沉默信息調節因子2相關酶類1/核因子E2相關因子2信號通路在高血壓病中的抗氧化應激作用

陳宗澤綜述，廉姜芳審校

高血壓是最常見的慢性病，也是心腦血管病最主要的危險因素。其腦卒中、心肌梗死、心力衰竭及慢性腎臟病等主要并發癥，不僅致殘、致死率高，而且嚴重消耗醫療和社會資源，給家庭和國家造成沉重負擔。目前我國18歲及以上成人高血壓患病率為25.2%，且呈逐步上升趨勢[1]。氧化應激在高血壓的發生發展中起著重要作用。機體內活性氧簇（ROS）過度生成以及抗氧化能力的降低對于高血壓患者的氧化應激損傷密切相關。因此，尋找一條有效調節氧化應激機制的路徑，對于提高高血壓患者的生活質量，減輕家庭，社會負擔具有重要意義。現對核因子E2相關因子2（Nrf2）、沉默信息調節因子2相關酶類1（Sirt1）、Sirt1/Nrf2途徑在氧化應激時調節抗氧化程序的表達及其在預防和治療高血壓中發揮的重要作用予以闡述。

1 氧化應激在高血壓發病過程中的作用

氧化應激是指機體在遭受各種有害刺激時，使氧自由基過度生成和機體內抗氧化防御系統間失衡，從而引起細胞毒性改變的病理過程[2]。ROS是有氧代謝產生的具有氧化能力的自由基[3]，其主要包括超氧陰離子（.O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥自由基（OH-）等。ROS可發揮重要的生理作用，如誘導宿主防御基因表達、激活轉錄因子和調控信號轉導[4]。但當其水平超過細胞生理需要時，可直接損害或通過一系列過氧化鏈式反應引起細胞毒性改變[5]。氧化應激介導的高血壓過程涉及多個系統，包括心血管系統、腎臟及中樞神經系統等[6]。腎素血管緊張素系統（RAS）是機體內調節血壓的重要體系，其中血管緊張素II（AngII）是心血管系統中ROS生成和氧化應激的重要激活物，AngII通過與其I型受體（AT1R）結合，激活體內還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶產生ROS，從而參與機體功能調節[7]。在心血管系統中，ROS是血管張力和結構重塑的強有力調節因子，并在炎癥、增殖、凋亡、血管生成中發揮病理生理作用，上述這些都是形成高血壓內皮功能障礙、心臟重構和其他心臟疾病的病理性進程的重要因素[8]。ROS水平升高導致氧化應激水平增加會誘導血壓的升高，而高血壓又會進一步促進ROS的生成增加和組織氧化損傷[9]。

2 核因子E2相關因子2的結構功能及分布

2.1 核因子E2相關因子2的結構功能

Nrf2是新近發現的在氧化應激系統中起關鍵作用的轉錄調節因子。Nrf2蛋白相對分子量為66 KD，屬于cap’n’collar（CNC）調節蛋白家族，是具有高度保守的堿性亮氨酸拉鏈結構（bZip）的轉錄因子。除Nrf2外，該家族成員還包括NF-E2、Bach1、Bach2、Nrf1和Nrf3，盡管在DNA結合域和亮氨酸拉鏈域上有著高度同源性，卻具有各自不同的生物學功能。

脊椎動物的Nrf2包括6個高度保守的環氧氯丙烷（EHC）同源結構域（Neh），分別被命名為Neh1-6[10]。其中Nrf2羧基端的Neh3結構域在調節Nrf2轉錄活性中發揮重要作用[11]。此外，位于氨基端的Neh2結構域是Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1（Keap1）的結合部位，對Nrf2活性進行負性調節[12]。而Neh4和Neh5位于Neh1和Neh2之間，是環磷酸腺苷（cAMP）反應結合蛋白（CBP）的結合部位，對Nrf2目標基因的轉錄活化密切相關。

Nrf2與CNC家族中含有bZip結構的其他成員相似，通過與Maf、c-Jun、ATF4、JunD等形成異源二聚體，并與抗氧化反應元件（ARE）結合，從而誘導多種編碼II相解毒酶及抗氧化蛋白基因的表達[13]。Nrf2經典的目的基因主要有：超氧化物歧化酶（SOD）、血紅素氧化酶（HO-1）、醌氧還原酶1（NQO1）、谷氨酰半胱氨酸連接酶（GCL）等，這些細胞保護性蛋白可清除氧自由基，還原過氧化物。

