尹圓圓，彭 輝，邵軍波，彭雙清，皮靜波，郭家彬

（1.中國(guó)人民解放軍疾病預(yù)防控制中心，北京100071；2.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110001）

NF-E2 相關(guān)因子2（NF-E2-related factor 2，Nrf2）屬于堿性亮氨酸拉鏈蛋白家族中的一員。生理狀態(tài)下，Nrf2 主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，其Neh2 結(jié)構(gòu)域與Kelch 樣ECH 相關(guān)蛋白1（Kelch-like ECHassociated protein 1，Keap1）的Kelch 結(jié)構(gòu)域相互作用并結(jié)合，Keap1和Cullin3環(huán)盒1E3泛素連接酶復(fù)合物的結(jié)合，導(dǎo)致Nrf2 的泛素化及蛋白酶體降解。當(dāng)細(xì)胞受到氧化或親電刺激時(shí)，Nrf2 與E3 泛素連接酶Keap1解偶聯(lián)并轉(zhuǎn)移入核，識(shí)別小Maf蛋白形成異二聚體后與靶基因啟動(dòng)子區(qū)的抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant response elements，ARE）結(jié)合，進(jìn)而調(diào)控激活下游的血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）、谷氨酰半胱氨酸連接酶和錳超氧化物歧化酶等抗氧化酶以及醌氧化還原酶1〔NAD（P）H：quinone oxidoreductase 1，NQO1〕、谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶等二相解毒酶。至今研究已發(fā)現(xiàn)Nrf2 調(diào)節(jié)的靶基因有200 多種。Nrf2 通路在維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝以及炎癥反應(yīng)、凋亡和自噬等細(xì)胞反應(yīng)發(fā)揮著重要作用。

線粒體廣泛參與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、類固醇激素合成、Ca2+穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程，在細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、炎癥、自噬、凋亡和死亡等生命活動(dòng)中也發(fā)揮十分重要的調(diào)控作用。線粒體具有非常活躍的動(dòng)力學(xué)特征，處于頻繁的融合與分裂過(guò)程中，其生物合成是細(xì)胞自我更新和損傷修復(fù)等調(diào)控的重要機(jī)制。線粒體同時(shí)也是活性氧自由基的重要靶標(biāo)。過(guò)量的活性氧自由基可攻擊破壞線粒體呼吸鏈，抑制呼吸鏈復(fù)合物酶的活性，迫使線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放，導(dǎo)致線粒體膜電位和ATP水平下降，最終破壞細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)，并誘導(dǎo)線粒體功能障礙。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究提示，Nrf2 在維持線粒體的功能和完整性中發(fā)揮著十分重要的調(diào)控作用。

1 Nrf2的結(jié)構(gòu)與基本調(diào)控機(jī)制

Nrf2 蛋白分子含有7 個(gè)不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域，包括Neh1～Neh7。Neh1 含有bZIP 結(jié)構(gòu)，可與小Maf蛋白結(jié)合形成異二聚體，使Nrf2能夠識(shí)別并結(jié)合到ARE 序列上的DNA 結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)下游基因轉(zhuǎn)錄；Neh2 是Nrf2 與Keap1 的結(jié)合區(qū)。Neh3，4 和5 是轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，通過(guò)與環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白等其他輔助蛋白結(jié)合參與Nrf2 目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄；；Neh6 與泛素連接酶β-TrCP 結(jié)合參與Nrf2 目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄活性的激活；Neh7可與維A酸X受體α結(jié)合，負(fù)向調(diào)控Nrf2的活性。

