Nrf2蛋白轉錄因子在誘導機體的抗氧化應答中的重要作用
外界刺激 (如藥物、紫外線和電離輻射) 和內源性自由基和活性氧 (ROS) 會直接或者間接地損傷蛋白質、脂質和 DNA 等細胞成分，為了抵御這些不利影響，機體形成了一套復雜的氧化應激應答系統來緩解細胞所受的損害。而 Nrf2，作為調控抗氧化應激的一種關鍵轉錄因子，在誘導機體的抗氧化應答中起著重要作用，如調節(jié)氧化還原平衡、藥物代謝和排泄、能量代謝、鐵代謝、氨基酸代謝、生存、增殖、自噬、蛋白酶體降解、DNA 修復和線粒體生理機能。另外，Keap1-Nrf2 系統已成為癌癥和神經退行性疾病以及許多自身免疫和炎性疾病的重要治療靶點。
Nrf2 的自我介紹：大家好，我是 Nrf2~我是 Cap'n'collar (CNC) 轉錄因子家族成員，我的“身體”由七個 Neh 域 (Nrf2 ECH 同源結構域) 組成，每個域具有不同的功能，如 Neh1 CNC-bZIP 域負責與 small Maf (sMAF) 蛋白結合和二聚化；Neh2 結構域通過 DLG 和 ETGE 基序介導與 Keap1 的相互作用；Neh4、Neh5 和 Neh3 域對于 Nrf2 的反式激活非常重要；Neh6 結構域是一個富含絲氨酸的區(qū)域，可調節(jié)我的穩(wěn)定性。大家猜猜，我是怎么被激活的呢？
Nrf2 的激活“大戲”
1、經典途徑——Keap1-Nrf2 途徑
說到 Nrf2 的經典激活機制，不得不提一提 Nrf2 老搭檔——Keap1 (Kelch ECH 相關蛋白 1)。Keap1 是一種 Cullin3 (Cul3) 依賴性的 E3 泛素連接酶復合物的底物銜接蛋白，可與 Cul3 和 Rbx1 組裝成功能性 E3 泛素連接酶復合物 (Keap1-Cul3-E3)，進而對 Nrf2 進行調控。Keap1 含有三個功能域，包括一個 BTB 結構域，一個 IVR 和一個 Kelch 或 DGR 結構域。BTB 結構域結合 Cul3，是 Keap1 二聚化所必需的。Kelch/DGR 結構域可與上面提到的 ETGE 和 DLG 基序相互作用，這對于維持 Nrf2 和 Keap1 之間的相互作用至關重要。IVR 連接了 BTB 和 Kelch/DGR 結構域，含有一些可調節(jié) Keap1 的活性的半胱氨酸殘基。
在正常的生理條件下，Keap1-Cul3-E3 泛素連接酶靶向位于 Nrf2 N 端的 Neh2 結構域 (位于 DLG 和 ETGE 基序之間) 的多個賴氨酸殘基，并促進泛素化，隨后泛素化的 Nrf2 被遞送至 26S 蛋白酶體進行降解。[PS: DLG 和 ETGE 與 Keap1 中的 Kelch 域相互作用，一般稱為“鉸鏈和閂鎖” (Hinge-and-latch model) 模型]。
圖 2. Nrf2 信號傳導經典途徑[9]
而暴露于 ROS、親電脅迫會使 Keap1 中特定的半胱氨酸殘基被修飾，引起 Keap1-Cul3-E3 泛素連接酶的構象變化，干擾 Nrf2 泛素化，隨后 Nrf2 易位至細胞核，通過與 sMAF 蛋白的異二聚化作用結合到靶基因的 ARE/EpRE (抗氧化反應元件/親電響應元件) ，誘導一系列細胞保護性基因表達，如 NQO1、GST、HMOX1、GCL、GSH 等。
2、非經典途徑——自噬-溶酶體途徑
除 Keap1-Nrf2 途徑外，Nrf2 激活的非典型機制，即自噬-溶酶體途徑是由自噬功能障礙驅動的，自噬-溶酶體途徑在介導氧化應激中也起關鍵作用。自噬是一種嚴格調控的細胞降解途徑，負責清除受損的蛋白質和細胞器，包括氧化受損的蛋白質和功能異常的線粒體，自噬可以是非選擇性的，也可以是選擇性的 (自噬詳細介紹見：Hello~自噬)。p62/SQSTM1 (以下稱 p62) 是一種選擇性自噬的經典受體，用于降解泛素化的底物。p62 參與許多信號轉導途徑，其中包括 Keap1-Nrf2 途徑。
自噬功能障礙 (如 Atg5、Atg7 缺失，砷毒物環(huán)境等引起) 則會導致自噬銜接蛋白的 p62 的積累。由于 p62 是能與許多蛋白相互作用的多域蛋白，它的積累會導致許多結合蛋白的隔離和功能喪失，包括 Keap1。研究表明，p62 與 Nrf2 競爭結合 Keap1，這種相互作用使 p62 可以將 Keap1 螯合到自噬體中，從而阻止了 Keap1 介導的 Nrf2 降解，導致 Nrf2 通路激活。
Nrf2 在癌癥中的兩面做派
