核因子-E2相关因子与miRNA在神经退行性疾病中的作用
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・780・ 广东医学2014年3月第35卷第5期 Guangdong Medical Journal Mar.2014, ̄o1.35,No.5 核因子一E2相关因子与miRNA在神经退行性 疾病中的作用 :f: 杨莉,王婷 三峡大学医学院(湖北宜昌443002) 氧化应激对阿尔茨海默病(AD)、帕金森综合征(PD)和 亨廷顿舞蹈病(HD)等神经退行性疾病的发病有很大的影 响。而参与氧化应激主要是过量的活性氧族(ROS)和活性 氮族(RNS),它们会直接或间接地攻击细胞内的蛋白质、脂 质和核酸等,影响其生理功能,造成细胞组织损伤。但机体 内部也有一套抗氧化系统来应对这种损伤。近年来发现以 核因子(NF)一E2相关因子(nuclear factor erythroid 2一relat— ed factor 2,Nrf2)为核心的Nrt2/ARE信号通路是一条重要的 内源性抗氧化应激通路。miRNA是一种长度为20~24个核 苷酸的非编码小RNA,可以调控多种蛋白,其中包括Nrf2通 路。现将其关系综述如下。 1 Nff2/ARE通路 1.1 Nrf2/ARE通路概述 Nrf2是转录因子中cap n collar (CNC)家族的一员,具有高度保守的碱性亮氨酸拉链(bZIP) 结构。它包括6个高度保守的ECH同源结构域,分别命名 为Nehl~Neh6。Nrf2/ECH与抗氧化元件ARE相互作用调 控ARE下游基因的表达。在生理状态下,Nrf2通过Neh2区 域与胞浆蛋白Keapl结合形成二聚体。当受到亲电试剂或 氧化剂的进攻时,Nrf2与Keapl解离并转移入细胞核。在细 胞核内,它与Maf蛋白结合后识别并与ARE结合,启动ARE 下游相关抗氧化基因的转录,提高细胞的抗氧化能力…。然 而,Keapl与Nrf2解离的机制还有待进一步研究,但据报道, ARE诱导剂能修饰Keapl的半胱氨酸巯基使N 解离,此 外一些蛋白激酶的活化使Nrt2丝氨酸和苏氨酸磷酸化导致 Keapl蛋白与Nrf2解耦联,而纤维细胞生长因子则是通过调 节Nrf2的转录,使Nrf2 mRNA水平上调进而导致Nrf2蛋白 表达的增加 。 Nrf2/ARE通路可以激活大量的抗炎、抗氧化和解毒基 因,这些基因对组织、器官特别是神经细胞的氧化损伤具有 保护作用。Nrf2'调控的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶(CAT)、硫氧还蛋白(Trx)、过氧化物酶 (Prdx)、谷氨酸合成代谢酶[谷胱甘肽过氧化物酶(Gpx)、谷 胱甘肽还原酶(GR)、谷氨酰半胱氨酸连接酶(GCL)合成酶 (GCS)],苯醌还原酶(NQO1)和血红素氧舍酶(HO一1) 筝 1.2 Nrf2在神经退行性疾病中的作用 众所周知,AD是一 种与年龄相关的神经退行性疾病。对AD患者进行死后解 国家自然科学基金资助项目(编号:8uoo957),湖北省自然科学 基金资助项目(编号:2010CDB10703),三峡大学博士启动基金资助 项目(编号:KJ2009B077) △通信作者。E—mail:tingtingo301@126.COrn 剖发现,其脑部颞叶皮层和海马中的HO—l的表达量以及 星形胶质细胞和神经元中的NQOI的表达量都要高于普通 衰老大脑,且AD患者海马神经元中的Nrf2主要存在于胞浆 中 J。在APP和PSEN基因的突变会引起B类淀粉样蛋白 (AB)淀粉酶的聚积沉淀(APP/Ps1) AD大鼠模型中发现 Nrf2、NQO1、GCLC和GCLM的mRNA含量下降且N 的蛋 白表达量也随之降低。LEE等 发现萝卜硫素可以激活 Nrf2以及ARE下游抗氧化基因的表达,减少AB引起的SH —SY5Y细胞凋亡,但萝卜硫素对沉默Nrf2基因的AB处理 的SH—SY5Y没有治疗作用。这些报道表明,Nrf2/ARE通 路与AD有紧密的联系。PD患者的黑质一纹状体多巴胺神 经元发生进行性变性,纹状体多巴胺含量降低 ,其主要病 理生理机制是氧化应激反应以及线粒体功能缺陷。对PD 患者的研究发现,其胶质细胞中HO—l和NQO1的表达上 调 J。有报道表明,Nrf2/ARE基因在神经元中的表达要低 于胶质细胞,胶质细胞的存在会增强神经元的抗氧化能力。 