2.2 核因子E2相關因子2的分布

大量證據表明，在不同的器官，包括肝臟、腎臟等解毒器官以及肺、皮膚、消化道等暴露于外環境中的器官，Nrf2是多種病理性應激的主要調節點。因此，Nrf2成為人們治療和預防多種疾病的潛在有效靶點。基因敲除實驗證實，Nrf2敲除小鼠對由對乙酰氨基酚誘導的肝細胞損傷以及腫瘤壞死因子-α（TNF-α）誘導的肝細胞凋亡更敏感，且這種高敏感性與細胞相關抗氧化酶的表達減少有關。此外，Nrf2敲除小鼠對線粒體應激及缺血的敏感性也明顯增加。Nrf2在心血管系統中也有廣泛表達。在人主動脈內皮細胞，已經證明層流能夠促使Nrf2/ARE信號的傳遞，抑制氧化應激誘導的細胞毒性和TNF-α誘導的單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）和血管細胞黏附分子-1（VCAM-1）表達，對于單核細胞的黏附也起到抑制作用[14]。胰島素通過Nrf2依賴的GCL催化亞基的表達來抑制高血糖引起的腦內皮細胞凋亡，同時Nrf2的活化也能夠逆轉高血糖引起的內皮細胞功能障礙[15]。總之，這些結果表明Nrf2/ARE信號通路在調節內皮細胞功能方面發揮重要作用，但他們在心血管系統中的生理重要性還有待深入探討。

2.3 核因子E2相關因子2的抗氧化作用

氧化應激產生的ROS直接或間接地損傷細胞內蛋白質、脂質、核酸等大分子物質的生理功能，是眾多疾病發生發展的病理生理基礎。近年來研究表明，Nrf2/ARE信號通路在細胞抗氧化應激和外源性有毒物質誘導的主要防御機制中發揮著極其重要的作用，是迄今為止發現的最為重要的內源性抗氧化應激通路[16]。正常生理情況下，Nrf2主要與其抑制劑Keap1結合，以非活性狀態存在于胞漿中，在泛素蛋白酶體途徑作用下迅速降解，以保持在生理狀態下Nrf2的低轉錄活性[17]。當細胞受到ROS或其他親核劑攻擊后，Nrf2與Keap1解偶聯，活化的Nrf2轉運進入細胞核，與Maf蛋白等結合成異二聚體后再與ARE結合，激活靶基因的表達，調控II相代謝酶、抗氧化酶的轉錄活性，從而發揮抗氧化損傷的作用[18]。在過氧化氫誘導活性氧抗氧化酶基因如SOD、谷胱甘肽過氧化物酶1（GPX1）等表達的同時也明顯增加了Nrf2的表達。在Nrf2基因敲除的小鼠，其基礎及誘導性抗氧化基因表達明顯降低，而氧化應激損傷明顯增強，提示Nrf2/ARE通路是調節細胞內氧化還原狀態的關鍵[19]。Cheng等[20]研究發現，抑制Nrf2/ARE通路活性會引起內皮細胞功能紊亂。研究表明，Nrf2在增強組織抗氧化能力、保護組織免受毒物損害、抗腫瘤、抗炎癥、抗凋亡中起著重要作用[21]。可見，Nrf2信號的激活，無疑是對抗氧化應激引起組織損傷的重要途徑。

3 沉默信息調節因子2相關酶類1的結構及功能

3.1 沉默信息調節因子2相關酶類1的結構

沉默信息調節因子2（Sir2）相關酶類（Sirt）是一類依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的蛋白去乙酰化酶。目前為止，在人體中已發現7個同源蛋白（Sirt1-Sirt7）[22]。在這些同源蛋白中，研究最多的是Sirt1。Sirt1主要分布于細胞核，但在胞質內也有分布[23]。人類的Sirt1具有2個基本的結構域：一個大的結構域，主要由Rossmann折疊構成，其保守性較高；一個小的結構域，包含一個鋅帶結構和一個螺旋結構，其保守性較大結構域低。在這兩個結構域之間形成一個裂隙，它的底物就結合于此并發生催化反應[24]。

