黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激分子機制的研究進展

李姿毅，夏源，王軍義

（廣東藥科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，廣東 廣州 510310）

氧化應(yīng)激是指外界有害刺激引起機體組織和細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧自由基和活性氮，氧化物產(chǎn)生過多超出其機體的消除能力，或者機體抗氧化能力下降導(dǎo)致機體抗氧化系統(tǒng)失衡，進而引起體內(nèi)活性氧的超負(fù)荷。超負(fù)荷的活性氧通過激活多種細(xì)胞信號通路導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子物質(zhì)發(fā)生改變，造成組織的細(xì)胞損傷，甚至誘發(fā)細(xì)胞的凋亡[1]。氧化應(yīng)激與多種臨床疾病如休克，心血管疾病、腫瘤、糖尿病等相關(guān)[2-5]，為治療和預(yù)防這些疾病尋找安全有效的抗氧化劑已經(jīng)成為近年來的研究熱點[6]。黃芪（Radix Astragali）是中醫(yī)臨床上常用的補益中藥[7]，黃芪甲苷（astragalosideⅣ）是黃芪中的主要活性成分，臨床和實驗研究發(fā)現(xiàn)[8-9]黃芪甲苷可以抑制組織細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)實現(xiàn)抗凋亡、抗炎性反應(yīng)、抗病毒等生物學(xué)效應(yīng)，達(dá)到保護組織細(xì)胞的作用，可用于多種疾病的預(yù)防與治療，因此黃芪甲苷是一種具有廣泛應(yīng)用前景的抗氧化應(yīng)激的重要活性成分。目前針對黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激的分子機制研究較多，但缺乏系統(tǒng)性，本文將從細(xì)胞信號通路的角度對黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激作用的分子機制進行系統(tǒng)性的綜述，為進一步發(fā)掘黃芪甲苷作用研究提供參考。

1 Nrf2-ARE信號通路

Nrf2-ARE信號通路是抗氧化應(yīng)激的重要通路，核心分子包括核轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)因子-2（nuclear factor erythroid-2nuclear factor erythroid-2 related factor 2（Nrf2）-related factor 2,Nrf2）、抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant response element,ARE）和Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1（Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1）。Nrf2是一種對氧化應(yīng)激高度敏感的轉(zhuǎn)錄因子，通過與染色質(zhì)上的AREs結(jié)合，促進多種抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄[10]。在靜息條件下，在細(xì)胞質(zhì)中Keap1與Nrf2結(jié)合抑其活性，氧化應(yīng)激是Nrf2和Keap1解離并被激活，激活的Nrf2轉(zhuǎn)運入核，與多種抗氧化基因上游啟動子區(qū)域的抗氧化反應(yīng)元件（ARE）結(jié)合，啟動其轉(zhuǎn)錄[11]。Nrf2-ARE通路是最重要的內(nèi)源性抗氧化應(yīng)激通路，可激活下游多種抗氧化應(yīng)激相關(guān)基因，例如：超氧化物歧化酶（SOD）、人醌過氧化物還原酶-1（NQO-1）、血紅素氧合酶-1（HO-1）、人谷胱甘肽 S 轉(zhuǎn)移酶（GST）、人谷胱甘肽合成酶（GSS）水平等影響誘導(dǎo)抗氧化酶產(chǎn)生，增強細(xì)胞清除自由基（ROS）的能力，以維持氧化還原平衡，減少氧化損傷[12]。Dong等[13]在肝星狀細(xì)胞體外培養(yǎng)實驗中發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可通過激活Nrf2-ARE信號通路中Nrf2因子促進谷胱甘肽的表達(dá)、抑制ROS的產(chǎn)生、抑制p38絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）活性，具有潛在肝硬化防治作用；Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可通過調(diào)控Nrf2-ARE信號通路，產(chǎn)生抗氧化應(yīng)激效應(yīng)，改善高糖誘導(dǎo)的人近端腎小管細(xì)胞系HK-2的損傷；Deng等[15]在糖尿病酮癥酸中毒小鼠模型中的研究發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可激活Nrf2和JNK起到抗氧化作用，從而降低血糖并增加血清胰島素分泌。黃芪甲苷還可以協(xié)同順鉑影響p62基因的表達(dá)，減少Keap1蛋白降解，抑制Nrf2非經(jīng)典通路激活，降低了腫瘤細(xì)胞的表達(dá)，降低了細(xì)胞抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的能力[16]。由此可見黃芪甲苷可通過激活Nrf2-ARE信號通路抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)的細(xì)胞保護性生物學(xué)效應(yīng)，但目前相關(guān)的研究有限，其分子機制還有待于進一步研究，特別是該通路的關(guān)鍵因子Nrf2上游調(diào)控機制。

