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Nrf2介導(dǎo)氧化還原作用對(duì)運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)
發(fā)表于：2021-02-20 作者：admin 來(lái)源：本站 點(diǎn)擊量：17899
原文：Done A J , Traustadóttir, Tinna. Nrf2 mediates redox adaptations to exercise[J]. Redox Biol, 2016, 10(C):191-199.
翻譯：
綜述的主要目的是總結(jié)當(dāng)前關(guān)于急性運(yùn)動(dòng)和定期運(yùn)動(dòng)對(duì)核因子紅細(xì)胞樣2相關(guān)因子2（Nrf2）活性和Nrf2信號(hào)下游靶點(diǎn)的影響的文獻(xiàn)。Nrf2（在人體內(nèi)由NFE2L2基因編碼）是抗氧化劑防御的主要調(diào)節(jié)因子，是一種調(diào)節(jié)200多個(gè)細(xì)胞保護(hù)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。越來(lái)越多的證據(jù)表明，Nrf2信號(hào)在氧化應(yīng)激如何介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的有益作用中起著關(guān)鍵作用。通過急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激偶發(fā)性增加刺激了Nrf2活化，與定期運(yùn)動(dòng)一樣重復(fù)刺激時(shí)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)源性抗氧化防御能力與總體更大的抗氧化應(yīng)激破壞性作用能力的上調(diào)。運(yùn)動(dòng)造成的不同組織Nrf2激活證據(jù)可能是運(yùn)動(dòng)如何發(fā)揮其眾所周知的系統(tǒng)效應(yīng)的一個(gè)重要機(jī)制，這些系統(tǒng)效應(yīng)不僅限于骨骼肌和心肌。此外，還有一些動(dòng)物研究成果轉(zhuǎn)化為人類的數(shù)據(jù)。
1、簡(jiǎn)介
隨著分子生物學(xué)的發(fā)展及其在運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用，人們對(duì)于急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)導(dǎo)致多次運(yùn)動(dòng)后積累生理適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)得到了極大提高。急性運(yùn)動(dòng)激活初級(jí)信使，如一磷酸腺苷（AMP）、鈣和機(jī)械應(yīng)激，以及隨后的次級(jí)信使，包括AMP活化蛋白激酶（AMPK）、鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶（CAMK）和p38有絲分裂原活化蛋白激酶，導(dǎo)致mRNA轉(zhuǎn)錄的急性變化。急性運(yùn)動(dòng)刺激的另一個(gè)重要的初級(jí)信使是氧化還原平衡（或氧化還原電位）的暫時(shí)性變化，通過產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（ROS）進(jìn)入更加氧化的狀態(tài)。雖然ROS最初被認(rèn)為具有損傷性，但現(xiàn)在人們對(duì)ROS在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、免疫功能調(diào)節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄和凋亡中的重要作用有了更深入的了解。一個(gè)主要的例子是ROS在轉(zhuǎn)錄因子核因子紅細(xì)胞樣2相關(guān)因子2（Nrf2）激活中的作用，其是抗氧化劑酶和細(xì)胞抗應(yīng)激的主要調(diào)節(jié)因子。嚙齒動(dòng)物研究的數(shù)據(jù)表明，靶向Nrf2活性以降低疾病風(fēng)險(xiǎn)的治療潛力。靶向Nrf2敲除（Nrf2–/–）模型在所有組織中對(duì)毒性和氧化應(yīng)激源表現(xiàn)出抵抗力明顯受損，因此Nrf2–/–小鼠更易患慢性疾病。靶向Nrf2激活的藥理學(xué)和遺傳學(xué)（負(fù)調(diào)節(jié)子敲除）方法有效地改善氧化應(yīng)激源造成的損害并恢復(fù)對(duì)慢性疾病的抵抗。Nrf2信號(hào)中斷的情況下病理學(xué)的增加，以及隨后在Nrf2 活化劑存在下的逆轉(zhuǎn)已經(jīng)在其他地方進(jìn)行了綜述。
