文摘
Nrf2核红细胞两个相关因素(2)是一个基本区域leucine-zipper转录因子结合抗氧化反应元素(是),从而调节基因的表达一个大电池参与细胞的抗氧化和抗炎国防以及线粒体的保护。氧化应激、炎症和线粒体障碍已经被确认为重要pathomechanisms肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS),这个信号级联了兴趣对ALS发病机理和治疗。Nrf2和Keap1表情在运动神经元减少后期ALS组织。Nrf2-activating化合物显示肌萎缩性侧索硬化症小鼠模型的治疗效果和其他神经退行性疾病的模型。改变Nrf2 Keap1表达式和失调Nrf2 /信号程序可能导致慢性运动神经元变性肌萎缩性侧索硬化症和其他神经退行性疾病。因此,Nrf2出现作为一个关键神经分子在神经退行性疾病。我们的最近的研究强烈支持,Nrf2 /信号通路是神经保护的一个重要中介,因此代表了一个有前途的目标发展新的治疗方法对肌萎缩性侧索硬化症,帕金森病(PD),亨廷顿氏病(HD),和阿尔茨海默病(AD)。
1。介绍
肌萎缩性脊髓侧索硬化(ALS)是最常见的成人运动神经元疾病。它导致初级运动皮层运动神经元的变性,脑干、脊髓和后来导致骨骼肌快速进行性瘫痪,最终因呼吸衰竭死亡,通常在发病后3 - 5年。
大多数的ALS病例获得自发(零星的肌萎缩性侧索硬化症;sALS),而只有10%继承ALS病例的-15%(家族性肌萎缩性侧索硬化症;歧视)[1]。最近突破遗传学扩大了已知的突变导致歧视,其中的突变基因编码超氧化物歧化酶1 (SOD1)、焦油dna结合蛋白(TARDP),融合在肉瘤/易位脂肪肉瘤(付/ TLS),最近,C9orf72重复扩张,导致染色体9-linked ALS和额颞叶大叶性痴呆(FTLD) [2]。突变的基因profilin1 (PFN1)最近报道与几个有关歧视的家庭。四个突变(C71G, M114T、E117G G118V)被确定在几个家庭(3]。做功的病因不清楚,必须考虑多因素和多基因在大多数情况下。
几个相互依存和相互作用机制已被证明导致歧视和运动神经元损害sALS:会,异常RNA加工,改变轴突运输、蛋白质聚集,线粒体功能障碍,nonneuronal毒性(胶质)细胞和氧化应激4]。即使目前尚不清楚氧化应激是一种神经退化的主要或次要原因ALS,数据来自人体组织和转基因动物模型研究表明它的又一个主要因素是导致慢性运动神经元死亡。在突变体超氧化物歧化酶1 (SOD1) ALS-mouse模型[5)以及在人类家庭和零星的肌萎缩性侧索硬化症,标记蛋白质的氧化损伤、脂质和DNA高架在大脑和脊髓6- - - - - -9]。更多的非特异性抗氧化剂(如肌酸、辅酶Q 10,维生素E, N-acetyl-cysteine,和其他人)已经测试了ALS的转基因小鼠模型,有效的关于生存,疾病进展,在脊髓运动神经元的损失。ALS患者的临床试验尚未能够证明疗效的抗氧化治疗在临床设置,但如dexpramipexole正在进行试验研究仍在使用的化合物具有抗氧化潜能,突显了这种治疗策略的重要性和验收(10]。
炎症和线粒体功能障碍是主要pathomechanisms运动神经元变性。这些过程都有强大的互联氧化应激瀑布。这三个途径似乎重叠和相互联系,形成一个恶性循环,每个可能是一个引发剂以及中介的运动神经元死亡(图1)。
线粒体损伤是导致过多的氧自由基。根据线粒体是受伤的细胞类型,这可能引发不同的反应。例如,神经胶质细胞和线粒体受伤可以产生促炎的分子可能有毒的神经元和附近其他细胞。这些类型的炎症反应是神经元和压力将增加神经元受到氧化应激。所有这些反过来将损害线粒体和其他细胞细胞器,这可能会导致进一步的炎症反应在中枢神经系统神经元和其他细胞(见太阳的审查等。11])。
