KEAP1-NRF2信號通路調控視網膜氧化應激的研究進展

谷志明,鐘維琪,蘭長駿,廖 萱

0 引言

氧氣是生命活動所必需的化學元素。缺氧等因素可誘使機體活性氧(reactive oxygen species, ROS)和自由基釋放增多,從而打破正常的氧代謝平衡并造成細胞膜脂質代謝失調。因此大量ROS和自由基得以穿透細胞膜而進入細胞質和細胞核,影響RNA及蛋白質的正常表達,最終引起組織結構紊亂和功能異常[1]。視網膜作為眼部最重要的感光元件,也是人體內氧耗量最大的組織之一,因其多不飽和脂肪酸含量豐富且線粒體密度較高,所以對氧代謝變化極為敏感。當各種原因引起氧供失衡后,視網膜極易出現脂質過氧化,并誘發一系列連鎖反應導致氧化應激(oxidative stress, OS)損害[2-3]。已有研究表明多種視網膜疾病均與OS有關,而Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1(kelch-like ECH-associated protein 1, KEAP1)與核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, NRF2)共同構成的KEAP1-NRF2信號通路在其中扮演了重要角色,因此本文擬對此作一簡要綜述。

1 KEAP1-NRF2信號通路

KEAP1是一種含有5個結構域并廣泛存在于正常組織細胞質中的結合蛋白,NRF2是包含6個同源且高度保守堿性亮氨酸拉鏈結構域的抗氧化基因調節蛋白。KEAP1-NRF2信號通路在調節抗OS基因及抵御ROS和自由基等有害物質損傷中發揮了重要作用,通過調節下游多種酶類及蛋白表達,以維持機體的氧化還原穩態和細胞存活,因此成為重要的內源性抗OS通路之一[4-5]。正常情況下,KEAP1在細胞質中通過雙重甘氨酸重復區與NRF2緊密結合,對其進行泛素化修飾并使其降解。組織缺氧誘發OS后,酪氨酸激酶催化KEAP1與NRF2在細胞質解離,隨后KEAP1在細胞質迅速降解,NRF2則持續進入細胞核調控其下游的抗氧化反應元件而發揮抗OS作用,以保護機體免受過量ROS和自由基傷害[6]。

2 KEAP1-NRF2調控視網膜氧化應激的機制

視網膜是體內氧耗量最高的組織之一,含有大量不飽和脂肪酸且具有極高的線粒體密度,因此對氧含量變化高度敏感,極易受到OS損傷。ROS和自由基異常增多是誘發OS的中心環節,缺血缺氧、過度光照以及高糖環境均是促進視網膜ROS和自由基增多,并引起OS而導致損傷的重要原因。

2.1KEAP1-NRF2與視網膜缺血缺氧所致氧化應激缺血缺氧是促進視網膜ROS與自由基異常增多而引起OS的首要因素[7]。血流供應減少使視網膜出現相對缺氧,并誘導ROS異常累積后,大量消耗了超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)及過氧化氫酶,因此削弱了組織的抗氧化能力,致使構成血-視網膜屏障的視網膜內皮細胞(retinal endothelial cell, REC)和視網膜色素上皮層代謝異常[8-10];繼而在腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)、核苷酸結合寡聚化結構域受體蛋白3 (NOD-like receptor protein 3, NLRP3)等炎性因子作用下引起血管滲漏和新生血管形成[11-12],最終造成視覺功能損傷。增強KEAP1-NRF2信號通路活性并上調抗氧化基因SOD等的表達,可抑制TNF和NLRP3小體異常蓄積,并逆轉視網膜中內皮-間質轉化以及上皮-間質轉化[11-12],改善上述病理變化。此外,參與炎癥反應的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶調節體內ROS表達,并影響視網膜中NRF2的抗氧化能力[13-14]。干預KEAP1-NRF2信號通路在對抗OS所致損傷方面具有重要作用,有望成為治療相關疾病的靶點。另有研究發現,激活NRF2刺激REC旁分泌可促進血運重建并抑制病理性新生血管形成[15],KEAP1-NRF2在視網膜中抗OS作用機制的多樣性值得進一步研究。

2.2KEAP1-NRF2調控光照所致視網膜氧化應激除缺血缺氧外,過度光照是破壞視網膜微環境并誘導OS而損傷視網膜的另一重要因素。適當的光照刺激可被視網膜神經元感知并傳遞至大腦產生正常視覺信號。然而隨著光照時間延長及光照強度提高,可使視網膜上的感光細胞吸收能量增多并導致ROS累積,同時誘使自由基與細胞膜上的多不飽和脂肪酸相互作用生成丙二醛等脂質過氧化產物,對細胞膜正常結構和功能造成破壞,繼而促進細胞凋亡并導致其出現不可逆損傷[16-18]。過量釋放的ROS可引起視網膜轉錄因子肌細胞增強因子2氧化還原修飾異常,并抑制NRF2轉錄,進而引起視網膜對光誘導OS反應增強,并出現感光細胞層厚度變薄、感光細胞死亡、視紫紅質減少等形態變化及功能障礙等病理改變[19]。增強NRF2通路活性并促進SOD和血紅素加氧酶-1(heme oxygenases-1, HO-1)等內源性抗氧化物表達后,降低了ROS含量,光致OS引起的視網膜損傷也得以緩解[20]。但Liang等[21]指出NRF2抑制光致OS損傷的功效僅限于視網膜輕度損傷,對于嚴重損害的保護作用似乎不甚明顯。因此,KEAP1-NRF2信號通路對于光致OS損傷的保護作用還有待深入研究。

