慢性氟中毒对转录因子NFE2相关因子2抗氧化反应元件信号通路的影响.docx

生堡塑直痘堂苤壶2Q!生2旦!Q旦筮丝鲞筮!塑gh也垦!d!堡i!：至!b坐!2Q，!，y!：翌：塑!：!151综述慢性氟中毒对转录因子NFE2相关因子2抗氧化反应元件 信号通路的影响王娅(综述) 官志忠(审校)【关键词】氟中毒，牙；分子作用机制；信号转导慢性氟中毒是一种严重危害人类健康的地球化学性疾 果蝇肌动蛋白结合蛋白Kelch有相似性而得名9。它是Nrf2 病。一般认为氟是具有潜在毒性，但在低剂量时可能具有人 在细胞质中的结合蛋白，并与肌动蛋白结合锚定于胞浆中， 体必需功能的元素。低剂量氟对预防龋齿、治疗骨质疏松具包含5个区域：N端、BTB、IVR、Kelch和C端区域。其中BTB 有促进作用，但人体对氟的安全范围较其他微量元素要小很 区与细胞骨架的肌动蛋白结合，并且参与Nrf2的泛素化降 多“。当人体经饮水、饮食和空气等途径长期暴露于高氟环解。IVR区对氧化信号敏感，富含半胱氨酸，是整个蛋白的功 境下摄氟量超过其生理饱和度时，会导致以氟斑牙和氟骨 能调节区。Kelch区有6个Kelch重要序列，具有多个蛋白接症为主要特征的全身慢性中毒性症状。随着对该病发病机 触点使其能与Nrf2相互作用。Keapl上的半胱氨酸残基对 制认识的不断提高，已经明确高氟摄人不仅可引起氟骨症和 活性氧(reactive oxygen species，ROS)和亲电子试剂非常敏 氟斑牙，还可以造成中枢神经系统、消化系统、泌尿系统、内 感被认为是氧化应激的感受器。 分泌系统、心血管系统等非骨相损害3。慢性氟中毒发病机 13 Nrf2的激活：在正常生理条件下，Keapl与Nrf2是相互 制尚未完全阐明，但大量的研究显示，慢性氟中毒造成机体 结合的，并通过Keapl蛋白将其锚定于由肌动蛋白构成的细 广泛性病理损伤的机制可能是氟蓄积诱导的自由基水平升 胞骨架上同时通过26S蛋白酶的降解作用维持Nrf2的表 高抗氧化防御体系作用降低，出现氧化应激水平升高，从而 达稳定性和非活性状态，从而无法进入细胞核发挥转录活 造成机体组织广泛性损伤H。转录因子NFE2相关因子2 性】。受到ROS或亲电子试剂的刺激时，Keapl与NTf2解耦 (NFE2related factor 2，Nrf2)可以与抗氧化反应元件联使得Nrf2转移入细胞核内，与基因中的Maf蛋白结合成 (antioxidant response element，ARE)相互作用，且Nrf2ARE异源二聚体后识别并结合ARE，启动下游抗氧化蛋白基因的 信号通路是近年新发现的机体抵抗内外界氧化和化学刺激 转录提高细胞抗氧化能力1“。 的防御性转导通路5，可以诱导编码抗氧化蛋白和相解毒关于Nrf2的活化机制，以前的研究大多认为，亲电子物 酶的表达，在细胞的防御保护中发挥作用，这可能在慢性氟 质或ROS通过对Keapl的半胱氨酸残基进行修饰导致 中毒的发生机制中有重要作用。本文就慢性氟中毒对Keapl的构象发生改变，使Nrf2从Keapl上解耦联游离的 Nrf2ARE信号通路的影响进行综述。 Nrf2进入细胞核内，从而激活Nrf2信号通路1“。但现在研究1Nd2ARE信号转导通路中的组成因子及功能发现激酶通路，包括丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、蛋白激11Nrf2：Nrf2是一种含有亮氨酸拉链基本结构的转录因 酶C(PKC)、胞内磷脂酰肌醇激酶(P13K)等均参与Nff2的 子属于capncollar(CNC)调节蛋白家族6。NTf2含有6个 活化13-14，其机制是蛋白激酶能通过直接磷酸化Nrf2的方式 高度保守的结构域，命名为NehlNeh6 E“。Nehl中有1个亮 促进其与Keapl分离，激活Nrf2E15】。 氨酸拉链结构，能和Maf蛋白形成异源二聚体，Nrf2一Maf二14Nrf2ARE通路：ARE是一个特异的DNA启动子结合 聚体与ARE结合激活特定的基因表达。Neh2区是Nrf2与序列，对下游的抗氧化基因表达具有重要作用。