在生理條件下，Nrf2 維持細胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)，并發(fā)揮抗炎功能和進一步的抗癌活性，從而支持細胞存活。因此，Nrf2 的激活在癌癥化學預防中很重要。但是，Nrf2 的過度活化也會賦予癌細胞多種優(yōu)勢，比如保護癌細胞免于凋亡和衰老，促進細胞生長，介導癌細胞對化療和放療的抗性等。
圖 4. Nrf2 在癌癥發(fā)生和發(fā)展中的雙重作用[14]
1、Nrf2 的陽光面——激活抑制腫瘤發(fā)生
Nrf2-Keap1 途徑的激活是抗腫瘤發(fā)生的最重要機制之一。通過靶向 Nrf2/ARE 途徑來調控基因，進而發(fā)揮化學預防作用的一些化合物，不僅包括合成化合物如 Oltipraz，還有一些植物來源的化合物，例如 Sulforaphane、Curcumin、Resveratrol 等。
2、Nrf2 的陰暗面——組成型激活促進癌癥的發(fā)展
一些研究表明在各種癌癥中 Nrf2 信號通路組成性激活會促進癌細胞的生長和增殖，阻止細胞凋亡，增強癌癥干細胞 (CSC) 的自我更新能力，更重要的是，可增強癌細胞的化學耐藥性和放射抗性。因此，阻斷 Nrf2 信號是一種有前途的癌癥治療方法，特別是對于 Nrf2 水平升高的癌癥。靶向 Nrf2 的抑制劑也有很多，比如 Brusatol、ML385、Luteolin、Ochratoxin A、Retinoic acid (ATRA)、Trigonelline 等。
另外，據報道有幾種機制可增強癌癥中 Nrf2 的活性，如 (1) 體細胞的 KEAP1、CUL3 或 Nrf2 突變；(2) Keap1 的表觀遺傳沉默；(3) 破壞 Nrf2 和 Keap1 之間相互作用的蛋白質異常積累，如改變 Nrf2-Keap1 結合的 p21、p62；(4) 通過癌基因依賴性信號傳導導致的 Nrf2 轉錄上調，如癌基因 K-Ras 通過 Mek-Erk-Jun 信號通路激活 Nrf2 轉錄；(5) 通過代謝中間體修飾 Keap1 等。
總而言之，Nrf2 的激活在癌癥中作用是雙重的。為了預防氧化和炎癥應激導致的慢性疾病和癌癥，增強 Nrf2 的活性仍然是一種傳統而有效的方法。但 Nrf2 在各種癌癥中的組成性激活又會促進癌細胞增殖并導致癌細胞的化學抗性、放射抗性。因此，想知道 Nrf2 的激活是否會導致癌癥，如何靶向 Nrf2 (直接或間接抑制上游蛋白激酶)，以及對 Keap1 結構進一步確定，還需要大家繼續(xù)努力搞科研啦！
|
Nrf2 激活劑 |
|
可以激活 Nrf2，并通過 AMPK 依賴性信號傳導抑制高糖誘導的胰腺癌。 |
|
乙酰轉移酶 p300/CREB 結合蛋白特異性抑制劑；通過 Keap1 半胱氨酸修飾誘導 Nrf2 蛋白的穩(wěn)定。 |
|
廣泛使用的 Nrf2 激活劑，通過激活 Nrf2 來免受 Doxorubicin (DOX) 誘導的心臟毒性。 |
|
天然多酚，具有抗氧化、抗炎、保護心臟和抗癌的特性。它的靶點廣泛，例如 mTOR、JAK、β-amyloid、Adenylyl cyclase、IKKβ、DNA polymerase，也是 Nrf2 激活劑。 |
|
一種 HIF-1α 激活抑制劑，也是強效的 Nrf2 激活劑。 |
| Carnosol 一種有效的核糖體 S6 激酶 (RSK2) 抑制劑；Nrf2 激活劑，能提高細胞核內 Nrf2 的水平。 |
|
Nrf2 抑制劑 |
|
可抑制 Nrf2，通過一種不依賴于 Keap1、蛋白酶體和自噬蛋白降解系統的機制激發(fā) Nrf2 的消耗。 |
|
有效的 Nrf2 抑制劑，具有抗炎和抗癌特性。 |
|
RAR 核受體的天然激動劑，對 RARα/β/γ 作用的 IC50 為 14 nM；可以通過激活視黃酸受體抑制 Nrf2。 |
|
有潛在抗糖尿病活性的生物堿；有效的 Nrf2 抑制劑，能阻斷 Nrf2 依賴性的蛋白酶體活性。 |
縮寫：
BTB domain: Broadcomplex/tramtrack/bric-a-brac domain
IVR: Intervening region
DGR domain: Double glycinerepeat domain
參考文獻
↓ 下滑查看更多文獻
