运动与Keap1-Nrf2-ARE抗氧化信号通路研究进展

罗琳张缨

1北京体育大学运动人体科学学院（北京 100084）2贵州师范大学体育学院（贵州 贵阳 550001）

运动与Keap1-Nrf2-ARE抗氧化信号通路研究进展

罗琳1，2张缨1

1北京体育大学运动人体科学学院（北京 100084）2贵州师范大学体育学院（贵州 贵阳 550001）

Keap1-Nrf2-ARE信号通路是机体重要的抗氧化应激调节通路，在清除活性氧，保护机体免受缺氧、炎症、氧化应激等反应带来的细胞损伤中发挥着关键性作用。本文综述Nrf2的分子结构、Nrf2基因多态性与运动能力、运动激活Keap1-Nrf2-ARE信号通路以及影响Keap1-Nrf2-ARE信号通路与运动关系等方面的最新研究进展，以期为运动训练、运动员选材、运动性疲劳的预防及低氧训练等相关领域的研究提供理论参考。

运动；Keap1-Nrf2-ARE；信号通路；氧化应激

某些条件（如疾病、炎症、运动）会使机体由于代谢失常产生大量的自由基，从而造成细胞内氧化还原反应失衡，氧化应激水平增加，以及内环境稳定的破坏，进一步导致细胞损伤、正常功能丧失甚至凋亡。研究表明，Kelch样ECH相关蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）、核因子E2相关因子2（nuclear factor E2related factor 2，Nrf2）以及Nrf2靶基因DNA启动子上的抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）共同组成的Keap1-Nrf2-ARE信号转导通路，在抗氧化应激中起着十分重要的作用[1-3]。

目前人们对Keap1-Nrf2-ARE信号通路的研究多见于医学领域，主要集中在对糖尿病、肿瘤和老年退行性病变等多种疾病的影响及其影响机制方面[4-6]。而关于运动与Keap1-Nrf2-ARE信号通路的研究相对甚少，本文就Nrf2的分子结构、Nrf2基因多态性与运动能力、运动激活Keap1-Nrf2-ARE信号通路以及影响Keap1-Nrf2-ARE信号通路与运动关系的因素等作一综述。

1 Nrf2的基本分子结构

Nrf2属于转录因子Cap-n-collar（CNC）家族，含有高度保守的碱性亮氨酸拉链结构。Nrf2含有6个结构域（Nrf2-ECH homology，Neh），分别是Neh1、Neh2、Neh3、Neh4、Neh5和Neh6区。Neh1区包含1个C端亮氨酸拉链结构（basic leucime zipper，bZip），bZip与细胞核内小Maf蛋白结合形成异源二聚体，进而识别和获得与Nrf2靶基因DNA启动子上特殊结合序列ARE的结合能力；Neh2区参与与Keap1的结合；Neh3区与Nrf2维持转录活性有关；Neh4和Neh5区参与下游靶基因转录的激活；Neh6区为氧化还原非敏感区，在氧化应激状态下与Nrf2的降解有关[7-8]。

2 Nrf2基因多态性与运动能力

研究表明，Nrf2基因多态性与运动能力有关联。波兰赛艇运动员在Nrf2基因rs7181866位点上，基因AA型运动员所占比例明显高于其他非耐力项目运动员[9]。Eynon发现，在对中长跑运动员的研究中对上述结果也得到了证实，中长跑运动员AA型所占比例显著高于短跑运动员和普通人[10]。因此，有学者提出将Nrf2的基因多态性检测作为耐力运动员选材的参考指标[11]。但这些研究结果是否适用于所有人群或人种，还需要进一步研究证实。

3 运动激活Keap1-Nrf2-ARE抗氧化信号通路

机体有氧代谢过程中会产生包括超氧阴离子、单线态氧、羟由基、过氧化氢、一氧化氮和脂质过氧化自由基等在内的活性氧（reactive oxygen species，ROS）。正常情况下，机体内ROS的产生和清除处于动态平衡，当机体遇到缺氧、氧化应激和炎症等多种因素影响下，可造成体内ROS失衡，直接激活ROS介导的信号通路，引起脂质、蛋白质和核酸等大分子生物分子破坏损伤以及细胞凋亡等，最终导致机体运动性疲劳的发生[11-13]。研究表明ROS是Nrf2活化的关键因子，可激活Keap1-Nrf2-ARE信号通路[1]，具体过程如下：

在正常状况下，Nrf2与Keapl形成二聚体，通过泛

素化降解作用，抑制Nrf2活性，使Nrf2的表达保持在较低水平[1]。但剧烈运动可引起运动性内源性ROS产生迅速增多，引发Keapl的构象发生改变，使得Nrf2与Keapl解偶联，解离的Nrf2进入细胞核通过其Neh1区的bZip结构与核内小Maf蛋白结合形成异源二聚体，进而与靶基因启动子上的ARE结合，启动下游包括过氧化氢酶（catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（superoxidase dismutase，SOD）、NADPH醌氧化还原酶1（NADPH quinine oxidoreductase1，NQO1）、谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase，GST）和血红素加氧酶1（hemeoxygenase1，HO-1）等一系列抗氧化酶和II解毒酶基因的转录[7、8、14]，从而促进抗氧化酶的表达，有效清除体内产生的过剩自由基，并将体内外源和内源性的有毒物质转化为无害的代谢产物，排除体外[15-16]。见图1。