这一序列能 Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Kelchlike ECHassociated 被多种氧化性和亲电子性化合物激活，从而启动相解毒酶protein l，Keapl)的结合区，含有ETGE基序和DLG基序两 和抗氧化酶基因的表达，保护细胞组织的正常功能16。机体 个结合位点，对Nrf2的转录活性起负调节作用。Neh3、Neh4在应对ROS损害时形成了一套复杂的氧化应激应答系统，和Neh5通过组蛋白乙酰基转移酶调节Nrf2的转录活性，参 机体能诱导出一系列保护性蛋白，以缓解细胞所受的损害 与启动下游基因转录。Neh6有大量的丝氨酸残基，其对NI2 这一协调反应就是由ARE来调控的。有研究表明。激活的 也有负调节作用并且不依赖Keapl8J。 Nrf2ARE信号通路可以抑制由泛素介导的Nrf2蛋白降解，12Keapl：Keapl是一个含627个氨基酸残基的多肽，因与稳定Nrf2蛋白在细胞质中的浓度，增强Nrf2蛋白的转录活性1 。这说明Nrf2的激活可以形成一种正反馈调节机制进DOI：103760cmajissn20954255201502026基金项目：国家自然科学基金(81160335)；科技部国际合作重 一步加强调节保护性基因的转录活性。目前认为，Nrf2是调 大项目(2013BAl05803)；贵州省科技厅国际合作项目(黔科合外G控细胞对抗外来异物和氧化损伤的关键转录因子Nrf2的缺字20117014号) 失或激活障碍都会引起细胞对应激源的敏感性增高，作者单位：550004贵阳医学院病理教研室Nr2ARE信号转导通路是迄今为止发现最为重要的内源性通信作者：官志忠，Email：zhizhongguanyahoocom抗氧化应激通路18。万方数据152生垡垫直疸堂盘查2Q15生!爿!Q旦筮3垒鲞筮2塑g!也垦旦i!世尘，里!b理!理垫，2Q!，y尘：3垒：盟!：215 Nrf2ARE通路调节的抗氧化蛋白：Nrf2ARE通过激活 骨症。过量的氟对成骨细胞、破骨细胞、骨细胞均具有明显的 细胞的抗氧化机制及脂质细胞的炎症信号通路在机体抗氧 影响并能够明显破坏骨基质成分29。而儿童如果在7、8岁前 化应激方面起着重要作用“ 。到目前为止，已证实经Nrf2 牙齿发育钙化期饮用含氟量过高的水可能危害牙胚的造釉 ARE信号转导通路调节的可编码内源性保护基因已超过 细胞，从而导致釉质发育不全，形成氟斑牙。200个，包括抗氧化蛋白类基因、相解毒酶基因、分子伴侣 非骨相损害可累及多个器官例如已有研究发现过多 类基因和抗炎因子类基因等，它们在增强组织抗氧化能力、 的氟可通过血脑屏障造成中枢神经系统损伤，并影响神经信 保护组织免受毒物损伤、抗肿瘤、抗炎症、抗凋亡中起着重要 号转导通路的功能啪。引起大鼠神经系统的病理学改变，学 的作用啪。抗氧化酶类是Nrf2信号通路的主要调节蛋白它 习记忆能力的下降和认知功能的改变31。氟主要经肾脏排 通过催化自由基转化为无毒物质和增加其水溶性有利于自 泄，血浆氟几乎全部被肾小球滤过，90被肾小管以被动转 由基排除而发挥作用，是维持机体氧化还原平衡的重要因 运的方式重吸收，因此，肾是氟毒性的主要靶器官之一。慢性 素E21。有研究发现，Nff2基因被敲除的小鼠基础及诱导性抗 氟中毒时，近端小管及远端小管水肿上皮细胞衰退，管内轻 氧化基因表达明显降低，而氧化应激损伤显著增强，提示 度肿胀，肾小球囊狭窄，肾小球变性萎缩。肝脏是机体代谢与N也ARE通路是调节细胞内氧化还原状态的关键18。经 解毒的器官，已有动物实验和流行病学表明，过量氟可导致Nrf2ARE通路调控的抗氧化蛋白主要有锰一超氧化物歧化 肝损害32，造成大鼠肝脏产生毒性作用致肝细胞肿胀和空酶、血红素氧合酶1、依赖还原型辅酶醌氧化还原酶1等。 泡样改变，酶活性改变，肝功能异常。16Nrf2ARE信号通路与疾病的相关性：正常情况下，体内 22慢性氟中毒损伤的可能机制：官志忠等纠较早提出，氟 自由基的产生和清除是平衡的一旦氧自由基产生过多或抗摄入量过高而引起的自由基产生过多和机体抗氧化能力降 氧化系统出现障碍，体内氧自由基代谢就会出现失衡，称为 低可能是氟中毒全身性损害发病机制的一个中心环节。