經(jīng)典的Nrf2 信號(hào)通路包括胞漿蛋白伴侶分子Keap1、Nrf2 和抗氧化反應(yīng)元件ARE 3 個(gè)組成部分。Keap1 是參與降解Nrf2 的E3 泛素連接酶，ARE 是一個(gè)特異性DNA 啟動(dòng)子結(jié)合序列，位于編碼抗氧化酶和Ⅱ相解毒酶的基因啟動(dòng)區(qū)域，在調(diào)節(jié)Nrf2 蛋白穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控中發(fā)揮重要作用。正常生理狀態(tài)下，Nrf2與Keap1結(jié)合并游離在細(xì)胞質(zhì)中；當(dāng)細(xì)胞受某些親電子化合物或氧化物攻擊時(shí)，Nrf2 與Keap1 解偶聯(lián)并轉(zhuǎn)移入核，與小Maf蛋白結(jié)合成異二聚體后，識(shí)別并結(jié)合于靶基因啟動(dòng)子區(qū)的抗氧化反應(yīng)元件ARE上，進(jìn)而啟動(dòng)下游基因的轉(zhuǎn)錄，這成為經(jīng)典的Nrf2 調(diào)控機(jī)制。此外，Nrf2通路還存在幾種非經(jīng)典的調(diào)控機(jī)制。例如，糖原合酶激酶3可導(dǎo)致Nrf2的Neh6結(jié)構(gòu)域上絲氨酸被磷酸化，隨后被β-TrCP-S期激酶相關(guān)蛋白質(zhì)1-Cullin1-環(huán)盒1E3連接酶復(fù)合體識(shí)別，引起Nrf2泛素化并被蛋白酶體降解[1-2]。Wu 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的肝硬變模型中，Nrf2的表達(dá)呈現(xiàn)甲基戊二酰輔酶A 還原酶降解蛋白1（HmgCoA reduc?tase degradation 1，Hrd1）依賴性的降低，提示Hrd1 E3 泛素連接酶也能調(diào)控Nrf2 的泛素化降解。在自噬反應(yīng)中，自噬銜接蛋白P62 的KIR 域可以與Keap1 相互作用，與Nrf2 競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)合Keap1，進(jìn)而促進(jìn)Keap1與Nrf2的解離，使Nrf2活化入核并啟動(dòng)下游基因的表達(dá)[4]。Nrf2 的調(diào)控機(jī)制十分復(fù)雜，不同條件下其調(diào)控機(jī)制不盡相同，而且其通路活化或抑制可能受多種調(diào)控機(jī)制的共同影響。

2 Nrf2 對(duì)線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)與能量代謝的調(diào)節(jié)作用

Nrf2 通過(guò)上調(diào)抗氧化基因的表達(dá)控制活性氧自由基水平，抑制線粒體膜電位下降，促進(jìn)ATP 合成，保護(hù)線粒體脂肪酸氧化和氧化磷酸化等線粒體功能，維持線粒體的氧化還原穩(wěn)態(tài)和能量代謝。

2.1 Nrf2與線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)

線粒體是細(xì)胞能量代謝的主要場(chǎng)所，也是細(xì)胞內(nèi)活性氧（reative oxygen species，ROS）的主要來(lái)源。線粒體通過(guò)呼吸鏈的電子傳遞合成ATP 為細(xì)胞提供能量，與此同時(shí)也產(chǎn)生ROS 這一副產(chǎn)物。Nrf2可通過(guò)調(diào)節(jié)多種抗氧化基因的表達(dá)，清除線粒體產(chǎn)生的過(guò)量的ROS，維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)。一方面，半胱氨酸是還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）生物合成的前體，Nrf2 可以直接調(diào)節(jié)催化GSH 生物合成中的限速步驟酶的表達(dá)[5]；另一方面，在線粒體內(nèi)，GSH過(guò)氧化物酶可以利用GSH和NADPH將超氧化物衍生的過(guò)氧化氫解毒為水，而所需的NADPH主要由4種酶產(chǎn)生，即蘋果酸酶1、異檸檬酸脫氫酶1、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶，在無(wú)Nrf2的情況下，蘋果酸酶1和磷酸戊糖途徑的3 種酶（即葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，轉(zhuǎn)醛醇酶和轉(zhuǎn)酮醇酶）的表達(dá)顯著降低。此外，線粒體超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶3 和硫氧還蛋白2 等線粒體抗氧酶的表達(dá)也都呈現(xiàn)一定的Nrf2 依賴性[6-7]。氧化應(yīng)激狀態(tài)下，與正常細(xì)胞相比，Nrf2 缺失的細(xì)胞中的活性氧自由基含量更高，對(duì)各種類型的氧化劑的毒性更加敏感。線粒體毒素（如魚(yú)藤酮）引起的氧化應(yīng)激與線粒體相關(guān)疾?。ㄈ缗两鹕『透ダ锏沦囅９矟?jì)失調(diào)）與Nrf2信號(hào)通路抑制密切相關(guān)，而激活Nrf2 能夠恢復(fù)GSH 水平并調(diào)節(jié)抗氧化基因的表達(dá)，維持細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)[8-9]。