2.3KEAP1-NRF2調控高糖所致視網膜氧化應激高糖環境可通過促進脂質代謝并增加游離脂肪酸含量,使細胞膜出現脂質過氧化,造成細胞及線粒體異常凋亡而誘發OS[22]。此外,高糖還可中斷氧化呼吸鏈的電子傳遞,引起細胞膜電位下降,繼而誘使ROS和自由基等超氧化物過度生成,從而造成組織損傷[23-24]。激活NRF2可恢復降低的視網膜細胞膜電位水平,并促進其下游的抗氧化物表達而緩解高糖所致OS[25]。半胱氨酸殘基修飾變化可以調控KEAP1與NRF2解離速度而影響NRF2核易位,并與抗氧化反應元件結合,因此在保護視網膜免受高糖所致OS中同樣發揮重要作用[26]。這些結果提示了KEAP1-NRF2緩解高糖所致OS損傷作用機制的復雜性。

2.4KEAP1-NRF2對視網膜細胞自噬的調節線粒體是進行有氧呼吸并產生能量的主要場所,對氧含量變化高度敏感,因此是ROS的主要作用靶點。另外,線粒體也是調節OS及細胞自噬的關鍵環節。研究表明OS引起胞質蛋白、線粒體和內質網等結構破壞后,自噬機制開始清除受損的細胞器,并通過自噬受體蛋白p62誘導KEAP1降解,同時促使NRF2從細胞質轉移至細胞核中積聚而參與調控DNA損傷反應,最終使NRF2與抗氧化基因結合而維持細胞穩態并發揮保護作用[27-28]。劇烈的OS可抑制視網膜上皮細胞NRF2表達并降低抗氧化物HO-1水平,導致自噬功能障礙并引起損傷。使用NRF2激活劑瞬時上調p62可抑制自噬體降解,自噬反應的保護作用也因此增強[29-31]。提示時相變化可能影響NRF2對自噬機制的調節。由于自噬機制既可發揮正面作用,也可產生不良影響;因此NRF2改善OS所致自噬異常而減輕視網膜損傷的調節機制尚需更多研究來深入探討。

3 KEAP1-NRF2與其他通路相互作用

KEAP1-NRF2信號通路作為調控OS的中心環節,多種信號通路均能與其相互影響而發揮抗OS作用。腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信號通路是參與細胞能量代謝的重要因子。激活AMPK可與NRF2共同作用而減弱視網膜中由OS所致細胞內脂質異常蓄積,從而避免組織損傷[32]。絲氨酸/蘇氨酸激酶(phosphoinositide kinase-3/serine-threonine-protein kinase, PI3K/AKT)信號通路通過調節細胞代謝、生長、增殖和凋亡,以維持視網膜的正常功能。OS可使視網膜中的PI3K/AKT表達下降,繼而抑制細胞增殖并促進凋亡,最終引起損傷。激活PI3K/AKT可提高NRF2磷酸化及核易位水平,視網膜細胞抗OS能力也得以增強,并通過抑制視網膜細胞上皮間質轉化而緩解組織功能異常[33-35]。NRF2還可與JNK信號通路相互作用而激活其下游HO-1、NQO-1等二相抗氧化基因來減輕OS所致視網膜損傷[36]。

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)作為調節細胞膜到細胞核信號轉導的重要因子,對減輕OS所致視網膜炎癥有重要意義。有報道稱,降低MAPK磷酸化及活化水平可引起NRF2表達增加,并抑制炎性通路NF-kb的磷酸化水平而使其失活,進而抑制細胞凋亡以減輕視網膜炎癥反應[37]。然而另有研究報道激活MAPK/ERK信號通路以促進NRF2表達而抑制OS所致細胞凋亡的作用僅在激活早期出現,MAPK/ERK激活晚期反而促進視網膜的細胞凋亡,提示NRF2對細胞凋亡的調控作用與時相有關,MAPK與NRF2在不同時相的反饋機制存在差異[38]。由此可見,NRF2對OS所致炎性因子的調節作用機制極為復雜,如何對其進行調控而減輕OS所致視網膜損傷值得進一步研究。

4 總結與展望

綜上所述,調控KEAP1-NRF2信號通路與其上下游多種信號通路的相互作用,是增強視網膜抗氧化能力,清除異常蓄積的ROS和自由基,并減輕脂質過氧化而緩解OS所致損傷的重要途徑,提示KEAP1-NRF2信號通路在治療相關疾病方面具有強大潛力,為治療OS所致視網膜損傷提供了新思路和靶點。