的SH-SY5Y細胞的死亡，這一作用與SFN激活Nrf2有關，因為siNrf2可以減弱SFN對Aβ25～35誘導的SH-SY5Y細胞死亡的抑制作用〔30〕。盡管本研究中顯示SFN可以上調HO-1的表達，但作者并未提供直接的證據表明，HO-1的表達上調參與SFN對Aβ25～35誘導的SH-SY5Y細胞死亡的抑制作用，值得進一步研究。最近研究顯示芍藥苷能夠活化Nrf2/ARE 通路減輕Aβ1～42誘導的大鼠海馬神經元損傷〔31〕。天麻甙通過上調Nrf2抑制Aβ1～42誘導的原代培養大鼠海馬神經元細胞的毒性損傷〔32〕。龍腦通過Nrf2激活發揮其抗氧化損傷作用，進而抑制Aβ1～42誘導的SH-SY5Y細胞損傷〔33〕。最近研究顯示，Nrf2的激活可抑制氧化應激誘導的Aβ產生。在NT2N 神經元細胞中，殼聚糖〔34〕和叔丁基對苯二酚〔35〕可通過激活Nrf2抑制Aβ的產生以及氧化應激損傷。綜上所述，在AD中，調節Nrf2/ARE/HO-1通路似乎成為一個潛在的治療靶點。

3.2動物水平證據通過遺傳學或藥理學途徑激活Nrf2在AD亦具有神經保護作用。Kanninen等〔36〕的研究表明，通過給AD轉基因小鼠(APP/PS1 mice)腦室內注射過表達Nrf2的慢病毒后，可以提高小鼠的空間學習能力，Nrf2轉基因與HO-1的誘導表達有關，表明這種保護作用與Nrf2-ARE通路的激活有關，另有研究表明姜黃、吡咯烷二硫代氨基甲酸鹽和親電子化合物等可以激活Nrf2，從而減輕AD轉基因動物的認知缺陷〔37〕。另外，體內研究表明，Nrf2可以抑制線粒體毒素引起的神經損傷〔38〕。在AD中，Nrf2-ARE通路受損，而通過tBHQ增強Nrf2-ARE通路或者通過腺病毒過表達Nrf2可以抑制Aβ的神經毒性，而這種神經保護作用與受Nrf2調控的HO-1表達上調有關〔39〕。在Wistar大鼠海馬注射Aβ的模型中，Nrf2蛋白穩定劑可以抑制Aβ誘導的半胱氨酸蛋白酶(caspase-3)的激活和OS損傷發生〔40〕。糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)是一個與AD病理密切相關的絲氨酸/蘇氨酸蛋白酶。GSK-3β參與tau蛋白的異常磷酸化，導致神經原纖維纏結的形成。研究顯示，GSK-3β過表達可以通過抑制Nrf2，下調包括HO-1在內的二項酶蛋白表達。在AD轉基因SAMP8小鼠中，GSK-3β反義寡核苷酸可通過激活Nrf2而減弱大腦皮質OS的發生，并可提高小鼠的記憶和學習能力〔41〕。

4問題與展望

綜上所述，通過藥理學途徑調節Nrf2/ARE/HO-1通路在AD中具有神經保護作用，可以抑制Aβ誘導的神經毒性損傷，因此調節Nrf2/ARE/HO-1通路有可能成為治療AD的潛在的新靶點。然而，Nrf2和HO-1在AD中的神經保護作用機制還有待于深入研究，對于Nrf2和HO-1轉基因動物與AD轉基因動物的雜交進一步探討Nrf2和HO-1在AD中的作用有待于進一步研究。調控Nrf2/ARE/HO-1通路有可能成為治療AD新的潛在靶點。與此同時，篩選出具有激活Nrf2，進而誘導HO-1表達的天然化合物具有廣泛的應用前景。

5參考文獻

1von Bernhardi R,Eugenin J.Alzheimer's disease: redox dysregulation as a common denominator for diverse pathogenic mechanisms〔J〕.Antioxid Redox Signal,2012;16(9):974-1031.

2Miura Y,Endo T.Survival responses to oxidative stress and aging〔J〕.Geriatr Gerontol Int,2010;10(1):S1-9.

3Baird L,Dinkova-Kostova AT.The cytoprotective role of the Keap1-Nrf2 pathway〔J〕.Arch Toxicol,2011;85(4):241-72.

