谷志明,鐘維琪,蘭長駿,廖 萱

0 引言

氧氣是生命活動(dòng)所必需的化學(xué)元素。缺氧等因素可誘使機(jī)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(xì)胞膜脂質(zhì)代謝失調(diào)。因此大量ROS和自由基得以穿透細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核,影響RNA及蛋白質(zhì)的正常表達(dá),最終引起組織結(jié)構(gòu)紊亂和功能異常[1]。視網(wǎng)膜作為眼部最重要的感光元件,也是人體內(nèi)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(dāng)各種原因引起氧供失衡后,視網(wǎng)膜極易出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化,并誘發(fā)一系列連鎖反應(yīng)導(dǎo)致氧化應(yīng)激(oxidative stress, OS)損害[2-3]。已有研究表明多種視網(wǎng)膜疾病均與OS有關(guān),而Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(kelch-like ECH-associated protein 1, KEAP1)與核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, NRF2)共同構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)域并廣泛存在于正常組織細(xì)胞質(zhì)中的結(jié)合蛋白,NRF2是包含6個(gè)同源且高度保守堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域的抗氧化基因調(diào)節(jié)蛋白。KEAP1-NRF2信號通路在調(diào)節(jié)抗OS基因及抵御ROS和自由基等有害物質(zhì)損傷中發(fā)揮了重要作用,通過調(diào)節(jié)下游多種酶類及蛋白表達(dá),以維持機(jī)體的氧化還原穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞存活,因此成為重要的內(nèi)源性抗OS通路之一[4-5]。正常情況下,KEAP1在細(xì)胞質(zhì)中通過雙重甘氨酸重復(fù)區(qū)與NRF2緊密結(jié)合,對其進(jìn)行泛素化修飾并使其降解。組織缺氧誘發(fā)OS后,酪氨酸激酶催化KEAP1與NRF2在細(xì)胞質(zhì)解離,隨后KEAP1在細(xì)胞質(zhì)迅速降解,NRF2則持續(xù)進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控其下游的抗氧化反應(yīng)元件而發(fā)揮抗OS作用,以保護(hù)機(jī)體免受過量ROS和自由基傷害[6]。

2 KEAP1-NRF2調(diào)控視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激的機(jī)制

視網(wǎng)膜是體內(nèi)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(fā)OS的中心環(huán)節(jié),缺血缺氧、過度光照以及高糖環(huán)境均是促進(jìn)視網(wǎng)膜ROS和自由基增多,并引起OS而導(dǎo)致?lián)p傷的重要原因。

2.1KEAP1-NRF2與視網(wǎng)膜缺血缺氧所致氧化應(yīng)激缺血缺氧是促進(jìn)視網(wǎng)膜ROS與自由基異常增多而引起OS的首要因素[7]。血流供應(yīng)減少使視網(wǎng)膜出現(xiàn)相對缺氧,并誘導(dǎo)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(gòu)成血-視網(wǎng)膜屏障的視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞(retinal endothelial cell, REC)和視網(wǎng)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(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)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(qiáng)KEAP1-NRF2信號通路活性并上調(diào)抗氧化基因SOD等的表達(dá),可抑制TNF和NLRP3小體異常蓄積,并逆轉(zhuǎn)視網(wǎng)膜中內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化[11-12],改善上述病理變化。此外,參與炎癥反應(yīng)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶調(diào)節(jié)體內(nèi)ROS表達(dá),并影響視網(wǎng)膜中NRF2的抗氧化能力[13-14]。干預(yù)KEAP1-NRF2信號通路在對抗OS所致?lián)p傷方面具有重要作用,有望成為治療相關(guān)疾病的靶點(diǎn)。另有研究發(fā)現(xiàn),激活NRF2刺激REC旁分泌可促進(jìn)血運(yùn)重建并抑制病理性新生血管形成[15],KEAP1-NRF2在視網(wǎng)膜中抗OS作用機(jī)制的多樣性值得進(jìn)一步研究。