2.2 Nrf2調(diào)節(jié)線粒體氧化磷酸化和ATP產(chǎn)生

三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化是線粒體合成ATP的主要方式。三羧酸循環(huán)發(fā)生在線粒體基質(zhì)，可產(chǎn)生NADH 和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸等高能分子，氧化磷酸化則是利用這些物質(zhì)還原氧氣釋放能量并且合成ATP。線粒體氧化磷酸化過(guò)程主要是通過(guò)呼吸鏈的復(fù)合物Ⅰ（NADH 脫氫酶）、Ⅱ（琥珀酸脫氫酶）、Ⅲ（細(xì)胞色素還原酶）和Ⅳ（細(xì)胞色素氧化酶）進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)線粒體呼吸鏈?zhǔn)軗p或復(fù)合物酶被抑制時(shí)，細(xì)胞可通過(guò)線粒體ATP合酶的ATP水解維持線粒體膜電位，從而恢復(fù)穿過(guò)膜的質(zhì)子梯度。與野生型小鼠的中腦神經(jīng)元（n544）相比，寡霉素（ATP 合酶的抑制劑）可明顯引起Nrf2 敲除小鼠神經(jīng)元出現(xiàn)線粒體去極化和功能紊亂。此外利用碘乙酸（糖酵解抑制劑）處理神經(jīng)元細(xì)胞，野生型小鼠神經(jīng)元ATP水平基本不受影響，但Nrf2敲除小鼠神經(jīng)元中的ATP 合成則很大程度被抑制[10]。Nrf2活化則可通過(guò)增強(qiáng)編碼NQO1、HO-1 和硫氧還蛋白還原酶等酶的基因的表達(dá)增加抗氧化能力，從而補(bǔ)償由于氧化磷酸化損傷所導(dǎo)致的ATP產(chǎn)生減少。

2.3 Nrf2對(duì)脂肪酸氧化的調(diào)節(jié)作用

脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，F(xiàn)AO）是細(xì)胞能量代謝的主要方式之一，其過(guò)程可包括肉堿循環(huán)、β-氧化反應(yīng)、電子傳遞和酮體合成。在線粒體脂肪酸氧化的第一步中，β-碳的pro-R 氫離子作為氫化物，將黃素腺嘌呤二核苷酸還原為黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體，參與電子傳遞和氧化磷酸化途徑，促進(jìn)ATP 的產(chǎn)生。低效率的FAO 和線粒體功能障礙將增加活性氧的生成，并可能造成DNA損傷。在Nrf2缺失的情況下，長(zhǎng)鏈脂肪酸（棕櫚酸）和短鏈脂肪酸（己酸）的線粒體氧化被抑制。當(dāng)Nrf2 具有活性時(shí)，線粒體氧化加速，脂肪酸含量增加刺激了野生型小鼠心和肝線粒體的呼吸，當(dāng)Nrf2活性高的時(shí)候，這一效應(yīng)更強(qiáng)[11]。脂肪酸轉(zhuǎn)移酶（CD36）位于血漿和線粒體膜上，參與肌肉、心和肝中的脂肪酸運(yùn)輸。Keap1 敲除小鼠禁食后，CD36 基因的表達(dá)增加，表明Nrf2 可通過(guò)對(duì)線粒體CD36的正向調(diào)控作用促進(jìn)禁食小鼠肝中脂肪酸的分解代謝[12]。炔屬三環(huán)雙（氰基烯酮）化合物（TBE-31）通過(guò)激活Nrf2，抑制給予高脂飲食以及含果糖的飲用水喂養(yǎng)的小鼠發(fā)生的肝脂肪變性和纖維化，且具有正負(fù)2 種調(diào)控機(jī)制。一方面，TBE-31 以Nrf2 依賴性方式增加限制肝中參與脂肪酸氧化和甘油三酯的輸出相關(guān)基因的表達(dá)，限制肝內(nèi)脂質(zhì)蓄積；另一方面，TBE-31以Nrf2 依賴性方式下調(diào)介導(dǎo)脂肪酸代謝紊亂相關(guān)基因的表達(dá)，抑制肝脂肪變性[13]。這些研究提示，Nrf2與線粒體脂肪酸氧化呈密切的正向調(diào)節(jié)關(guān)系。

