羅琳張纓

1北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）2貴州師范大學(xué)體育學(xué)院（貴州 貴陽 550001）

運動與Keap1-Nrf2-ARE抗氧化信號通路研究進展

羅琳1，2張纓1

1北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）2貴州師范大學(xué)體育學(xué)院（貴州 貴陽 550001）

Keap1-Nrf2-ARE信號通路是機體重要的抗氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)通路，在清除活性氧，保護機體免受缺氧、炎癥、氧化應(yīng)激等反應(yīng)帶來的細胞損傷中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。本文綜述Nrf2的分子結(jié)構(gòu)、Nrf2基因多態(tài)性與運動能力、運動激活Keap1-Nrf2-ARE信號通路以及影響Keap1-Nrf2-ARE信號通路與運動關(guān)系等方面的最新研究進展，以期為運動訓(xùn)練、運動員選材、運動性疲勞的預(yù)防及低氧訓(xùn)練等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論參考。

運動；Keap1-Nrf2-ARE；信號通路；氧化應(yīng)激

某些條件（如疾病、炎癥、運動）會使機體由于代謝失常產(chǎn)生大量的自由基，從而造成細胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)失衡，氧化應(yīng)激水平增加，以及內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的破壞，進一步導(dǎo)致細胞損傷、正常功能喪失甚至凋亡。研究表明，Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）、核因子E2相關(guān)因子2（nuclear factor E2related factor 2，Nrf2）以及Nrf2靶基因DNA啟動子上的抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant response element，ARE）共同組成的Keap1-Nrf2-ARE信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，在抗氧化應(yīng)激中起著十分重要的作用[1-3]。

目前人們對Keap1-Nrf2-ARE信號通路的研究多見于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要集中在對糖尿病、腫瘤和老年退行性病變等多種疾病的影響及其影響機制方面[4-6]。而關(guān)于運動與Keap1-Nrf2-ARE信號通路的研究相對甚少，本文就Nrf2的分子結(jié)構(gòu)、Nrf2基因多態(tài)性與運動能力、運動激活Keap1-Nrf2-ARE信號通路以及影響Keap1-Nrf2-ARE信號通路與運動關(guān)系的因素等作一綜述。

1 Nrf2的基本分子結(jié)構(gòu)

Nrf2屬于轉(zhuǎn)錄因子Cap-n-collar（CNC）家族，含有高度保守的堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)。Nrf2含有6個結(jié)構(gòu)域（Nrf2-ECH homology，Neh），分別是Neh1、Neh2、Neh3、Neh4、Neh5和Neh6區(qū)。Neh1區(qū)包含1個C端亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)（basic leucime zipper，bZip），bZip與細胞核內(nèi)小Maf蛋白結(jié)合形成異源二聚體，進而識別和獲得與Nrf2靶基因DNA啟動子上特殊結(jié)合序列ARE的結(jié)合能力；Neh2區(qū)參與與Keap1的結(jié)合；Neh3區(qū)與Nrf2維持轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)；Neh4和Neh5區(qū)參與下游靶基因轉(zhuǎn)錄的激活；Neh6區(qū)為氧化還原非敏感區(qū)，在氧化應(yīng)激狀態(tài)下與Nrf2的降解有關(guān)[7-8]。

2 Nrf2基因多態(tài)性與運動能力

研究表明，Nrf2基因多態(tài)性與運動能力有關(guān)聯(lián)。波蘭賽艇運動員在Nrf2基因rs7181866位點上，基因AA型運動員所占比例明顯高于其他非耐力項目運動員[9]。Eynon發(fā)現(xiàn)，在對中長跑運動員的研究中對上述結(jié)果也得到了證實，中長跑運動員AA型所占比例顯著高于短跑運動員和普通人[10]。因此，有學(xué)者提出將Nrf2的基因多態(tài)性檢測作為耐力運動員選材的參考指標(biāo)[11]。但這些研究結(jié)果是否適用于所有人群或人種，還需要進一步研究證實。