2.2KEAP1-NRF2調(diào)控光照所致視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激除缺血缺氧外,過度光照是破壞視網(wǎng)膜微環(huán)境并誘導(dǎo)OS而損傷視網(wǎng)膜的另一重要因素。適當(dāng)?shù)墓庹沾碳た杀灰暰W(wǎng)膜神經(jīng)元感知并傳遞至大腦產(chǎn)生正常視覺信號。然而隨著光照時(shí)間延長及光照強(qiáng)度提高,可使視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞吸收能量增多并導(dǎo)致ROS累積,同時(shí)誘使自由基與細(xì)胞膜上的多不飽和脂肪酸相互作用生成丙二醛等脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物,對細(xì)胞膜正常結(jié)構(gòu)和功能造成破壞,繼而促進(jìn)細(xì)胞凋亡并導(dǎo)致其出現(xiàn)不可逆損傷[16-18]。過量釋放的ROS可引起視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)錄因子肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2氧化還原修飾異常,并抑制NRF2轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而引起視網(wǎng)膜對光誘導(dǎo)OS反應(yīng)增強(qiáng),并出現(xiàn)感光細(xì)胞層厚度變薄、感光細(xì)胞死亡、視紫紅質(zhì)減少等形態(tài)變化及功能障礙等病理改變[19]。增強(qiáng)NRF2通路活性并促進(jìn)SOD和血紅素加氧酶-1(heme oxygenases-1, HO-1)等內(nèi)源性抗氧化物表達(dá)后,降低了ROS含量,光致OS引起的視網(wǎng)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(wǎng)膜輕度損傷,對于嚴(yán)重?fù)p害的保護(hù)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(hù)作用還有待深入研究。

2.3KEAP1-NRF2調(diào)控高糖所致視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激高糖環(huán)境可通過促進(jìn)脂質(zhì)代謝并增加游離脂肪酸含量,使細(xì)胞膜出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化,造成細(xì)胞及線粒體異常凋亡而誘發(fā)OS[22]。此外,高糖還可中斷氧化呼吸鏈的電子傳遞,引起細(xì)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(fù)降低的視網(wǎng)膜細(xì)胞膜電位水平,并促進(jìn)其下游的抗氧化物表達(dá)而緩解高糖所致OS[25]。半胱氨酸殘基修飾變化可以調(diào)控KEAP1與NRF2解離速度而影響NRF2核易位,并與抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合,因此在保護(hù)視網(wǎng)膜免受高糖所致OS中同樣發(fā)揮重要作用[26]。這些結(jié)果提示了KEAP1-NRF2緩解高糖所致OS損傷作用機(jī)制的復(fù)雜性。

2.4KEAP1-NRF2對視網(wǎng)膜細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)線粒體是進(jìn)行有氧呼吸并產(chǎn)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(diǎn)。另外,線粒體也是調(diào)節(jié)OS及細(xì)胞自噬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究表明OS引起胞質(zhì)蛋白、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)破壞后,自噬機(jī)制開始清除受損的細(xì)胞器,并通過自噬受體蛋白p62誘導(dǎo)KEAP1降解,同時(shí)促使NRF2從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核中積聚而參與調(diào)控DNA損傷反應(yīng),最終使NRF2與抗氧化基因結(jié)合而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)并發(fā)揮保護(hù)作用[27-28]。劇烈的OS可抑制視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞NRF2表達(dá)并降低抗氧化物HO-1水平,導(dǎo)致自噬功能障礙并引起損傷。使用NRF2激活劑瞬時(shí)上調(diào)p62可抑制自噬體降解,自噬反應(yīng)的保護(hù)作用也因此增強(qiáng)[29-31]。提示時(shí)相變化可能影響NRF2對自噬機(jī)制的調(diào)節(jié)。由于自噬機(jī)制既可發(fā)揮正面作用,也可產(chǎn)生不良影響;因此NRF2改善OS所致自噬異常而減輕視網(wǎng)膜損傷的調(diào)節(jié)機(jī)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(diào)控OS的中心環(huán)節(jié),多種信號通路均能與其相互影響而發(fā)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(xì)胞能量代謝的重要因子。激活A(yù)MPK可與NRF2共同作用而減弱視網(wǎng)膜中由OS所致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)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(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、生長、增殖和凋亡,以維持視網(wǎng)膜的正常功能。OS可使視網(wǎng)膜中的PI3K/AKT表達(dá)下降,繼而抑制細(xì)胞增殖并促進(jìn)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(wǎng)膜細(xì)胞抗OS能力也得以增強(qiáng),并通過抑制視網(wǎng)膜細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)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(wǎng)膜損傷[36]。

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

4 總結(jié)與展望

綜上所述,調(diào)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(qiáng)視網(wǎng)膜抗氧化能力,清除異常蓄積的ROS和自由基,并減輕脂質(zhì)過氧化而緩解OS所致?lián)p傷的重要途徑,提示KEAP1-NRF2信號通路在治療相關(guān)疾病方面具有強(qiáng)大潛力,為治療OS所致視網(wǎng)膜損傷提供了新思路和靶點(diǎn)。