2.4 Nrf2對(duì)線粒體膜電位與ATP水平的影響

由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子及其他離子濃度差異而形成線粒體膜電位。正常的線粒體膜電位是維持細(xì)胞內(nèi)鈣離子（Ca2+）穩(wěn)態(tài)，線粒體進(jìn)行氧化磷酸化、合成ATP的先決條件。Nrf2是線粒體呼吸復(fù)合物Ⅰ底物供應(yīng)的一種主要調(diào)節(jié)因子，對(duì)線粒體膜電位和ATP 的生成具有重要影響。在HT29和HCT116人結(jié)腸癌細(xì)胞中，沉默Nrf2基因可通過(guò)NF-κB 信號(hào)通路上調(diào)微小RNA（microRNA，miR）181c，導(dǎo)致線粒體基因編碼的電子傳遞鏈復(fù)合物亞基功能障礙，引起線粒體膜電位和ATP 含量降低[14-15]。Holmstr?m 等[10]發(fā)現(xiàn)，Nrf2 敲除小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的線粒體膜電位和ATP 合成水平與野生型小鼠細(xì)胞相比均出現(xiàn)降低，而且在體外無(wú)糖培養(yǎng)的情況下，線粒體膜電位的這種差異進(jìn)一步加劇。丙烯酰胺是一種慢性神經(jīng)毒素，能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生過(guò)量活性氧自由基，導(dǎo)致線粒體功能障礙和氧化還原狀態(tài)失衡，甚至細(xì)胞死亡。Song等[16]應(yīng)用人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（SH-SY5Y）研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)丙烯酰胺誘導(dǎo)的毒性，抗氧化劑α-硫辛酸處理可激活Nrf2/Keap1通路，進(jìn)而顯著抑制丙烯酰胺導(dǎo)致的GSH含量下降和線粒體膜電位耗竭，降低炎癥反應(yīng)并最終減輕丙烯酰胺的神經(jīng)細(xì)胞毒性。氟他胺是一種廣泛用于前列腺癌治療的非甾體類抗雄激素，本實(shí)驗(yàn)室近期研究結(jié)果表明，氟他胺可以劑量依賴性地誘導(dǎo)肝細(xì)胞毒性，導(dǎo)致過(guò)氧化氫積累和ATP 耗竭，破壞肝細(xì)胞中線粒體膜電位。低劑量的氟他胺可激活Nrf2/HO-1 通路，而高劑量的氟他胺則能顯著抑制這一通路。沉默Nrf2 或HO-1會(huì)加重氟他胺誘導(dǎo)的過(guò)氧化氫積累和線粒體功能障礙，應(yīng)用Nrf2通路激活劑能顯著減輕氟他胺引起的有害反應(yīng)。這些研究提示，Nrf2通路在調(diào)控氟他胺引起的肝細(xì)胞損害和線粒體功能中發(fā)揮作用[17]。

3 Nrf2與線粒體生物合成

線粒體生物合成是細(xì)胞自我更新和調(diào)控的重要機(jī)制。線粒體的生物合成受到細(xì)胞核DNA 和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的共同調(diào)控。線粒體的生物合成過(guò)程中涉及多個(gè)核轉(zhuǎn)錄因子和線粒體轉(zhuǎn)錄因子，如過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活因子1α（peroxisome proliferatoractivated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）、核呼吸因子（nuclear respiratory factor 1，NRF-1）和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（transcription factor A，mitochon?drial，TFAM）。越來(lái)越多的研究提示，Nrf2 在線粒體生物合成中發(fā)揮重要作用。Nrf2 通過(guò)與NRF-1的4個(gè)啟動(dòng)子序列結(jié)合而正向調(diào)控NRF-1，從而影響NRF-1 介導(dǎo)的線粒體生物合成。Shen 等[18]發(fā)現(xiàn)，Nrf2激活劑（R）-α-硫辛酸和乙酰-L-肉堿對(duì)小鼠3T3-L1脂肪細(xì)胞具有促進(jìn)線粒體增殖的作用，并觀察到mtDNA、耗氧量和線粒體生物標(biāo)志物（如PGC-1α，TFAM和NRF-1）的表達(dá)增加。Piantadosi等[19]在心肌細(xì)胞里確定Nrf2/HO-1 通路在NRF-1/α-PAL 介導(dǎo)的線粒體生物合成中起到關(guān)鍵作用。同樣Merry等[20]發(fā)現(xiàn)，在小鼠肌肉細(xì)胞中，Nrf2能夠上調(diào)NRF-1/PAL和TAFM的表達(dá)，調(diào)節(jié)線粒體生物合成，提高小鼠肌肉線粒體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)能力。α-突觸核蛋白基因多態(tài)性是帕金森病的特征性病變之一。Fu 等[21]研究表明，隨著α-突觸核蛋白的增加，mtDNA 拷貝數(shù)出現(xiàn)降低并伴隨線粒體氧化應(yīng)激等改變，而PGC-1α，NRF2 和TFAM 的表達(dá)則呈現(xiàn)早期增加后期下降趨勢(shì)，而Nrf2 激活劑tBHQ 能夠明顯逆轉(zhuǎn)這些改變。Pulliam 等[22]檢測(cè)了Surf1 敲除小鼠的心臟和骨骼肌的線粒體功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠相比，Surf1 基因敲除小鼠心臟中Nrf2被特異性激活，NRF-1和TFAM 等線粒體生物合成相關(guān)基因的蛋白表達(dá)也出現(xiàn)顯著升高，同時(shí)血乳酸水平升高，運(yùn)行耐力降低以及線粒體能量代謝受損，提示Nrf2在組織特異性線粒體逆向反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。類似地，Hayashi 等[23]研究結(jié)果表明，Nrf2 激活劑富馬酸甲二酯能夠增加人成纖維細(xì)胞中mtDNA拷貝數(shù)，并提高TFAM的表達(dá)。