在给予Nrf2基因敲除小鼠PD的造模药物MPTP后,纹状体 的多巴胺转运蛋白下降,移植入超表达Nrf2胶质细胞后,可 逆转多巴胺能神经元的减少。说明Nrf2对PD也有重要影 响。在HD患者的脑中发现线粒体呼吸链复合物Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 活性下降。3一NP能抑制线粒体呼吸链复合物Ⅱ的活性,使 线粒体能量代谢发生障碍产生大量的自由基从而致使神经 元损伤1 9]。'3给予Nr-f2基因敲除小鼠3一NP时发现其较野 生型小鼠更为敏感,但当移植入Nff2超表达的胶质细胞或 者给予Nrf2激活剂后发现HD神经病理现象有所减轻ll” 。 这些研究表明,Nrf2/ARE通路可以作为治疗神经退行性疾 病的一条途径。 2 miRNA的概述 目前为止,在人类基因组中发现约1 500个miRNA,每 个miRNA都调控着多个靶基因。细胞核内的miRNA基因 在RNA聚合酶Ⅱ的作用下转录形成pri—miRNA。然后由 Drosha RNase将pri—miRNA剪切为具有茎环结构的miRNA 前体(pre—miRNA)。Pre—miRNA由转运蛋白Exportin5从 胞核转入胞浆中。胞浆中的Dicer酶又将Pre—miRNA剪切 成具有约22个核苷酸长度的双链miRNA。其中一条链与沉 默复合物(RISC)形成非对称RISC复合物,该复合物与靶 mRNA的3 UTR结合从而阻断靶基因的翻译 。 2.1 miRNA在神经退行性疾病中的作用 目前认为,AB 在脑内沉积是AD的主要病理机制之一。而B一分泌酶(主 要为BACEI)是AB生成的限速酶。在AD患者的脑部发现 BACE1的表达上调,LI等 提出BACE1的表达上调是AD 发病的重要因素。Hebert等发现miR一29a、miR一29b一1、 广东医学2014年3月第35卷第5期 Guangdong Medical Journal Mar.2014,Vo1.35,No.5 ・781・ miR一29e和miR一9可以调控BACE1的表达。当miR一29a/ 调节物组其他蛋白的表达来改变ARE调控的下游基因。通 b—l簇显著降低时BACE1的表达上升。在PD患者脑中发 现当miR一34b/c下调时,DJ1和Parkin的表达量也降 低 。据报道,miR一34b/e直接作用于Parkin和DJ1。Par— 过计算机靶区扫描发现,人的Nrf2 3 UTR端与miR一144有 nt265—271和nt370—377两个潜在的结合区域,此外,miR一 27a、miR一153以及miR一142—5p与Nrf2 3 UTR也有结合 kin和DJ1基因突变通常被发现在PD患者脑中。HD患者 区域。NARASIMHAN等 构建含有荧光素酶报告基因的 Nrf2 3 UTR的428bp质粒,将其转入SH—SY5Y中,发现荧 光素酶活性降低,并用qRT—PCR和Western blot验证了上 的亨廷顿蛋白(Huntingtin,Htt)氨基末端有一段重复的谷氨 酰胺序列,该重复序列是引起HD发生的主要原因。在正常 的神经元细胞中,Htt与阻遏子元件沉默转录基因(repressor element silencing transcriptionfactor,REST)结合,使其定在细 胞质内。但是突变的Htt不能与之结合,而是使REST发生 述miRNA对Nrf2是转录后调节。在人的乳腺癌细胞中, miR一200a直接作用Keapl mRNA,使Nrt2的活性增强,ARE 下游抗氧化基因的表达量升高。当沉默miR一200a后, 核转移,在细胞核中,REST与REl共同序列结合激活辅抑 Keapl表达上调,同时Nrf2的表达水平降低 2 。 制因子mSin3、REST辅抑制因子(CoREST)和甲基谷氨酰胺 结合蛋白2(MeCP2)来抑制神经元基因的表达-1 。Packer 等报道在HD患者的脑皮层中发现一些miRNA与RE1的上 游位点结合。其中miR一9和miR一9 在早期的HD中表 达量降低。miR一9和miR一9 作用于REST复合物的两个 不同部分:miR一9作用于REST,miR一9 作用于CoREST。 这表明miR一9/miR一9 与REST沉默复合物之间存在着 双重负反馈环路 。 