2 MAPKs信號通路

絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路可被許多細(xì)胞內(nèi)、外刺激物激活，包括細(xì)胞因子、生長因子、激素以及氧化應(yīng)激的應(yīng)激源，該通路在許多細(xì)胞生物過程（增殖、分化、應(yīng)激反應(yīng)、運動、生長、分化、存活和死亡）的調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵作用，氧化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的ROS是激活MAPKs信號通路的重要應(yīng)激源，ROS激活的MAPKs信號通路主要包括JNK通路、p38 MAPK通路和ERK通路，JNK、p38 MAPK和ERK均屬于MAPK的蛋白家族，是MAPKs三級結(jié)構(gòu)信號通路的關(guān)建因子[17]。Deng等[15]的研究發(fā)現(xiàn)小鼠經(jīng)口給予黃芩甲苷可增強胰腺組織抗氧化能力、改善胰腺組織損傷，其中JNK信號通路和Nrf2信號通路參與其中。Wang等[18]在脂多糖誘導(dǎo)的小鼠子宮內(nèi)膜炎模型研究中發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可有效降低炎性細(xì)胞因子（IL-1β和TNF-α）水平、NO濃度和髓過氧化物酶活性，抑制TLR4介導(dǎo)的NF-κB、p38MAPK通路和JNK信號通路，有效地減輕子宮內(nèi)膜炎。Zheng等[19]發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷通過抑制小窩蛋白-1（CAV-1）導(dǎo)致乳腺癌細(xì)胞系嚴(yán)重的氧化損傷，增強紫杉醇對乳腺癌的化療敏感性，而JNK、p38MAPK和ERK的活性抑制在此過程中扮演了重要作用。Yang等[20]在大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞氧糖剝奪/復(fù)氧（OGD/R）損傷的保護作用研究中發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷通過JNK通路抑制氧化應(yīng)激和凋亡途徑保護OGD/R誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞損傷。Wu等[21]發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷通過抑制MAPKs信號通路中的下游因子（p-ERK和p-p38），減輕人類心肌細(xì)胞的缺血和缺氧所致的氧化損傷。Chen等[22]發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷能顯著降低間歇性缺氧誘導(dǎo)的人肺上皮Beas-2B細(xì)胞ROS水平、提高SOD水平，抑制JNK通路、p38 MAPK通路和NF-κB信號通路來減輕炎癥和氧化應(yīng)激損傷。另外研究[23]發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷通過降低ROS水平抑制p38 MAPK信號通路，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。黃芪甲苷通過抑制氧化應(yīng)激、激活p38 MAPK通路抑制肝纖維化發(fā)生[24]。黃芪甲苷可以靶向抑制氧化應(yīng)激和凋亡預(yù)防急性腎損傷，其機制與腎小管細(xì)胞p38 MAPK通路激活有關(guān)[25]。黃芪甲苷預(yù)處理的牛乳腺上皮細(xì)胞（MAC-T）可有效抑制氨誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激水平、抑制炎癥反應(yīng)，由PI3K-AKT和ERK通路激活Nrf2因子在此過程中具有重要意義[26]。黃芪甲苷可預(yù)防大鼠缺血誘導(dǎo)的急性腎損傷，主要機制是通過降低p-ERK的水平、提高抗氧化能力[27]。黃芪甲苷通過干擾細(xì)胞周期，通過上調(diào)Caspase-3基因表達(dá)和下調(diào)bcl-2/bax的基因表達(dá)促進其凋亡，抑制淋巴細(xì)胞增殖[16]。黃芪甲苷通過降低MAPK家族成員中ERK相關(guān)蛋白表達(dá)情況，減少體內(nèi)外的磷酸化，從而抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞U251的增殖、遷移和侵襲[16]。由此可見，MAPKs信號通路在黃芪甲苷的抗氧化應(yīng)激過程中起到重要作用，而且涉及多組織器官及細(xì)胞的多種病理學(xué)變化的保護效應(yīng)，是所有相關(guān)細(xì)胞信號通路中研究最廣泛的。