一个关键分子调节细胞抗氧化反应是基本地区leucine-zipper转录因子Nrf2(核转录因子红细胞两个相关因子2)。在基础条件下,Nrf2绑定到内源性抑制剂Kelch-like决定自相关protein1 (Keap1)。一旦激活,它把细胞的细胞核,它与其他转录因子如c-Jun形成和小加蛋白(G / F / K),结合抗氧化反应的元素(是),监管增强剂在基因启动子区域。c-Jun就应该行动主要转录激活因子,而小加器以及原癌基因灭活基因转录后Nrf2绑定(12]。Nrf2-ARE绑定管理超过200个基因的表达参与了细胞的抗氧化和抗炎等国防第二阶段解毒酶(NAD (P) H醌oxyreductase,谷胱甘肽)、谷胱甘肽的生物合成所必需的酶,细胞外超氧化物歧化酶,glutamate-6-phosphate-dehydrogenase,热休克蛋白和铁蛋白,此外pro -酶和抗炎等cyclooxygenase-2 (cox - 2),诱导一氧化氮合酶(间接宾语),和血红素oxygenase-1 (HO-1) [13- - - - - -15]。Nrf2也被报道来调节基因的表达促进线粒体生物起源如线粒体转录因子(TFAM),因此直接参与线粒体保护(16]。
Nrf2的感应不同的化学类的化合物被证明是直接相关的抑制促炎反应(cox - 2和伊诺表达),但这些分子的抗炎效应只是部分Nrf2-dependent和之间的确切关系Nrf2-induction和消炎作用仍有待澄清17,18]。可能通过调节细胞内谷胱甘肽含量,Nrf2进一步直接cytoprotective影响通过抑制Fas-mediated凋亡通路(15]。
的内源性抑制剂Nrf2是actin-bound锌金属蛋白细胞骨架Keap1。几个Keap1的交互模型和提出了Nrf2 [18]。修改的半胱氨酸残基Keap1显然改变Keap1 Nrf2和之间的相互作用导致其搬迁细胞质,随后由ubiquitin-proteasome系统退化(18- - - - - -22]。减少Keap-Nrf2-binding(通过巯基组或氧化磷酸化)导致在细胞核内的穿梭Nrf2和随后的驱动基因的转录13,23- - - - - -25]。Keap1因此Nrf2构成细胞传感器对氧自由基造成的损害21]。一些研究报道不断穿梭Keap1细胞核和细胞质之间在生理条件下。Karyopherin-6 (KPNA6)已被确认为一种蛋白质促进核进口和变弱Nrf2信号(26]。此外,KPNA6加速离原子核Nrf2蛋白质的间隙,甚至促进恢复Nrf2蛋白质基底的水平。这些发现表明,KPNA6-mediated Keap1核进口中扮演着重要的角色在调制Nrf2-dependent抗氧化反应和维持细胞氧化还原内稳态。
此外,它也表明,Nrf2蛋白质稳定性可以被磷酸化通过Keap1-independent调控糖原合成酶激酶3 (GSK-3β)[27),Nrf2函数可以进一步修改其转录调节(28]。
有多个因素激活Nrf2在任何给定的细胞,例如,环境压力,如吸烟、感染、氧化应激、炎症。一些报告表明,中断Nrf2损害的感应Nrf2 /途径导致恶化的氧化应激,炎症,和线粒体功能障碍(看过的40])。恢复的影响Nrf2报道在小鼠暴露于香烟烟雾41]。
2。Nrf2其他神经退行性疾病
Nrf2蛋白表达死亡的脑组织已经研究了从患者神经退行性疾病如阿尔茨海默病(AD)、路易体变体的广告(LBVAD)和帕金森病(PD) (25]。细胞质的本地化Nrf2被发现在广告和LBVAD海马和内嗅皮层。因此得出结论,在这些疾病核易位Nrf2 Nrf2受损,功能障碍的途径导致减少细胞防御氧化应激(25]。PD的情况下,相比之下,黑质核Nrf2水平增加可以被解释成一个适当的神经反应氧化刺激(25]。
3所示。在ALS Nrf2-Cascade体外动物模型
神经元和astroglial主要文化从Nrf2基因敲除小鼠更容易受到比野生型细胞氧化应激,而过度Nrf2增加抵抗氧化和excitotoxic刺激14,42,43]。
几项研究已经试图澄清的作用在SOD1-G93A Nrf2-pathway转基因ALS动物和体外模型:减少Nrf2-expression被描述在初级胚胎运动神经元文化源自SOD1-G93A转基因小鼠。这些SOD1-G93A-transgenic运动神经元更敏感的神经生长因子诱导细胞凋亡(神经生长因子)44]。在另一个ALS的体外模型,电动机neuron-like Nsc34稳定转染的细胞对SOD1基因突变downregulation受Nrf2基因被发现的微阵列分析。因此笔者建议药理刺激Nrf2-pathway可能是小说在肌萎缩性侧索硬化症(治疗方法45]。相对于这些运动神经元的体外研究,另一组检测调节Nrf2-expression星形胶质细胞。增加Nrf2-expression这被解读为活性以防止细胞死亡已经观察到疾病发生和持续在疾病进展(46]。激活Nrf2-ARE信号在肌萎缩性侧索硬化症小鼠研究了杂交ALS-transgenic老鼠老鼠是记者。因此,通过诱导激活可以直接测量hPAP驱动人类胎盘碱性磷酸酶()活动。在这个模型中,早期的和强烈的Nrf2-activation骨骼肌。相对少的激活Nrf2在出现症状后脊髓运动神经元和星形胶质细胞(47]。作者因此得出结论,最早的病理事件突变SOD1-associated ALS发生在肌肉组织,他们在疾病进展逆行的方式。