線粒體轉(zhuǎn)錄因子包括PGC-1α，PGC-1β 和PGC-1 相關(guān)共激活因子（PGC-related coactivator，PRC），它們共同構(gòu)成共激活因子PGC-1 家族。其中，PGC-1α 被認(rèn)為是調(diào)控線粒體生物合成的管家因子。PGC-1α通過(guò)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶和絲裂原活化蛋白激酶等途徑，激活下游的NRF-1 和TFAM 等轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)線粒體進(jìn)行生物合成及脂肪酸氧化等生理過(guò)程[24]。膿毒癥造模組動(dòng)物的心肌組織和線粒體結(jié)構(gòu)明顯受損，ATP 水平降低，心肌線粒體腫脹程度加重，給予硫化氫鈉處理后，Nrf2，Pgc-1α 和Tfam mRNA 表達(dá)水平上調(diào)，膿毒癥組的心肌組織和線粒體結(jié)構(gòu)改善，ATP水平升高，心肌線粒體腫脹程度減輕，硫化氫鈉對(duì)膿毒癥心肌線粒體損傷具有保護(hù)作用，提示其機(jī)制可能在于增強(qiáng)PGC-1α/Nrf2通路和線粒體生物合成[25]。PGC-1α通過(guò)激活P38，導(dǎo)致糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）失活，進(jìn)一步啟動(dòng)Nrf2介導(dǎo)的抗氧化反應(yīng)，從而保護(hù)人腎小管細(xì)胞免受H2O2介導(dǎo)的凋亡損傷。PGC-1α對(duì)P38/GSK3β/Nrf2 軸的調(diào)節(jié)可能是改善急性腎損傷后線粒體功能障礙的可行靶點(diǎn)。研究表明，PGC-1α 與Nrf2 兩者之間的正反饋調(diào)節(jié)能夠維持線粒體的質(zhì)量和氧化還原穩(wěn)態(tài)，并增強(qiáng)線粒體的抗氧化作用[26]。此外，線粒體生物合成還需要合成核苷酸，磷酸戊糖途徑是核苷酸合成的關(guān)鍵途徑。代謝組學(xué)分析表明，參與磷酸戊糖途徑和NADPH 生產(chǎn)途徑的6 個(gè)基因均可作為Nrf2 的直接靶標(biāo)。在激活PI3K-Akt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的情況下，Nrf2能夠促進(jìn)嘌呤核苷酸合成和谷氨酰胺代謝，尤其是在快速增殖的細(xì)胞中，Nrf2的活化能夠增強(qiáng)磷酸戊糖途徑相關(guān)基因的表達(dá)以及谷氨酰胺的代謝，進(jìn)而增強(qiáng)嘌呤生物的合成[27]。應(yīng)用PTEN 基因誘導(dǎo)的假定激酶1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）缺失的突變果蠅進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果表明，線粒體功能障礙會(huì)影響核苷酸生物合成，加重神經(jīng)毒性[28]。Pink1-KD神經(jīng)元星形膠質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)物給予多巴胺毒素，加入Nrf2激活劑蘿卜硫素能夠抑制Pink1-KD 細(xì)胞中的線粒體膜電位的下降，調(diào)節(jié)線粒體功能，阻止多巴胺誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，提示Nrf2誘導(dǎo)劑可能對(duì)PINK1相關(guān)的帕金森病有益[29]。

