在神經退行性疾病中Nrf2對線粒體功能的調節

王家怡 聶政

(成都醫學院 1學員2隊，四川 成都 610500;2人體解剖與組織胚胎學教研室發育與再生四川省重點實驗室 )

氧化應激是由活性氧(ROS)自由基介導的，包括超氧陰離子、過氧化氫(H2O2)和羥基自由基等。在正常生理條件下，ROS 生成水平與機體抗氧化能力處于動態平衡狀態，當 ROS 的產生超過細胞抗氧化能力則會發生氧化應激反應，而大腦對氧化應激尤為敏感〔1〕，神經退行性疾病其發病機制可能與氧化應激及相應的損傷有關。線粒體作為細胞的動力工廠，細胞所需總能量的90%都由線粒體產生。而神經元進行糖酵解的能力十分有限，所以需高度依賴氧的氧化磷酸化作用供能。線粒體供能障礙主要體現在ROS的生成增多，腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)生成減少和Ca2+穩態平衡的打破等〔2〕。因此，如何調節線粒體功能，有可能成為治療神經退行性疾病的新靶點，核因子E2相關因子(Nrf)2是一種細胞氧化還原穩態的主要調節因子，其在調節線粒體功能方面發揮著重要作用。

1 Nrf2的結構及調控機制

Nrf2是cap′n′collar(CNC)家族中最具活力的誘導型轉錄因子〔3〕。Nrf2有Neh1～Neh6六個結構域，在細胞核內，Neh1與Maf蛋白結合形成二聚體，Neh4、Neh5結構域與CREB結合蛋白結合可促使核內的Nrf2-Maf與抗氧化反應元件(ARE)上游啟動子結合，進而啟動下游基因轉錄，Neh2可與胞漿蛋白kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白(Keap)1結合并被其負性調節。Keap1是一種存在于細胞質內的Nrf2抑制蛋白，可阻止Nrf2進入細胞核，介導泛素將其降解，使其數量維持在較低水平。在生理條件下，Nrf2多數與Keap1結合存在于細胞質中。當Nrf2激活時，Nrf2與Keap1解離，進入細胞核與ARE結合以啟動下游Ⅱ相解毒酶、抗氧化蛋白、蛋白酶體、分子伴侶等基因的轉錄〔4〕。血紅素加氧酶-1、過氧化物酶1 、超氧化物歧化酶、H2O2、 谷胱甘肽過氧化物酶等多種抗氧化蛋白均受Nrf2調節編碼〔5〕，Nrf2在抗氧化應激方面發揮著重要作用。此外，Nrf2還可影響線粒體膜電位，線粒體呼吸及線粒體結構和功能完整性等。

2 Nrf2在神經退行性疾病中對線粒體的調節

2.1Nrf2在阿爾茨海默癥病(AD)中對線粒體的調節 AD是一種最常見的因神經系統變性引發的疾病，其病理學特征主要為tau蛋白過度磷酸化形成的神經細胞內神經纖維纏結和淀粉樣蛋白(Aβ)集聚形成的細胞外老年斑的沉積。Aβ可在外膜易位酶(TOM)復合體的協助下進入線粒體與細胞色素還原酶亞單位Ⅰ的亞鐵血紅素結合，該二聚體可與Aβ結合性乙醇脫氫酶反應，導致細胞色素C的釋放和ROS的產生增多〔6〕。有研究顯示，mtDNA的氧化水平在AD患者的額葉、頂葉和顳葉均有所增高〔7〕，而mtDNA的突變可增加AD的患病率〔8，9〕，這進一步提示AD與氧化應激及其導致的線粒體功能障礙密切相關。Branca等〔10〕研究表明Nrf2-/-的淀粉樣前體蛋白(APP)/早老素(PS)1小鼠的學習能力，空間記憶及認知能力均有所下降，而APP/PS1轉基因小鼠的學習能力在向其兩側海馬組織注射Nrf2的慢病毒載體后得到顯著提高。可見Nrf2與AD的病生理相關，且起到了抑制作用。在生理狀態下，Nrf2主要表達于細胞核中，而Ramsey等〔11〕實驗表明，在AD患者額葉皮層核組分中Nrf2的水平降低，這提示在AD患者的腦組織中，某些過程阻斷了Nrf2的核活性，進而導致神經元功能障礙和喪失。AD發病機制復雜，目前氧化應激及其引發的線粒體功能障礙導致AD已得到證實。AD患者的腦組織中受Nrf2調節的相關抗氧化基因表達、mRNA及蛋白質含量均出現異常，說明Nrf2在AD中具有抗氧化應激作用。Nrf2在AD中還具有調節線粒體生物發生的作用，在AD模型中海馬組織中過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子(PGC)-1α、Nrf1、Nrf2和線粒體轉錄因子A的表達均顯著下降導致線粒體的轉錄翻譯水平下降〔12〕。