4Shelton P,Jaiswal AK.The transcription factor NF-E2-related factor 2 (Nrf2): a protooncogene〔J〕.Faseb J,2013;27(2):414-23.

5Copple IM.The Keap1-Nrf2 cell defense pathway-a promising therapeutic target〔J〕.Adv Pharmacol,2012;63(1):43-79.

6Gozzelino R,Jeney V,Soares MP.Mechanisms of cell protection by heme oxygenase-1〔J〕.Annu Rev Pharmacol Toxicol,2010;50(3):323-54.

7Jazwa A,Cuadrado A.Targeting heme oxygenase-1 for neuroprotection and neuroinflammation in neurodegenerative diseases〔J〕.Curr Drug Targets,2010;11(12):1517-31.

8Schipper HM,Cisse S,Stopa EG.Expression of heme oxygenase-1 in the senescent and Alzheimer-diseased brain〔J〕.Ann Neurol,1995;37(6):758-68.

9Schipper HM.Heme oxygenase-1: role in brain aging and neurodegeneration〔J〕.Exp Gerontol,2000;35(6-7):821-30.

10Schipper HM,Bennett DA,Liberman A,etal.Glial heme oxygenase-1 expression in Alzheimer disease and mild cognitive impairment〔J〕.Neurobiol Aging,2006;27(2):252-61.

11Dore S.Decreased activity of the antioxidant heme oxygenase enzyme: implications in ischemia and in Alzheimer's disease〔J〕.Free Radic Biol Med,2002;32(12):1276-82.

12Takahashi M,Dore S,Ferris CD,etal.Amyloid precursor proteins inhibit heme oxygenase activity and augment neurotoxicity in Alzheimer's disease〔J〕.Neuron,2000;28(2):461-73.

13Hascalovici JR,Song W,Vaya J,etal.Impact of heme oxygenase-1 on cholesterol synthesis,cholesterol efflux and oxysterol formation in cultured astroglia〔J〕.J Neurochem,2009;108(1):72-81.

14Shastry BS.Neurodegenerative disorders of protein aggregation〔J〕.Neurochem Int,2003;43(1):1-7.

15Takata K,Kitamura Y,Kakimura J,etal.Possible protective mechanisms of heme oxygenase-1 in the brain〔J〕.Ann N Y Acad Sci,2002;977(5):501-6.

16Butterfield DA,Drake J,Pocernich C,etal.Evidence of oxidative damage in Alzheimer's disease brain: central role for amyloid beta-peptide〔J〕.Trends Mol Med,2001;7(12):548-54.

17Takeda A,Perry G,Abraham NG,etal.Overexpression of heme oxygenase in neuronal cells,the possible interaction with Tau〔J〕.J Biol Chem,2000;275(8):5395-9.

18Schipper HM,Song W,Zukor H,etal.Heme oxygenase-1 and neurodegeneration: expanding frontiers of engagement〔J〕.J Neurochem,2009;110(2):469-85.

19Le WD,Xie WJ,Appel SH.Protective role of heme oxygenase-1 in oxidative stress-induced neuronal injury〔J〕.J Neurosci Res,1999;56(6):652-8.

20Wang HQ,Xu YX,Zhu CQ.Upregulation of heme oxygenase-1 by acteoside through ERK and PI3 K/Akt pathway confer neuroprotection against beta-amyloid-induced neurotoxicity〔J〕.Neurotox Res,2012;21(4):368-78.

21Li L,Du JK,Zou LY,etal.Decursin isolated from angelica gigas nakai rescues PC12 cells from amyloid beta-protein-Induced neurotoxicity through Nrf2-mediated upregulation of heme oxygenase-1:potential roles of MAPK〔J〕.Evid Based Complement Alternat Med,2013；2013:467245.

22Ma W,Yuan L,Yu H,etal.Genistein as a neuroprotective antioxidant attenuates redox imbalance induced by beta-amyloid peptides 25-35 in PC12 cells〔J〕.Int J Dev Neurosci,2010;28(4):289-95.

23Wruck CJ,Gotz ME,Herdegen T,etal.Kavalactones protect neural cells against amyloid beta peptide-induced neurotoxicity via extracellular signal-regulated kinase 1/2-dependent nuclear factor erythroid 2-related factor 2 activation〔J〕.Mol Pharmacol,2008;73(6):1785-95.