氧化氧化应激舢。而许多疾病的发病机制都和氧化应激有重要 应激学说在氟中毒研究领域得到越来越多的认可。大量研究关系，在应激状态下，会产生过多的ROS引起细胞脂质、蛋 结果表明，地方性氟中毒患者和实验性氟中毒动物体内脂质 白质和DNA的损伤，从而引起细胞死亡，组织损伤。已经证 过氧化物和蛋白氧化产物含量增高，抗氧化酶或抗氧化物质 实，Nrf2ARE在恶性肿瘤、糖尿病、肝脏疾病中有一定作用。水平降低或呈代偿性改变，氧化应激水平上升。过量的氟 在恶性肿瘤的预防中相解毒酶的诱导可促进致癌物可干扰氧代谢，导致氧自由基增多。高浓度氟化物时以产生 的生物转化、阻断或抑制癌症的发展进程，Nrf2作为其表达过氧基为主，低浓度氟化物则以产生羟自由基为主口引。氟化 的重要转录因子，在癌症的预防中起了重要作用243，然而若物进入体内后，可消耗体内的抗氧化物质和自由基清除酶 Nrf2表达过高，不但对肿瘤形成和生长起促进作用，而且可 类，从而导致抗氧化防御机制与自由基之间失去平衡使机增强肿瘤细胞的耐药性。Nrf2对癌变发展起正反两面的作 体处于氧化应激水平增高状态，造成细胞损伤m。 用因而成为当前癌症研究的热门课题之一。 23慢性氟中毒时Nrf2ARE通路的改变：在氟中毒早期，型糖尿病是一种多并发症的疾病，有研究表明，在一氟离子攻击Keapl的半胱氨酸，使Keapl的构象发生改变， 定程度上，过量的ROS可能促进了糖尿病和其并发症的发增多的Nrf2游离至细胞核内，启动Nrf2ARE信号转导通 生嘶。抑制Nrf2ARE活性会引起内皮细胞功能紊乱，胰岛素路，使体内SOD、过氧化氢酶和谷胱甘肽S转移酶等含量增 抵抗，血管生成紊乱。持续的高糖加剧氧化还原的异常调 加，增强机体抗氧化作用，达到清除自由基的目的，以代偿早 节通过正反馈加重了糖尿病的并发症，这个结果表明期氟中毒对机体的损伤。 Nrf2ARE信号通路在糖尿病中起一定作用。在氟中毒晚期抗氧化酶活性和含量下降对此有很多有报道，许多药物可激活Nrf2，增加超氧化物歧化酶 假说。氟离子依次通过细胞膜和核膜，破坏ARE，使Nrf2不 (SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶的活性继而保护肝细胞2“。调 能与ARE结合，使抗氧化酶表达下调，抗氧化系统功能下 节体内氧化应激水平是改善肝脏疾病的重要策略之一。PKC 降，自由基积累增多，机体发生氧化应激。过多的活性氧自由 Nrf2一ARE抗氧化通路可诱导抗氧化酶和相解毒酶表达， 基使膜磷脂发生脂质过氧化，破坏生物膜，更多的氟离子进 维持机体内的氧化还原平衡，从而降低肝脏对氧化应激的敏 入核内。丙二醛等脂质过氧化物对DNA和蛋白质有直接损 感性。保持肝功能稳定和阻止肝脏疾病的发生发展勰。 伤作用。破坏ARE序列，使抗氧化酶表达进一步下调。有研2慢性氟中毒 究表明，Nrf2基因敲除的动物组织较正常组织更易受到各种21氟对机体的损伤：地方性氟中毒是以损害牙齿和骨骼毒性物质的侵害。 为主的全身中毒性疾病，氟除了有亲骨特性外，还能引起全综上所述，Nrf2ARE信号通路在氟中毒引起的氧化应 身软组织不同程度的广泛损害(非骨相损害)。激反应早期起着重要的抗氧化作用。机体内氧化还原水平失过量的氟对骨骼的损伤既有骨质硬化、骨周化骨，又有衡是众多疾病的病理生理基础，对于机体内源性抗氧化损伤 骨质软化、骨质疏松等表现。主要是骨形成和吸收的平衡破通路Nff2ARE的调控，无疑为抗氧化还原治疗提供了新思路。坏骨转换加速，成骨活跃与破骨增强并存。由于氟离子置换参考文献碳酸羟基磷灰石中的羟基，钙和磷代谢受干扰，磷灰石成分结晶程度增高，骨骼强度降低。钙磷从骨中排除，结果骨质无 1魏娜，官志忠慢性氟中毒对神经系统发育的影响J中华地 机盐含量减少，有机成分比例增多造成骨结构变形，形成氟 方病学杂志，2013，32(3)：347350万方数据主垡些直题堂苤查2Q!生2旦2Q旦箜3生鲞箜2塑h也EQ鱼!