4 Nrf2對(duì)線粒體完整性與自噬的影響

線粒體的完整性是維持其正常生理功能的必要條件。線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放、受損線粒體的識(shí)別以及線粒體自噬過(guò)程等對(duì)線粒體的完整性具有重要影響。線粒體結(jié)構(gòu)改變可表現(xiàn)為線粒體腫脹、內(nèi)膜和（或）外膜完整性破壞甚至出現(xiàn)膜溶解、線粒體嵴斷裂以及大量空泡化等。線粒體結(jié)構(gòu)破壞往往伴隨著功能紊亂，表現(xiàn)為線粒體呼吸鏈復(fù)合物酶抑制、電子傳遞受阻、線粒體耗氧量改變和線粒體通透性轉(zhuǎn)運(yùn)孔呈不可逆地開(kāi)放，從而導(dǎo)致線粒體膜電位下降和ATP 合成減少，最終可能迅速引起細(xì)胞壞死或凋亡。越來(lái)越多的研究提示，Nrf2 通路在維持線粒體的完整性中發(fā)揮著重要作用。生理情況下，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔允許相對(duì)分子質(zhì)量＜1.5×103的離子自由通過(guò)，維持線粒體膜電位及細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡，在細(xì)胞的生存和凋亡中扮演著重要角色。Nrf2 的激活劑蘿卜硫素能夠抑制氧化誘導(dǎo)的線粒體中Ca2+釋放，增加硫氧還蛋白和蘋果酸酶的表達(dá)，并阻止線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放，提高線粒體的抗氧化水平[7]。蘿卜硫素也可以阻止線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放，抵抗氧化應(yīng)激引起的線粒體腫脹[30]。腸上皮細(xì)胞缺血再灌注可導(dǎo)致mtDNA 消耗增加，而線粒體抗氧化劑MitoQ 可以通過(guò)激活Nrf2，進(jìn)而降低mtDNA 的消耗水平[31]。

線粒體自噬是通過(guò)自噬體選擇性吞噬功能障礙的線粒體并傳遞給溶酶體降解的過(guò)程。線粒體自噬對(duì)保持細(xì)胞器完整性和維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。自噬銜接蛋白P62 是調(diào)節(jié)線粒體自噬的關(guān)鍵蛋白，在P62的啟動(dòng)子中鑒定出功能性的ARE序列，并受Nrf2 直接調(diào)節(jié)，而且Nrf2 與P62 之間存在正反饋調(diào)節(jié)[4]。家族性帕金森病常伴有Pink1和Parkin 基因的突變。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和成熟的神經(jīng)元中，Nrf2通過(guò)調(diào)控Pink1轉(zhuǎn)錄的上調(diào)，去除功能失調(diào)的線粒體，維持線粒體穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞的存活[32]。Ivankovic 等[33]發(fā)現(xiàn)，人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞中線粒體自噬誘導(dǎo)后P62 mRNA和蛋白表達(dá)顯著增加，在Nrf2 和Pink1 敲低細(xì)胞中，P62 的表達(dá)均受到抑制，表明P62 表達(dá)增加是線粒體自噬誘導(dǎo)的結(jié)果。最近研究發(fā)現(xiàn)了一種線粒體自噬誘導(dǎo)劑PMI，在不影響線粒體功能的前提下，通過(guò)增加P62，HO-1和NQO1的表達(dá)，直接干擾Nrf2-Keap1的相互作用，誘導(dǎo)線粒體自噬[34]。