2.2Nrf2在帕金森病(PD)中對線粒體的調節 PD是除AD之外的第二大神經退行性疾病，其病理表現主要為中腦黑質致密部多巴胺能神經元進行性、不可逆性丟失及被稱為路易體(LB)的細胞內蛋白質聚集體的形成。其以運動強直、靜止性震顫、運動遲緩及姿勢步態障礙為主要臨床特征。根據對PD患者尸檢結果顯示其黑質部位線粒體復合物Ⅰ，復合物Ⅱ及復合物Ⅲ均存在缺陷〔13，14〕。1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)，作為PD造模用劑能誘導PD的臨床和病理特征。MPTP已被證實可抑制線粒體復合物Ⅰ。MPTP在體內生成的MPP+可在線粒體內產生NO等自由基〔15〕，可使線粒體滲透性轉換孔的開放增加，使線粒體膜電位降低〔16〕，導致線粒體損傷。此外，有報道稱PD的致病基因PINK1的突變可導致出現線粒體功能障礙的特征：ATP生成減少，mtDNA增多等。同樣，PD致病基因Parking的突變可造成ATP生成減少，線粒體膜電位降低和線粒體形態異常等〔17〕。還有研究顯示，PD患者腦內脂質過氧化、ROS表達升高等氧化損傷現象明顯〔18〕。提示PD的發病機制與線粒體功能障礙有關。

LB的主要成分是α-突觸核蛋白(SNCA)，主要存在于神經元的突觸前末梢〔19〕。SNCA的積累會損害Mt cpx1的功能〔20〕，致使從Mt cpx1到Mt cpx3的電子傳遞活性受損，降低線粒體最大呼吸能力。SNCA的過表達還可能引發持續mtROS的積累，損害mtDNA，線粒體質量減少〔21〕。Fu等〔21〕實驗發現在SNCA積累增加的早期階段，Nrf2的含量升高。細胞核內Nrf2的上調實際上是對SNCA誘導的氧化應激的反應，旨在加速SNCA積累的清除〔22〕，保護線粒體功能免受氧化應激的損傷，減少線粒體質量的退減。此外，有報道稱Nrf2激活劑在PD的MPTP模型中具有神經保護作用〔23～25〕，且Nrf2的缺乏會增加對復合物Ⅰ抑制劑的敏感性〔21〕，提示在PD中Nrf2發揮重要的保護線粒體功能的作用。有報道稱，在PD模型的細胞中存在線粒體腫大、水腫的現象，表明線粒體清除失敗是PD發病機制之一。滲透性轉變以誘導細胞死亡是當線粒體完整性喪失無法修復時維持線粒體完整性的一種方式〔26〕。用異硫氰酸酯硫噴素誘導Nrf2可對受再調節的滲透率過渡產生抗性〔27，28〕。因此，PD中線粒體生物發生的調節與Nrf2相關。

2.3Nrf2在亨廷頓病(HD)中對線粒體的調節 HD是一種因四號染色體亨廷頓蛋白(HTT)基因中多態性三核苷酸重復序列(CAG)n的病理性擴增引起的進行性常染色體顯性遺傳病〔29〕。其以紋狀體和大腦皮層退化為病理特征，以肌張力障礙、非自主肢體舞蹈樣運動和認知障礙為主要臨床表現。現有的許多研究均表明線粒體功能障礙可能是HD的發病機制之一。喹啉酸(QA)作為一種HD小鼠模型的造模劑，可使大鼠的紋狀體線粒體嵴結構發生異常〔30〕。有報道顯示，未表現出運動障礙癥狀的HD患者的紋狀體消耗和攝取葡萄糖的能力較弱〔31〕，且基底節和皮層線粒體對丙酮酸的利用率較弱〔32〕，提示HD患者體內線粒體ATP的生成能力較弱。PGC-1α作為一種轉錄激活因子可誘導線粒體的生物合成，在HD患者體內的PGC-1α的表達水平較正常偏低〔33，34〕。N-乙酰天冬氨酸(NAA)在神經元中含量較高，其代謝情況可反映神經元中線粒體的功能狀況，而在HD患者丘腦和基底節區出現NAA缺失〔35，36〕。一些抗氧化蛋白，如谷胱甘肽過氧化物酶，H2O2酶和超氧化物歧化酶(但不是所有ARE基因產物)，在人類HD腦中增加〔37〕，提示Nrf2在HD患者中并未完全激活也并未完全抑制，處于一種部分抑制的狀態，僅有部分活化以應對線粒體氧化應激造成的損傷。此外，對HD小鼠模型進行Nrf2藥物刺激以對抗氧化應激是有效的〔38，39〕，進一步表明Nrf2可作為HD治療的新靶點。

綜上，線粒體作為動力工廠，在神經元的衰老與凋亡中發揮著重要作用。Nrf2影響線粒體生理學的許多方面，包括線粒體生物發生、呼吸、ATP生產、氧化還原穩態及這種必需細胞器的結構完整性和動態。如今，Nrf2的激活已成為預防和治療神經退行性疾病的熱門方向，越來越多的Nrf2的激活劑被發現。但如何有效控制Nrf2的激活量，使其在臨床預防和治療神經退行性疾病中發揮恰當作用將成為當下及未來的研究發展趨勢。