2.2 miRNA对Nrt2的调控 miRNA参与了一系列的生理 病理过程,包括细胞的生长、分化、凋亡等各个层面,对细胞 内的氧化还原稳态的调节也有着重要的作用。Dicer是合成 成熟miRNA的关键酶。用H,O,处理老年人的脂肪细胞后 发现,Dicer的表达下调。在对敲除Dicer的上皮细胞进行氧 化刺激后发现其对氧化应激的敏感性增强,细胞内的NAD— PH酶含量也有所降低,这表明miRNA可能通过Dicer引起 氧化还原的异常调节 16j。Nrf2是细胞氧化后应激反应中的 关键因子和抗氧化反应的中枢调节者。那么miRNA与Nrf2 之间有相互作用吗?在对大鼠脑微血管上皮细胞用H,O, 进行处理造成氧化损伤后发现Dicer表达下调,但使用萝1、 硫素、白藜芦醇等Nrf2的激活剂后Dicer的蛋白表达量升 高 J。UNGVARI等。" 报道人和小鼠的Dicer基因的5 端 与ARE有相同序列。DGCR8是Drosha的辅助因子,Drosha/ DGCR8复合体将pri—miRNA剪切为pre—miRNA。同时 DGCR8也与HO一1结合并增强其活性,在HO一1过表达的 细胞中,DGCR8的含量降低,成熟miRNA的合成也相应减 少,而H0—1是Nrf2/ARE通路的下游基因。这些都提示着 miRNA可能通过Nrf2/ARE通路来调控细胞的氧化还原稳 态[18 J。 据报道,约有85个miRNA与Nrf2的mRNA结合下调其 表达。其中有63个与Nrf2形成反馈调节。大多数是负反馈 调节方式,通过激活转录因子然后加强Nrf2的下调。但是也 存在着正反馈调节方式,是通过激活转录因子抑制miRNA 的下调作用增加Nrf2的转录。miR一144在红细胞中的表达 量增加使Nrf2蛋白减少从而导致细胞内的GSH含量降 低 ]。NARASIMHAN等 。 证明,在人神经瘤母瘤细胞中 mjR一144、mjR一153、miR一27a、miR一142—5p中的任一个 过表达都会引起Nrf2蛋白表达水平的降低。 miRNA是如何具体作用于Nrf2通路的呢?据报道, miRNA可直接调控Nrf2 mRNA以及Keapl、BTB、BTB—CNC 异体同源体1(Bach1)、以及Maf蛋白的表达。 miRNA与N mRNA的3 UTR相结合或直接改变Nd2 有报道表明,miRNA会下调Bachl,Baehl在细胞核内与 Nrt2竞争抗氧化反应元件结合位点下调抗氧化基因的表达。 在人的Huh~7细胞系中,miRNA let一7b、let一7c和miR一 98下调Bachl的表达,增强HO一1基因的表达,减少氧化损 伤。也有报道,miR一155抑制Bach1的转录 。 DJ1和Maf蛋白是Nrf2基因物组的重要蛋白。DJ1使 Nrf2与Keapl解离,促进Nrf2向核转移,并防止Nrf2泛素 化,增强Nrf2的稳定性 。在PD患者中,DJ1的表达量较 低,同时miR一34b/c的含量也相对较低。在SH—SY5Y神 经细胞中,一些miRNA的消耗会引起DJ1的表达降低,导致 线粒体紊乱、氧化应激等情况。尽管不能直接说明miRNA 可以作用Nrf2/ARE通路,但是miRNA可以调控26s蛋白酶 体,在Huh一7细胞中,miR一122可以调控蛋白酶体复合物 使胞核Nrf2的水平升高。 3展望 虽然目前对于miRNA通过与Nr£2/ARE通路相互作用 来改变抗氧化基因的表达和细胞的氧化还原稳态的研究还 处在起步阶段,但是分子生物学技术的发展将会对此研究有 巨大的推动作用。尽管现已明确miRNA可以调控Nrf2/ ARE通路,但是Nrf2/ARE能否反馈调节miRNA还有待进一 步研究。Nrf2/ARE通路对多种神经退行性疾病均有保护作 用,而miRNA可以调控Nrf2/ARE通路。miRNA是否是 Nrf2/ARE通路的又一激活刺?深入研究miRNA与Nr£2/ ARE通路的相互作用将会对神经退行性疾病的治疗有重要 意义。 参考文献 [1]BRYAN H K,OLAYANJU A,GOLDRING C E,et a1.The Nrf2 cell defence pathway:Keapl—dependent and—independent mechanisms of regulation[J].Biochem Pharmacol,201 3,85 (6):705~717. 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