24Lee C,Park GH,Kim CY,etal.Gingerol attenuates beta-amyloid-induced oxidative cell death via fortifying cellular antioxidant defense system〔J〕.Food Chem Toxicol,2011;49(6):1261-9.

25Jeon S,Hur J,Jeong HJ,etal.SuHeXiang Wan essential oil alleviates amyloid beta induced memory impairment through inhibition of tau protein phosphorylation in mice〔J〕.Am J Chin Med,2011;39(5):917-32.

26Zou Y,Hong B,Fan L,etal.Protective effect of puerarin against beta-amyloid-induced oxidative stress in neuronal cultures from rat hippocampus: involvement of the GSK-3beta/Nrf2 signaling pathway〔J〕.Free Radic Res,2013;47(1):55-63.

27Lee JM,Shih AY,Murphy TH,etal.NF-E2-related factor-2 mediates neuroprotection against mitochondrial complex I inhibitors and increased concentrations of intracellular calcium in primary cortical neurons〔J〕.J Biol Chem,2003;278(39):37948-56.

28Sun X,Erb H,Murphy TH.Coordinate regulation of glutathione metabolism in astrocytes by Nrf2〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2005;326(2):371-7.

29Xi YD,Yu HL,Ding J,etal.Flavonoids protect cerebrovascular endothelial cells through Nrf2 and PI3K from beta-amyloid peptide-induced oxidative damage〔J〕.Curr Neurovasc Res,2012;9(1):32-41.

30Lee C,Park GH,Lee SR,etal.Attenuation of beta-amyloid-induced oxidative cell death by sulforaphane via activation of NF-E2-related factor 2〔J〕.Oxid Med Cell Longev,2013;2013:313510.

31鐘樹志,馬世平,洪宗元.芍藥苷活化Nrf2/ARE通路減輕Aβ-(1-42)誘導的大鼠海馬神經元損傷〔J〕.藥學學報,2013;48(8):1353-7.

32Zhao X,Zou Y,Xu H,etal.Gastrodin protect primary cultured rat hippocampal neurons against amyloid-beta peptide-induced neurotoxicity via ERK1/2-Nrf2 pathway〔J〕.Brain Res,2012;1482:13-21.

33Hur J,Pak SC,Koo BS,etal.Borneol alleviates oxidative stress via upregulation of Nrf2 and Bcl-2 in SH-SY5Y cells〔J〕.Pharm Biol,2013;51(1):30-5.

34Khodagholi F,Eftekharzadeh B,Maghsoudi N,etal.Chitosan prevents oxidative stress-induced amyloid beta formation and cytotoxicity in NT2 neurons: involvement of transcription factors Nrf2 and NF-kappaB〔J〕.Mol Cell Biochem,2010;337(1-2):39-51.

35Eftekharzadeh B,Maghsoudi N,Khodagholi F.Stabilization of transcription factor Nrf2 by tBHQ prevents oxidative stress-induced amyloid beta formation in NT2N neurons〔J〕.Biochimie,2010;92(3):245-53.

36Kanninen K,Heikkinen R,Malm T,etal.Intrahippocampal injection of a lentiviral vector expressing Nrf2 improves spatial learning in a mouse model of Alzheimer's disease〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A,2009;106(38):16505-10.

37Frautschy SA,Hu W,Kim P,etal.Phenolic anti-inflammatory antioxidant reversal of Abeta-induced cognitive deficits and neuropathology〔J〕.Neurobiol Aging,2001;22(6):993-1005.

38Calkins MJ,Jakel RJ,Johnson DA,etal.Protection from mitochondrial complex II inhibition in vitro and in vivo by Nrf2-mediated transcription〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2005;102(1):244-9.

39Kanninen K,Malm TM,Jyrkkanen HK,etal.Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 protects against beta amyloid〔J〕.Mol Cell Neurosci,2008;39(3):302-13.

40Nouhi F,Tusi SK,Abdi A,etal.Dietary supplementation with tBHQ,an Nrf2 stabilizer molecule,confers neuroprotection against apoptosis in amyloid beta-injected rat〔J〕.Neurochem Res,2011;36(5):870-8.

41Farr SA,Ripley JL,Sultana R,etal.Antisense oligonucleotide against GSK-3beta in brain of SAMP8 mice improves learning and memory and decreases oxidative stress:involvement of transcription factor Nrf2 and implications for Alzheimer disease〔J〕.Free Radic Biol Med,2013;67(3):387-95.

〔2013-09-09修回〕

(編輯袁左鳴)