4 影响Keap1-Nrf2-ARE信号通路与运动关系的因素

4.1 运动形式

由于运动形式不同，氧化应激的刺激不同，进而对机体Keap1-Nrf2-ARE信号通路的影响也会不同。Muthusamy[17]的研究发现安静状态下Nrf2基因敲除鼠与野生鼠相比，小鼠心肌组织的抗氧化酶蛋白表达量没有显著差异，但在急性运动刺激后，Nrf2基因敲除小鼠体内的抗氧化酶蛋白表达量显著低于正常野生鼠。另有研究表明，一次急性剧烈运动可提高小鼠骨骼肌Nrf2靶基因的mRNA转录[18]、肾脏[1、19]和心肌细胞[20]的大多数抗氧化酶基因的表达。一次性急性运动骨骼肌Nrf2与ARE的结合活性与运动时间呈正相关[18]。MacNeil[21]发现青年受试者一次3小时的急性运动后股外侧肌Nrf2核蛋白含量较运动前增加了40.1%。有研究表明Nrf2的表达依赖于运动强度，随着运动强度增强，Nrf2表达增加[22]。但也有研究表明，大鼠力竭性跑台运动后即刻骨骼肌Nrf2蛋白表达、靶基因GR、Gpx1、GST蛋白表达和酶活性变化不大，但靶基因NQO1蛋白表达和酶活性显著性降低[23]。过于激烈的急性运动会造成明显的Nrf2异位和ARE结构损伤[24]，影响Keap1-Nrf2-ARE信号通路的转导，进而影响机体抗氧化应激作用的发挥。相对于急性剧烈运动，长时间低强度的一次运动后Nrf2的蛋白表达趋于稳定，未见明显Nrf2结构损伤，有利于Nrf2的抗氧化作用[24-25]。

众所周知，长期耐力训练可以使机体线粒体数目增加，氧化磷酸化能力增强，ATP生成增多。而长期耐力训练可使Nrf2转录活性和表达量增加[26-27]，因此，有人推测Nrf2除了在长期耐力训练中发挥机体抗氧化作用外，Nrf2可能在耐力训练诱导线粒体生物合成和氧化磷酸化过程中也起重要的作用[28]。

4.2 性别

性别差异会影响Keap1-Nrf2-ARE信号通路的抗氧化应激能力。有研究发现，4周跑台运动后，雄性Nrf2

基因敲除鼠平均每天跑距比雄性野生鼠显著低51%，而雌性Nrf2基因敲除鼠和雌性野生鼠差异不大[29]。推测雄性Nrf2基因敲除鼠运动能力的下降主要是由于Nrf2介导的抗氧化应激损伤所致。性别造成激素水平不同，从而引起运动、心血管和代谢系统上的差异，可能是性别对Keap1-Nrf2-ARE信号通路与运动关系影响的主要因素。至于具体的影响程度仍有待于进一步深入研究。

4.3 年龄

运动激活Keap1-Nrf2-ARE通路信号的转导也受年龄的影响。老年人进行适当的中等强度运动，机体产生的自由基不仅对人体无害，反而可激活Keap1-Nrf2-ARE通路，促进抗氧化酶生成，有益于机体的健康[2]。长期适宜强度运动可以改善与年龄相关的抗氧化能力下降[19、24]。有研究表明，老年和青年受试者进行30分钟亚极量强度的自行车运动后，骨骼肌核蛋白Nrf2、SOD1和SOD2的表达均显著增加，并在24小时内可恢复到基线水平，但青年组的SOD1表达较老年组更为明显[30]。老年小鼠经过耐力训练后再进行大强度急性运动，心肌Nrf2蛋白表达水平可接近于幼龄小鼠。结果显示，长期适宜强度训练可以增强Nrf2的内源性保护机制，抵抗年龄增长引起的自由基增加，对保护心肌免受氧化应激性损伤有着积极的作用[26]。

4.4 氧浓度

环境氧浓度的高低会对机体抗氧化应激能力产生影响。刘永[31]采用模拟低氧暴露观察小鼠骨骼肌卫星细胞C2C12ROS、Nrf2蛋白表达等的变化，MTT法检测发现低氧预处理对H202诱导的C2C12细胞活性损伤有明显改善，且与常氧H2O2预处理组相比，低氧预处理组细胞内ROS含量显著下降，Nrf2蛋白含量显著增加，表明适度的低氧可促进Nrf2消除H2O2引起的骨骼肌细胞中ROS的生成增加。在体实验也有类似的结果，Nrf2基因敲除小鼠在低氧条件下，抗氧化蛋白的表达显著降低而氧化应激反应明显增强，表明Keap1-Nrf2-ARE信号通路是低氧下机体抗氧化的主要通路[32-33]。

Keap1-Nrf2-ARE通路的激活不仅能缓解机体因低氧造成的氧化应激反应，同样在高氧浓度环境的应激反应中也起着一定作用。蔡成发现[34]，早产鼠高氧暴露4～7天后肺组织中Nrf2mRNA表达显著增强，提示高氧暴露可能通过上调Nrf2活性，提高机体抗氧化能力，减轻高氧肺损伤。

当人体在不同氧浓度的环境中运动时，对Keap1-Nrf2-ARE信号通路的影响作用则变得更为复杂，弄清低氧训练及高氧恢复时该信号通路的变化及其调节机制，将有助于人体运动能力的提高和机体疲劳的恢复。

近年来，氧化应激对Keap1-Nrf2-ARE信号通路的影响及其机制研究已涉及医学的多种疾病领域，而运动对Keap1-Nrf2-ARE信号通路转导的影响，开阔了运动生理生化研究的新视野。运动对Keap1-Nrf2-ARE信号通路的上、下游调节作用及反馈机制目前仍不十分清楚，需要进一步研究。该方面的研究将会在运动训练、运动员选材、运动性疲劳的预防及低氧训练等相关研究领域有着广阔的应用前景。

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2016.01.15

国家自然科学基金项目（项目编号：31471134）；中央高校基本科研业务费资助北京体育大学自主课题（项目编号：2016BS026）

张缨，Email：zhyi9256@126.com