1. Tonelli C, et al. Transcriptional Regulation by Nrf2. Antioxid Redox Signal. 2018; 29(17): 1727-1745.
2. Rojo de la Vega M, et al. NRF2 and the Hallmarks of Cancer. Cancer Cell. 2018; 34(1): 21-43.
3. Qin JJ, et al. Dual roles and therapeutic potential of Keap1-Nrf2 pathway in pancreatic cancer: a systematic review. Cell Commun Signal. 2019; 17(1): 121.
4. Zhang DD, et al. Keap1 is a redox-regulated substrate adaptor protein for a Cul3-dependent ubiquitin ligase complex. Mol Cell Biol. 2004; 24(24): 10941-10953.
5. Canning P, et al. Structural basis of Keap1 interactions with Nrf2. Free Radic Biol Med. 2015; 88(Pt B): 101-107.
6. Jaramillo MC, et al. The emerging role of the Nrf2-Keap1 signaling pathway in cancer. Genes Dev. 2013; 27(20): 2179-2191.
7. Taguchi K, et al. Molecular mechanisms of the Keap1–Nrf2 pathway in stress response and cancer evolution. Genes Cells. 2011; 16(2): 123-140.
8. Zimta AA, et al. The Role of Nrf2 Activity in Cancer Development and Progression. Cancers (Basel). 2019; 11(11): 1755.
9. Wu S, et al. Nrf2 in cancers: A double-edged sword. Cancer Med. 2019; 8(5): 2252-2267.
10. Dodson M, et al. Non-canonical activation of NRF2: New insights and its relevance to disease. Curr Pathobiol Rep. 2017; 5(2): 171-176.
11. Silva-Islas CA, et al. Canonical and non-canonical mechanisms of Nrf2 activation. Pharmacol Res. 2018; 134: 92-99.
12. Katsuragi Y, et al. p62/SQSTM1 functions as a signaling hub and an autophagy adaptor. FEBS J. 2015; 282(24): 4672-4678.
13. Robledinos-Antón N, et al. Activators and Inhibitors of NRF2: A Review of Their Potential for Clinical Development. Oxid Med Cell Longev. 2019; 2019: 9372182.
14. Menegon S, et al. The Dual Roles of NRF2 in Cancer. Trends Mol Med. 2016; 22(7): 578-593.
15. Wu S, et al. Nrf2 in cancers: A double-edged sword. Cancer Med. 2019; 8(5): 2252-2267.
16. Jiang T, et al. p62 links autophagy and Nrf2 signaling. Free Radic Biol Med. 2015; 88(Pt B): 199-204.