5 Nrf2對(duì)線粒體毒物興奮效應(yīng)的影響

低劑量或短時(shí)的外源性刺激可引起線粒體出現(xiàn)短暫的生理性應(yīng)激或代償性反應(yīng)，提高線粒體的抗應(yīng)激反應(yīng)能力，這一現(xiàn)象被稱為線粒體毒物興奮效應(yīng)（mitohormesis）[35]。例如，低劑量的藥物、毒素和電離輻射等均可刺激線粒體產(chǎn)生低濃度的活性氧自由基，誘導(dǎo)抗氧化酶或其他防御蛋白的表達(dá)，促使細(xì)胞或機(jī)體更好地應(yīng)對(duì)更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激，提高細(xì)胞存活與抗毒能力。吸入氫氣（H2）可改善氧化應(yīng)激引起的大腦急性損傷，Murakami 等[36]研究了H2對(duì)人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞中線粒體的影響，H2增加了線粒體膜電位和細(xì)胞ATP 水平，伴隨著還原型GSH 水平的降低和超氧化物水平的增加。在H2預(yù)處理的細(xì)胞中，Nrf2 通路中的抗氧化酶的表達(dá)增加，抑制了H2O2誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，表明由H2引起的輕度氧化應(yīng)激增加了細(xì)胞的抗氧化能力。研究顯示，神經(jīng)元預(yù)先瞬時(shí)暴露于低水平過(guò)氧化物能明顯提高其對(duì)過(guò)氧化物耐受水平，其機(jī)制與激活Nrf2 通路密切相關(guān)。Nrf2 通路活化可介導(dǎo)線粒體和細(xì)胞產(chǎn)生趨于穩(wěn)定的適應(yīng)性反應(yīng)，提高線粒體和細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激反應(yīng)能力[37]。此外還有研究表明，低劑量鋰暴露能激活Nrf2通路，促進(jìn)果蠅延長(zhǎng)壽命[38]。因此，Nrf2 可通過(guò)清除ROS，調(diào)節(jié)抗氧化酶的表達(dá)，提高抗氧化應(yīng)激能力等多種方式，進(jìn)而在線粒體毒物興奮效應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

6 展望

線粒體在細(xì)胞能量代謝和凋亡等生命活動(dòng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。線粒體因其獨(dú)特的生理功能及其在癌癥、神經(jīng)退行性病變和腦卒中等疾病中的重要作用而受到廣泛關(guān)注，線粒體同時(shí)也是藥物、環(huán)境毒物和納米材料等外源性物質(zhì)毒作用的重要靶標(biāo)，線粒體毒性評(píng)價(jià)已成為創(chuàng)新藥物和環(huán)境毒物毒性測(cè)試的重要內(nèi)容。Nrf2 是細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子，在維持線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)、功能和結(jié)構(gòu)完整性等方面均發(fā)揮重要作用。Nrf2 激活劑和線粒體毒素等引起線粒體ROS 的產(chǎn)生，過(guò)量ROS引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，促進(jìn)Nrf2 核轉(zhuǎn)位。一方面NRF2 入核與小Maf 蛋白在抗氧化反應(yīng)元件ARE上結(jié)合，增加PGC-1α 和TFAM 的表達(dá)，升高的TFAM 和PGC-1α 有助于促進(jìn)線粒體生物合成；另一方面，Nrf2啟動(dòng)下游靶基因p62和Pink1的表達(dá)，促進(jìn)線粒體自噬反應(yīng)，以去除受損的線粒體。在Nrf2和P62之間存在正反饋環(huán)：磷酸化的P62通過(guò)與Keap1 蛋白結(jié)合，促進(jìn)Keap1 與Nrf2 解離，使Nrf2活化入核并啟動(dòng)下游基因的表達(dá)。此外，抑制Nrf2 可以影響三羧酸循環(huán)和線粒體脂肪酸氧化能力，進(jìn)而抑制線粒體呼吸和ATP 產(chǎn)生，并導(dǎo)致線粒體膜電位下降和ATP 合成減少（圖1）。因此，Nrf2對(duì)線粒體氧化磷酸化、ATP產(chǎn)生、線粒體生物合成、脂肪酸氧化和線粒體的毒性興奮效應(yīng)均有著重要的調(diào)控作用。調(diào)控Nrf2 通路有可能成為預(yù)防和（或）治療神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和癌癥等多種疾病以及藥物毒副作用的潛在靶點(diǎn)。因此，全面了解Nrf2調(diào)控線粒體功能的作用及其確切機(jī)制，對(duì)于預(yù)防和治療相關(guān)疾病以及藥物研發(fā)有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

圖1 NF-E2 相關(guān)因子2（Nrf2）調(diào)控線粒體功能的機(jī)制.