4所示。Nrf2人类零星的肌萎缩性侧索硬化症
虽然这些SOD1基因突变模型复制病理生理学的家族性肌萎缩性侧索硬化症,不存在零星的ALS的理想模型。我们最近调查了mRNA和蛋白表达的转录因子Nrf2及其在后期内源性抑制剂Keap1大脑和脊髓标本的零星的ALS患者和控制。神经信使rna表达水平降低Nrf2被认为在初级运动皮层运动神经元和腹侧角。免疫组织化学和免疫印迹实验显示相应减少Nrf2蛋白表达。ALS Astrocytosis增加组织。通过与免疫组织化学,我们观察到一些病患Nrf2本地化,但整体降低Nrf2蛋白表达与控制样本。内源性抑制剂Keap1的轻微但不显著增加mRNA表达运动皮层中可观察到但不是在脊髓。Keap1蛋白表达控制组织(相比持平48]。
以往的经验显示大鼠转录Nrf2生理活性随着年龄降低(49]。人能因此假定在ALS Nrf2信使rna和蛋白质水平降低年龄相关性。然而,我们使用与控制组织损失Nrf2 mRNA和蛋白表达不能简单地解释是年龄的影响。肌萎缩性侧索硬化症小鼠模型的研究相比,我们观察到减少Nrf2表达零星的ALS后期组织标本,因此认为这是与减少细胞防御机制与氧化应激有关。这种后期研究的一个限制是他们代表ALS的末期。Nrf2减少我们观察因此不排除Nrf2通路的激活在疾病发作或症状早期阶段。
5。临床前研究使用Nrf2活化剂
Nrf2 /信号系统是一个功能强大的防御系统,发展在高等生物保护他们免受侮辱的数组。第一个试验测试的有效性Nrf2-dependent NQO1 Hepa1c1c7小鼠肝癌细胞中激活了1988年(50]。随后,10 Nrf2激活化合物的化学性质不同的类,其中tert-butylhydroquinone, DL-sulforaphane,硫辛酸,反丁烯二酸,姜黄素(18]。问题关于这些Nrf2-inducers包括可怜的穿透血脑屏障以及他们的多因子的行动模式不仅与Nrf2-signaling级联。几项研究已经评估的影响不同Nrf2-inducing代理在野生型和Nrf2-knockout老鼠和显示不同诱导物导致基因表达差异基因表达变化,并不是所有的更改Nrf2-dependent(了51])。
激活Nrf2 ALS的神经保护在动物模型和其他神经退行性疾病(29日- - - - - -39),(表1)。可以预测,操纵Nrf2 /信号是一个潜在的新的神经保护机制在人类对肌萎缩性侧索硬化症等疾病。在转基因小鼠肌萎缩性侧索硬化症在临床前研究中,我们评估了小说类合成常用药用的,也就是说,齐墩果酸的类似物可以被认为是迄今为止最强大的Nrf2-inducer [22]。我们使用了G93A SOD1的ALS的转基因小鼠模型是迄今为止最好的模型可用于肌萎缩性侧索硬化症,因为它的特点,广泛用于测试治疗化合物对肌萎缩性侧索硬化症。这些老鼠发展ALS症状,死于疾病引起的SOD1突变在85 - 90天,出生后128 - 132天,分别是(5]。我们在这项研究中使用的合成常用药用2-cyano-3的对应物,12-dioxooleana-1, 9-dien-28-oic酸(CDDO)来自齐墩果酸。我们使用两个CDDO-analogs CDDO-EA CDDO-TFEA, 2×10的惊人力量5褶皱高激活Nrf2和诱导二期基因比母体化合物齐墩果酸。这些化合物在摩尔水平在体外和体内29日,35,52]。我们已经测试了这两个CDDOs G93A SOD1老鼠和观察到显著增加小鼠生存对待这些化合物(29日]。我们注意到低Nrf2表达式在未经处理的G93A脊髓部分相比triterpenoid-treated组。这表明生理激活氧化应激的Nrf2并不发生在肌萎缩性侧索硬化症转基因小鼠。这可能是由于多种因素,如缺少或损坏其他中介Nrf2激活的必要因素。我们的研究也使用NSC-34电动机neuron-like细胞稳定表达G93A SOD1。在体外模型,治疗CDDO-EA或CDDO-TFEA导致增加Nrf2蛋白表达我们显示通过免疫组织化学和免疫印迹。Triterpenoid-induced激活Nrf2-expression也可以证明在大鼠初级运动神经元。