3 運動激活Keap1-Nrf2-ARE抗氧化信號通路

機體有氧代謝過程中會產(chǎn)生包括超氧陰離子、單線態(tài)氧、羥由基、過氧化氫、一氧化氮和脂質(zhì)過氧化自由基等在內(nèi)的活性氧（reactive oxygen species，ROS）。正常情況下，機體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡，當(dāng)機體遇到缺氧、氧化應(yīng)激和炎癥等多種因素影響下，可造成體內(nèi)ROS失衡，直接激活ROS介導(dǎo)的信號通路，引起脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等大分子生物分子破壞損傷以及細胞凋亡等，最終導(dǎo)致機體運動性疲勞的發(fā)生[11-13]。研究表明ROS是Nrf2活化的關(guān)鍵因子，可激活Keap1-Nrf2-ARE信號通路[1]，具體過程如下：

在正常狀況下，Nrf2與Keapl形成二聚體，通過泛

素化降解作用，抑制Nrf2活性，使Nrf2的表達保持在較低水平[1]。但劇烈運動可引起運動性內(nèi)源性ROS產(chǎn)生迅速增多，引發(fā)Keapl的構(gòu)象發(fā)生改變，使得Nrf2與Keapl解偶聯(lián)，解離的Nrf2進入細胞核通過其Neh1區(qū)的bZip結(jié)構(gòu)與核內(nèi)小Maf蛋白結(jié)合形成異源二聚體，進而與靶基因啟動子上的ARE結(jié)合，啟動下游包括過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxidase dismutase，SOD）、NADPH醌氧化還原酶1（NADPH quinine oxidoreductase1，NQO1）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）和血紅素加氧酶1（hemeoxygenase1，HO-1）等一系列抗氧化酶和II解毒酶基因的轉(zhuǎn)錄[7、8、14]，從而促進抗氧化酶的表達，有效清除體內(nèi)產(chǎn)生的過剩自由基，并將體內(nèi)外源和內(nèi)源性的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的代謝產(chǎn)物，排除體外[15-16]。見圖1。

4 影響Keap1-Nrf2-ARE信號通路與運動關(guān)系的因素

4.1 運動形式

由于運動形式不同，氧化應(yīng)激的刺激不同，進而對機體Keap1-Nrf2-ARE信號通路的影響也會不同。Muthusamy[17]的研究發(fā)現(xiàn)安靜狀態(tài)下Nrf2基因敲除鼠與野生鼠相比，小鼠心肌組織的抗氧化酶蛋白表達量沒有顯著差異，但在急性運動刺激后，Nrf2基因敲除小鼠體內(nèi)的抗氧化酶蛋白表達量顯著低于正常野生鼠。另有研究表明，一次急性劇烈運動可提高小鼠骨骼肌Nrf2靶基因的mRNA轉(zhuǎn)錄[18]、腎臟[1、19]和心肌細胞[20]的大多數(shù)抗氧化酶基因的表達。一次性急性運動骨骼肌Nrf2與ARE的結(jié)合活性與運動時間呈正相關(guān)[18]。MacNeil[21]發(fā)現(xiàn)青年受試者一次3小時的急性運動后股外側(cè)肌Nrf2核蛋白含量較運動前增加了40.1%。有研究表明Nrf2的表達依賴于運動強度，隨著運動強度增強，Nrf2表達增加[22]。但也有研究表明，大鼠力竭性跑臺運動后即刻骨骼肌Nrf2蛋白表達、靶基因GR、Gpx1、GST蛋白表達和酶活性變化不大，但靶基因NQO1蛋白表達和酶活性顯著性降低[23]。過于激烈的急性運動會造成明顯的Nrf2異位和ARE結(jié)構(gòu)損傷[24]，影響Keap1-Nrf2-ARE信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)，進而影響機體抗氧化應(yīng)激作用的發(fā)揮。相對于急性劇烈運動，長時間低強度的一次運動后Nrf2的蛋白表達趨于穩(wěn)定，未見明顯Nrf2結(jié)構(gòu)損傷，有利于Nrf2的抗氧化作用[24-25]。

眾所周知，長期耐力訓(xùn)練可以使機體線粒體數(shù)目增加，氧化磷酸化能力增強，ATP生成增多。而長期耐力訓(xùn)練可使Nrf2轉(zhuǎn)錄活性和表達量增加[26-27]，因此，有人推測Nrf2除了在長期耐力訓(xùn)練中發(fā)揮機體抗氧化作用外，Nrf2可能在耐力訓(xùn)練誘導(dǎo)線粒體生物合成和氧化磷酸化過程中也起重要的作用[28]。