越來(lái)越多的證據(jù)表明，Nrf2途徑在氧化應(yīng)激如何調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的有益作用中起著關(guān)鍵作用。急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的偶發(fā)性增加會(huì)刺激Nrf2激活，與定期運(yùn)動(dòng)一樣重復(fù)刺激時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)源性抗氧化防御的上調(diào)，以及總體上更大的能力以抵消氧化對(duì)核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的損傷作用。本綜述的主要目的是總結(jié)當(dāng)前關(guān)于急性運(yùn)動(dòng)和定期運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)Nrf2活性和Nrf2信號(hào)下游靶點(diǎn)影響的文獻(xiàn)。我們還研究了支持或反對(duì)與運(yùn)動(dòng)結(jié)合使用抗氧化補(bǔ)充劑和植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2活化劑的證據(jù)。由于干預(yù)效果在目標(biāo)受損時(shí)更容易觀察到，我們將著重研究衰老作為受損細(xì)胞信號(hào)的非疾病模型，其通常與年齡相關(guān)的病理學(xué)相協(xié)調(diào)。我們從Nrf2調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)要概述開始。
2、 Nrf2：細(xì)胞防御的主調(diào)節(jié)子
轉(zhuǎn)錄因子Nrf2（在人類中由NFE2L2基因編碼）是抗氧化防御的主調(diào)節(jié)子，調(diào)節(jié)超過200種保護(hù)氧化應(yīng)激的細(xì)胞保護(hù)基因。Nrf2是堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）轉(zhuǎn)錄因子家族的一員，在無(wú)應(yīng)激條件下通過與胞質(zhì)溶膠中的Kelch樣紅系細(xì)胞相關(guān)CNC同源關(guān)聯(lián)蛋白1（Keap1）的同二聚體結(jié)合而被抑制[17]。Nrf2和Keap1之間的相互作用在物種間高度保守，表明其調(diào)節(jié)作用的重要[18]。在這種狀態(tài)下，Keap1作為Nrf2降解的銜接蛋白發(fā)揮作用，其由Cul3/Rbx1介導(dǎo)，促進(jìn)Nrf2泛素化和隨后26s蛋白酶體對(duì)Nrf2的降解。Keap1/Cul3/Rbx1也作為一種額外的負(fù)調(diào)節(jié)因子存在于細(xì)胞核中[19]。
半胱氨酸殘基被以一種獨(dú)特的形式修飾來(lái)響應(yīng)氧化或親電刺激，不同的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)物與Keap1上不同的半胱氨酸殘基組合反應(yīng)，從而產(chǎn)生相同的生物響應(yīng)，特別是從Nrf2脫離并激活Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件（ARE）響應(yīng)，或通過穩(wěn)定Keap1-Nrf2復(fù)合物，減緩蛋白酶體對(duì)其的降解[20–23]。一旦從Keap1上脫離，Nrf2就轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，在那里它與小Maf蛋白異二聚體化，并結(jié)合順式作用元件AREs，有效地激活I(lǐng)I相解毒酶的轉(zhuǎn)錄（見圖1）。
圖1 Nrf2信號(hào)通路。Nrf2被運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的ROS或植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2激動(dòng)劑激活?？寡趸a(bǔ)充劑抑制了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的ROS的信號(hào)，從而抑制下游的Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)。
在治療潛力方面，這種半胱氨酸編碼作為多種化合物和刺激物的有效Nrf2誘導(dǎo)物，之間相互獨(dú)立，引起了人們極大的興趣。例如，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的Nrf2的活性氧活化可能通過氧化這些半胱氨酸殘基發(fā)生。同樣，某些植物營(yíng)養(yǎng)素被證明能夠激活Nrf2，這個(gè)過程可能是通過改變半胱氨酸殘基而發(fā)生的，而這些殘基不同于運(yùn)動(dòng)中的靶點(diǎn)。如果事實(shí)上是這樣的話，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和Nrf2激動(dòng)化合物之間可能存在協(xié)同效應(yīng)。一些最新數(shù)據(jù)支持這一點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)在本綜述的第6節(jié)中給出。對(duì)于那些對(duì)Nrf2激活機(jī)制的更詳細(xì)背景感興趣的人，我們請(qǐng)讀者參考這方面近期的一篇優(yōu)秀評(píng)論[16]。