迤丛，!b婴!盟2Q：2Q15：y!：丝：盟!：21532毕守军地方性氟中毒的探讨与治疗J中外健康文摘，2010，19Nguyen T，Nioi P，Pickett CBThe Nrf2一antioxidant response7(21)：6061element signaling pathway and its activation by oxidative stress3梅梅，于燕妮，陈杨，等不同浓度氟对大鼠肝、肾功能及氧化JJ Biol Chem，2009，284(20)：1329113295应激的影响J贵阳医学院学报，2007，32(4)：356358，361 20Kim SK，Yang JW，Kim MR，et a1Increased expression of 4Valavanidis A，Vlahogianni T，Dassenakis M，et a1Molecular Nrf2ARE-dependent antioxidant proteins in tamoxifenresistant biomarkers of oxidative stress in aquatic organisms in relation to breast cancer cellsJFree Radic Biol Med，2008，45(4)：537-toxic environmental pollutantsJEcotoxicol Environ Saf，2006， 54664(2)：17818921Rubiolo JA，Mithieux G，Vega FVResveratrol protects primary 5蔡维霞，张军，胡大海氧化和化学应激的防御性转导通路rat hepatocytes against oxidative stress damage：activation of the Nrf2AREJ中国生物化学与分子生物学报，2009，25(4)： Nrf2 transcription factor and augmented activities of autioxidant297303 enzymesJEur J Phannaeol，2008，591(13)：66726Cho HY，Reddy SP，Kleeberger SRNrf2 defends the lung from22孙玉富自由基与氧化应激及其在地方性氟中毒发病中的作oxidative stressJAntioxid Redox Signal，2006，8(1-2)：7687用J中国地方病防治杂志，2003，18(1)：37-407Itoh K，Tong KI，Yanmmoto MMolecular mechanism activating23刘戎，魏风辉，宣照林自由基与氟中毒J中国地方病防治杂Nrf2一Keapl pathway in regulation of adaptive response to 志，2003，18(6)：353355eleetrophilesJFree Radic Biol Med，2004，36(10)：1208121324叶社房，侯振清，钟李明，等Nri2ARE在化学防癌机制中的作 8Magesh S，Chen Y，Hu LSmall molecule modulators of Keapl用J中华肿瘤防治杂志，2007，14(3)：222225Nrf2一ARE pathway as potential preventive and therapeutic agents25王秀君，吴加国，唐修文Nrf2ARE通路抑制作用研究展望 JMed Res Rev，2012，32(4)：687726 J浙江大学学报：医学版，2010，39(1)：1-59Kobayashi M，Itoh K，Suzuki T，et a1Identification of the 26AbdulGhani MA，Jani R，Chavez A，et a1Mitochondrial interactive interface