4.2 性別

性別差異會影響Keap1-Nrf2-ARE信號通路的抗氧化應(yīng)激能力。有研究發(fā)現(xiàn)，4周跑臺運動后，雄性Nrf2

基因敲除鼠平均每天跑距比雄性野生鼠顯著低51%，而雌性Nrf2基因敲除鼠和雌性野生鼠差異不大[29]。推測雄性Nrf2基因敲除鼠運動能力的下降主要是由于Nrf2介導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激損傷所致。性別造成激素水平不同，從而引起運動、心血管和代謝系統(tǒng)上的差異，可能是性別對Keap1-Nrf2-ARE信號通路與運動關(guān)系影響的主要因素。至于具體的影響程度仍有待于進一步深入研究。

4.3 年齡

運動激活Keap1-Nrf2-ARE通路信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)也受年齡的影響。老年人進行適當(dāng)?shù)闹械葟姸冗\動，機體產(chǎn)生的自由基不僅對人體無害，反而可激活Keap1-Nrf2-ARE通路，促進抗氧化酶生成，有益于機體的健康[2]。長期適宜強度運動可以改善與年齡相關(guān)的抗氧化能力下降[19、24]。有研究表明，老年和青年受試者進行30分鐘亞極量強度的自行車運動后，骨骼肌核蛋白Nrf2、SOD1和SOD2的表達均顯著增加，并在24小時內(nèi)可恢復(fù)到基線水平，但青年組的SOD1表達較老年組更為明顯[30]。老年小鼠經(jīng)過耐力訓(xùn)練后再進行大強度急性運動，心肌Nrf2蛋白表達水平可接近于幼齡小鼠。結(jié)果顯示，長期適宜強度訓(xùn)練可以增強Nrf2的內(nèi)源性保護機制，抵抗年齡增長引起的自由基增加，對保護心肌免受氧化應(yīng)激性損傷有著積極的作用[26]。

4.4 氧濃度

環(huán)境氧濃度的高低會對機體抗氧化應(yīng)激能力產(chǎn)生影響。劉永[31]采用模擬低氧暴露觀察小鼠骨骼肌衛(wèi)星細胞C2C12ROS、Nrf2蛋白表達等的變化，MTT法檢測發(fā)現(xiàn)低氧預(yù)處理對H202誘導(dǎo)的C2C12細胞活性損傷有明顯改善，且與常氧H2O2預(yù)處理組相比，低氧預(yù)處理組細胞內(nèi)ROS含量顯著下降，Nrf2蛋白含量顯著增加，表明適度的低氧可促進Nrf2消除H2O2引起的骨骼肌細胞中ROS的生成增加。在體實驗也有類似的結(jié)果，Nrf2基因敲除小鼠在低氧條件下，抗氧化蛋白的表達顯著降低而氧化應(yīng)激反應(yīng)明顯增強，表明Keap1-Nrf2-ARE信號通路是低氧下機體抗氧化的主要通路[32-33]。

Keap1-Nrf2-ARE通路的激活不僅能緩解機體因低氧造成的氧化應(yīng)激反應(yīng)，同樣在高氧濃度環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)中也起著一定作用。蔡成發(fā)現(xiàn)[34]，早產(chǎn)鼠高氧暴露4～7天后肺組織中Nrf2mRNA表達顯著增強，提示高氧暴露可能通過上調(diào)Nrf2活性，提高機體抗氧化能力，減輕高氧肺損傷。

當(dāng)人體在不同氧濃度的環(huán)境中運動時，對Keap1-Nrf2-ARE信號通路的影響作用則變得更為復(fù)雜，弄清低氧訓(xùn)練及高氧恢復(fù)時該信號通路的變化及其調(diào)節(jié)機制，將有助于人體運動能力的提高和機體疲勞的恢復(fù)。

近年來，氧化應(yīng)激對Keap1-Nrf2-ARE信號通路的影響及其機制研究已涉及醫(yī)學(xué)的多種疾病領(lǐng)域，而運動對Keap1-Nrf2-ARE信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響，開闊了運動生理生化研究的新視野。運動對Keap1-Nrf2-ARE信號通路的上、下游調(diào)節(jié)作用及反饋機制目前仍不十分清楚，需要進一步研究。該方面的研究將會在運動訓(xùn)練、運動員選材、運動性疲勞的預(yù)防及低氧訓(xùn)練等相關(guān)研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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2016.01.15

國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：31471134）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助北京體育大學(xué)自主課題（項目編號：2016BS026）

張纓，Email：zhyi9256@126.com