3 PI3K-AKT信號通路

磷脂酰肌醇3（PI3K）及其下游絲氨酸/蘇氨酸蛋白B（AKT）是PI3K-AKT信號通路的2個重要因子，特別是AKT在調(diào)控細(xì)胞代謝、生長、增殖、存活、基因轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成等方面具有重要作用[28]。ROS可以作為細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的化學(xué)信使，激活內(nèi)源性PI3KAKT通路，調(diào)節(jié)細(xì)胞抗氧化損傷防御系統(tǒng)以及細(xì)胞增殖、存活和凋亡[29-30]。Yang等[31]在缺血再灌注損傷的體外研究發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷具有很好的抗氧化和抗炎的作用，其中PI3K/AKT/HO-1信號通路起到了關(guān)鍵作用；黃芪甲苷聯(lián)合大黃、姜黃抑制裸鼠乳腺癌細(xì)胞PI3K/AKT/mTOR信號通路的表達(dá)，上調(diào)Nrf2表達(dá)從而調(diào)節(jié)炎癥和氧化應(yīng)激，具有抑癌效果[32]；此外，黃芪甲苷還可以通過激活PI3K-AKT通路調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡，減少阿霉素引起的心臟損傷[33]；另有研究[34]發(fā)現(xiàn)，黃芪甲苷可能參與抑制PI3K/AKT/Fox01信號通路，增強胞內(nèi)線粒體自噬活性，實現(xiàn)清除ROS的目的，一定程度上降低氧化應(yīng)激帶來的細(xì)胞損傷。黃芪甲苷在蛋白和基因水平上降低ILT4的表達(dá)，顯著抑制P13K/AKT信號通路來影響肺癌免疫逃逸的后續(xù)階段，從而抑制非小細(xì)胞肺癌的發(fā)生[34]。Zhu等[36]發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷顯著抑制胃癌細(xì)胞的侵襲、遷移，降低PI3K/AKT信號通路活化程度，從而逆轉(zhuǎn)TGF-β1誘導(dǎo)的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化。以上研究表明，黃芪甲苷可以通過激活PI3K-AKT信號通路降低氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和生存之間的平衡，減少ROS生成，保護細(xì)胞的分化和存活能力，對機體多種組織細(xì)胞起到保護作用。

4 NF-κB信號通路

NF-κB 蛋白（nuclear factor kappa-B,NF-κB）通常由P65和P50形成異源二聚體，在胞質(zhì)中因與抑制蛋白IkB結(jié)合形成三聚體復(fù)合物而處于失活狀態(tài)，上游信號經(jīng)IKK激酶級聯(lián)激活I(lǐng)kB蛋白使脫離三聚體并將NF-κB二聚體解離出來，解離的NF-κB二聚體進入細(xì)胞核與目標(biāo)基因結(jié)合調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，進而參與宿主免疫、炎癥、細(xì)胞增殖和凋亡等多種生物學(xué)功能[37]。在氧化應(yīng)激響應(yīng)的信號通路中，NF-κB信號通路是重要的通路之一，研究發(fā)現(xiàn)[38]，它可通過增加抗氧化蛋白（如SOD）的表達(dá)來控制ROS水平；Purdy等[39]研究表明，氧化應(yīng)激產(chǎn)物ROS在炎癥的激活中起關(guān)鍵作用，ROS的積累通過抑制NF-κB信號通路減少促炎因子的釋放。Hsieh等[40]研究發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可通過調(diào)節(jié)人支氣管上皮細(xì)胞NF-κB、MAPK和HO-1/Nrf2信號通路發(fā)揮抗炎和抗氧化作用；黃芪甲苷通過TLR4/NF-κB信號通路促進抗炎及抗氧化因子的表達(dá)，減輕胎盤氧化應(yīng)激水平和炎癥反應(yīng)而有效地預(yù)防小鼠妊娠期糖尿病發(fā)生[41]；在壞死性小腸結(jié)腸炎小鼠模型研究中，黃芪甲苷可通過調(diào)節(jié)VDUP1/NF-κB信號通路阻止MDA和髓過氧化物酶濃度下降、提高GSH和SOD活性，有效地抑制氧化應(yīng)激水平，阻止腸道變性[42]；還有研究[43]顯示黃芪甲苷通過調(diào)控NF-κB通路顯著提高肺組織中CAT和SOD的水平，降低MDA的水平，降低PM2.5誘導(dǎo)的大鼠的氧化應(yīng)激水平。由此可見，黃芪甲苷通過調(diào)控NF-κB信號通路的抗氧化應(yīng)激作用的機制是多方面的，既可以通過氧化應(yīng)激的產(chǎn)物激活NF-κB信號通路反饋性促進抗氧化因子的表達(dá)，也可以協(xié)同其他信號通路共同完成抗氧化作用。