3.2 沉默信息調節因子2相關酶類1的功能

Sirt從細菌到人類廣泛分布，是一種高度保守性蛋白[25]。Sirt1在人體組織中廣泛表達，運動、能量限制能夠上調其表達[26]。Sirt1通過對組蛋白以及非組蛋白如轉錄因子、其他蛋白修飾的賴氨酸殘基進行去乙酰化來調節基因的表達，從而發揮抗氧化應激、調節細胞凋亡、增殖及能量代謝等作用。

Sirt1調節幾種控制代謝及內分泌信號的轉錄因子，如過氧化物酶體增殖活化受體γ輔激活因子-1α（PGC-1α）：Sirt1既可以提高PGC-1α的去乙酰化水平，也能夠提高PGC-1α的mRNA和蛋白表達水平[27]。而PGC-1α可提高過氧化物酶體增殖活化受體γ（PPAPγ）活性從而提高線粒體能量代謝和生物合成。Sirt1去乙酰化核轉錄因子-κB（NF-κB），使炎癥細胞因子釋放受阻，從而減輕炎癥反應程度[28]。Sirt1可以雙向調控叉頭蛋白（FOXO）:一方面提高細胞對抗氧化應激的能力，另一方面誘導細胞凋亡能力減弱[29]。Sirt1需要NAD+作為輔激活因子，而被NAD+或乙酰化產物煙酰胺抑制。研究已經證實Sirt1在衰老相關疾病中及氧化應激中具有保護作用，如神經退行性疾病、心血管系統疾病、腎臟系統疾病等[30，31]。

4 沉默信息調節因子2相關酶類1/核因子E2相關因子2信號通路與高血壓

Sirt1/Nrf2在氧化應激時能夠促進許多抗氧化程序的表達，使抗氧化酶類表達增加，從而發揮抗氧化的作用，減少ROS的產生。有研究證實，Sirt1促進核聚集，DNA結合和Nrf2的轉錄活性，并促進Nrf2下游基因HO-1和SOD的表達，導致以脫乙酰酶依賴的方式降低ROS的水平[32]。Huang等[33]通過培養原代腎小球系膜細胞，用Sirt1 siRNA干預后，Sirt1蛋白表達明顯減少，活性顯著降低，同時Nrf2蛋白表達也明顯減少，與靶基因ARE的結合力下降，下游抗氧化蛋白的表達減少而ROS水平升高，病理改變明顯。Sirt1的激動劑白藜蘆醇能顯著上調不同疾病中Nrf2的表達，促進其核轉位從而發揮抗氧化作用[34]。有研究表明，Nrf2在高血壓模型中失調，Nrf2激動劑可以預防血壓的升高。在卒中易感型自發性高血壓大鼠（SHRsp）中Nrf2抗氧化系統功能受到損害，動脈平滑肌細胞（VSMC）表現出Nrf2核積累減少，抗氧化基因的表達降低。Nrf2的激動劑蘿卜硫素（SFN）則加強了Nrf2調節的抗氧化作用。用苯腎上腺素誘導SHRsp動脈收縮增加，而用SFN預孵育的SHRsp動脈收縮則降低至與Wistar-Kyoto大鼠（WKY）對照相似的水平[35]。Gao等[36]研究發現，在小鼠延髓頭端腹外側區（RVLM）中的Nrf2基因選擇性缺失導致Nrf2 mRNA和蛋白表達顯著降低，使HO-1，NQO1等抗氧化酶下調，RVLM中ROS水平升高，導致交感神經激活和壓力反射功能障礙，引起持續的高血壓。由此可以假設它們是一個調節系統，包括Sirt1的功能協調，以調節氧化應激條件下Nrf2的起始和持續的反應。而Sirt1在氧化應激時起到上調和維持Nrf2的積極作用。這些研究表明，Nrf2和Sirt1可能是潛在治療高血壓的靶點。

結語：氧化/抗氧化失衡是高血壓發生發展的重要機制之一，如何調節氧化/抗氧化平衡將成為高血壓預防及治療的一個切入點。由以上的討論和結果可以得出氧化應激時Sirt1/Nrf2可以上調抗氧化酶（如SOD、HO-1等）的基因表達，清除氧化應激產生的活性氧，保護細胞免受活性氧損害。因此，Sirt1/Nrf2通路可能成為治療心血管疾病的潛在靶點，為高血壓防治開辟新的途徑。