and phylogenic conservation of the Nrf2- reactive oxygen species generation in obese nondiabetic and type Keapl systemJGenes Cells，2002，7(8)：807820 2 diabetic participantsJDiabetologia，2009，52(4)：57458210Kang MI，Kobayashi A，Wakabayashi N，et a1Scaffolding of27Cheng X，Siow RC，Mann GEImpaired redox signaling andKeapl to the actin cytoskeleton controls the function of Nrf2 as antioxidant gene expression in endothelial ceils in diabetes：a key regulator of cytoproteetive phase 2 genesJProc National role for mitochondria and the nuclear factorE2related factor 2 Acad Sci U S A，2004，101(7)：20462051 Kelch-like ECH-associated protein 1 defense pathwayJAntioxid1 1Dreger H，Westphal K，Weller A，et a1Nff2一dependentRedox Sign，201l，14(3)：469-487upregnlation of antioxidative enzymes：a novel pathway for 28胡勇，张爱华PKCNrf2KeaplARE抗氧化通路与肝脏疾病 proteasome inhibitormediated eardioprotectionJCardiovasecJ癌变畸变突变，2012，24(2)：151153，156 Res，2009，83(2)：354361 29陈杨，于燕妮氧自由基与氟中毒J中国地方病学杂志，2009，12童海达，王佳茗，宋英KeaplNrf2ARE在机体氧化应激损伤28(2)：234237中的防御作用J癌变畸变突变，2013，25(1)：7l一7530官志忠重视地方性氟中毒基础理论研究J中国地方病学杂 13Nguyen T，Sherrmt PJ，Pickett CBRegulatory mechanisms志，2008，27(2)：119120controlling gene expression mediated by the antioxidant response 31Liu YJ，Gao Q，Wu CX，et a1Alterations of nACHRs and elementJAnnu Rev Pharrnacol Toxicol，2003，43：233260ERKl2 in the brains of rats with chronic fluorosis and their 14Umemuura K，hoh T，Hamada N，et a1Preconditioning by connections with the decreased capacity of learning and memorysesquiterpene lactone enhances H202一induced Nrf2ARE JToxicol Lett，2010，192(3)：324329activationJBiochem Biophys Res Commun，2008，368(4)：32Blaszezyk I，Birkner E，Kasperezyk SInfluence of methionine948954on toxicity of fluoride in the liver of ratsJB