5 JAK-STAT信號通路

JAK-STAT信號通路是哺乳動物免疫系統(tǒng)中一個重要的信號通路，JAK-STAT信號通路是一條由細(xì)胞因子刺激的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與細(xì)胞的增殖、分化、凋亡以及免疫調(diào)節(jié)等許多重要的生物學(xué)過程。JAK/STAT信號通路主要由3種成分組成，即酪氨酸激酶相關(guān)受體、酪氨酸Janus激酶（JAK1、JAK2、TYK2、JAK3）和信號傳感器和轉(zhuǎn)錄激活因子（STAT1-6），活化的STATs形成同源或異源二聚體進入核內(nèi)調(diào)控相應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄而參與細(xì)胞的生物學(xué)功能[44]。研究發(fā)現(xiàn)通過抑制JAK-STAT信號通路可有效地降低ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)[45]。Huang等[46]研究發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷通過激活NF-κB和JAK1/STAT1信號通路，調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，有助于預(yù)防腦缺血后誘發(fā)的神經(jīng)細(xì)胞損傷；Xu等[47]研究表明黃芪甲苷在腦缺血模型中可有效地降低ROS水平和激活JAK2/STAT3信號通路，對神經(jīng)細(xì)胞有保護作用，但氧化應(yīng)激水平的抑制和JAK2/STAT3信號通路的活化之間是否存在相關(guān)性尚未可知；也有研究在帕金森氏病和慢性阻塞性肺疾病模型中發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷可降低ROS水平、提高SOD水平和激活JAK2/STAT3或JAK3/STAT3信號通路，緩解炎癥和氧化應(yīng)激[48-49]。JAK/STAT信號通路雖然參與氧化應(yīng)激反應(yīng)過程，但并非是主要的調(diào)控通路，黃芪甲苷的抗氧化應(yīng)激反應(yīng)同時會激活部分JAK/STAT信號通路，但這二者之間的分子機制還不清晰。

6 其他

黃芪甲苷可以降低H2O2誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，提高細(xì)胞存活率并減少凋亡細(xì)胞數(shù)量，其分子機制是抑制線粒體細(xì)胞色素C釋放，抑制Bax和caspase-3的表達(dá)，增加Bcl-2的表達(dá)，具有較強的抗氧化活性[50]；黃芪甲苷可通過降低氧化應(yīng)激和抑制TGF-β1/Smads信號通路對大鼠的糖尿病腎病起到保護作用，但氧化應(yīng)激與TGF-β1/Smads信號通路之間互作關(guān)系不詳[51]；黃芪甲苷可有效改善阿霉素誘導(dǎo)的小鼠心肌細(xì)胞損傷和凋亡，其分子機制主要通過抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NOX）而降低細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平[52]；還有研究表明黃芪甲苷可能通過激活PPARγ-Klotho-FoxO1信號通路抑制氧化應(yīng)激減輕足細(xì)胞凋亡，從而改善糖尿病腎病[53]。

綜上所述，黃芪甲苷作為抗氧化應(yīng)激有效的活性成分已被廣泛的研究，其發(fā)揮抗氧化作用的分子機制十分復(fù)雜，本文以與氧化應(yīng)激相關(guān)的細(xì)胞分子信號通路為主線，對黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激的分子機制總結(jié)發(fā)現(xiàn)參與黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激的細(xì)胞信號通路主要是MAPKs通路、PI3K-AKT通路、Nrf2-ARE通路、NF-κB通路、JAK-STAT通路，各信號通路之間存在著多種復(fù)雜的交聯(lián)方式，如上下游關(guān)系、節(jié)點交叉、拮抗平衡關(guān)系等，黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激的作用不是單一信號通路的機制，往往是多信號通路的交聯(lián)作用結(jié)果，迄今為止尚無一篇文獻(xiàn)能夠全面系統(tǒng)研究黃芪甲苷抗氧化應(yīng)激的整個分子機制。因此，以后的研究需要對黃芪甲苷及其信號通路有更詳細(xì)的了解，以更好地理解黃芪甲苷相關(guān)信號通路復(fù)雜作用，拓展黃芪甲苷的應(yīng)用范圍。