细胞总RNA分析从CDDO vehicle-treated NSC-34 G93A显示upregulation古典监管Nrf2基因可以分为三个类别:(1)抗氧化剂,(2)抗炎,和(3)基因与线粒体的保护。CDDOs增加NAD (P) H:醌氧化还原酶(NQO1)、谷胱甘肽S-transferase A3 (GSTa3),和血红素加氧酶1 (HO1)代表的抗氧化剂。Cyclooxygenase-2 (cox - 2),诱导一氧化氮合酶(间接宾语),Fas配体(FasL)和肿瘤坏死因子-α(tnf)表达式也减少了CDDO类似物,表明治疗也表达促炎介质的影响。第三类基因,我们检查因素参与线粒体修复和生物转化:在这里我们发现treatment-induced upregulation细胞色素氧化酶亚基二世(COXII) estrogen-related受体α(ERR-alpha)和过氧物酶体proliferator-activated受体γ共激活剂1α(PGC-1alpha)。一致的mRNA分析,免疫印迹分析显示Nrf2表达蛋白水平增加,NQO1、HO-1,谷胱甘肽还原酶(GR) NSC-34 G93A SOD1 CDDO-TFEA处理细胞。
我们体内的临床前研究表明,CDDOs生物利用率和穿透血脑屏障的老鼠。我们还发现没有明显的毒性长期执政期间的80毫克/公斤体重。治疗G93A SOD1小鼠接受CDDO-EA和CDDO-TFEA开始在时代发生前症状导致显著增加生存的20.6和17.5天,分别。治疗这两种化合物在ALS发病更相关的关于进一步翻译成ALS患者的临床研究还显示了令人鼓舞的结果:开始治疗有症状的年龄大大扩展的持续时间从年龄发病死亡年龄43% (CDDO-EA)和38% (CDDO-TFEA) [29日]。
在这两种范式,减减肥治疗和保护电机性能。这些Nrf2-activating化合物因此代表有趣的候选人在ALS进一步临床评价。到目前为止,任何调查方法治疗神经退行性疾病有针对性的唯一途径或特定细胞类型(例如,星形胶质细胞)被阻塞,而众所周知,多个noncell自治的方式和级联途径导致运动神经元死亡在肌萎缩性侧索硬化症。与如此复杂而庞大的战斗发病机制,我们必须瞄准目标,可能强大到足以阻止多个通路。Nrf2诱发超过250二期基因,我们有概念,多种基因活跃CDDO-EA或TFEA治疗后,一些生产抗氧化酶对氧化应激,炎症产生抗炎酶这一目标,一些产生线粒体保护和修复酶目标线粒体功能失调(图2)。有趣的是,另一个实验室一直证明了注射Nrf2在MPTP药物的神经保护作用的帕金森病模型(53]。
6。视角
同时堵塞针对疾病的广泛的有毒信号级联运动神经元和神经胶质在ALS最终可能导致更有效的神经保护。刺激的防御机制,调节神经基因影响神经元和神经胶质功能是一种新的治疗方法,拥有更大的潜力。一个关键分子影响各种各样的防御机制是激活的转录因子Nrf2 Nrf2 /信号程序。Nrf2充当主调节器的细胞抗氧化反应的刺激超过250二期的基因,应该称为“前生命基因”,因为他们保存细胞死亡。Nrf2激活可以同时控制多个cytoprotective酶表达的能同时抑制氧化应激等主要致病通路中描述肌萎缩性侧索硬化症、神经炎症,线粒体功能障碍。减少Nrf2表达式被发现在ALS后期大脑和脊髓运动神经元。我们建立了概念,Nrf2 /程序是一个可行的目标肌萎缩性侧索硬化症的治疗潜力,显示激活的Nrf2 CDDOs导致体重明显的有利影响,电机性能和生存在G93A SOD1 ALS的小鼠模型。虽然仍有路径上的多个知识缺口Nrf2离解核本地化和行动作为转录因子,激活Nrf2信号级联代表一个新颖独特的试图找到治疗ALS和其他神经退行性疾病,加强神经元的内在的防御机制。
确认
资金由国家卫生研究院提供给予m . NS063202 Kiaei UAMS和神经生物学和发育学系,转化神经科学中心。资助的国家研究资源中心(5 p20rr020146-09)和国家综合医学科学研究所(8 P20 GM103425-09),图7年招募m . Kiaei。由保罗·邓恩基金m . Kiaei格兰特。由德意志Forschungsgemeinschaft格兰特(Pe 924/2-2)中。