值得注意的是，在某些情況下，如癌癥，Nrf2的激活和信號(hào)傳導(dǎo)可能會(huì)產(chǎn)生有害影響。在正常情況下，Nrf2信號(hào)可以防止癌癥，正如十字花科蔬菜中的植物營(yíng)養(yǎng)素刺激Nrf2活化的效果一樣。然而，在癌細(xì)胞中，Nrf2的激活可能賦予細(xì)胞抗應(yīng)激能力，使細(xì)胞不易受到化療治療的影響。研究表明，在癌癥腫瘤中，Nrf2被上調(diào)，在化療期間可能需要使用Nrf2抑制劑提高治療效果。
3、Nrf2信號(hào)對(duì)急性運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)
使用C2C12骨骼肌細(xì)胞進(jìn)行的細(xì)胞培養(yǎng)為證明Nrf2被ROS激活的研究提供了證據(jù)，當(dāng)抗氧化劑（如N-乙酰半胱氨酸）應(yīng)用于培養(yǎng)基時(shí)，激活被抑制。Horie等人使用電脈沖刺激（EPS）模擬急性運(yùn)動(dòng)，并證明Nrf2表達(dá)與刺激強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間相關(guān)。此外，EPS刺激了Nrf2相關(guān)抗氧化基因的表達(dá)，當(dāng)siRNA轉(zhuǎn)染敲低細(xì)胞中的Nrf2時(shí)，表達(dá)減弱。其他研究表明，用H2O2處理肌管或大鼠心肌細(xì)胞后，Nrf2蛋白表達(dá)增加。
這些體外結(jié)果轉(zhuǎn)化為體內(nèi)結(jié)果主要在動(dòng)物模型中完成，最近的一項(xiàng)研究是在臨床研究。表1列出了這些研究。值得注意的是，早期的一些研究在其免疫印跡中針對(duì)一個(gè)非特異性的Nrf2（57 kDa）條帶。盡管預(yù)測(cè)的Nrf2分子量為57 kDa，但一些研究小組已經(jīng)確定90-110 kDa帶是與生物相關(guān)的Nrf2靶點(diǎn)。
表1 急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)Nrf2信號(hào)
NR未報(bào)告或未測(cè)量，SMT骨骼肌組織，PBMC外周血單核細(xì)胞，NUC核，WC全細(xì)胞。
在野生型小鼠中，單次急性運(yùn)動(dòng)提高了骨骼肌中的Nrf2基因表達(dá)和其蛋白豐度，以及依賴Nrf2的II相酶。在另外兩項(xiàng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)對(duì)小鼠心肌中Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)影響的研究中，結(jié)果基本上與骨骼肌研究的數(shù)據(jù)一致。然而，這些研究使用了“急性運(yùn)動(dòng)應(yīng)激”，其為連續(xù)兩天60分鐘的跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)。雖然很明顯時(shí)間不足以歸類為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，但眾所周知，連續(xù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致mRNA表達(dá)的累積反應(yīng)，可能需要觀察蛋白質(zhì)豐度的可測(cè)量變化[44]。然而，Muthusamy等人[42]提供了對(duì)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的Nrf2信號(hào)的最全面分析，并比較了年輕野生型（WT）和Nrf2–/–小鼠。盡管兩組的ROS都有相似的增加，但運(yùn)動(dòng)引起的核積累顯著增加，并且Nrf2在WT小鼠心肌中結(jié)合，而在Nrf2–/–小鼠中沒有觀察到Nrf2活性的變化。在WT小鼠中幾乎所有II相酶的基因表達(dá)都顯著增加，唯一的例外是血紅素加氧酶-1（HO-1）。II相抗氧化蛋白的表達(dá)變化不太一致，僅在HO-1、谷氨酸半胱氨酸連接酶（GCLM）和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）中觀察到變化。
關(guān)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的人體Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)仍非常有限，但最近的一項(xiàng)研究首次表明，在年輕和老年人的外周血單核細(xì)胞（PBMCs）中，急性運(yùn)動(dòng)增加了全細(xì)胞水平的Nrf2蛋白豐度[45]。此外，僅在年輕組中觀察到Nrf2的核聚積，表明老化與Nrf2的核輸入受損有關(guān)（見圖2）。毫不奇怪，運(yùn)動(dòng)刺激了年輕人而不是老年人的HO-1和NAD（P）H醌脫氫酶1（NQO1）基因表達(dá)的增加。之前在小鼠心肌和大鼠肝臟中顯示了與年齡相關(guān)的胞質(zhì)溶膠和細(xì)胞核中Nrf2水平以及Nrf2/ARE結(jié)合能力的降低，并伴隨響應(yīng)急性運(yùn)動(dòng)的Nrf2依賴的抗氧化基因表達(dá)的減弱。
圖2 運(yùn)動(dòng)在全細(xì)胞水平上誘導(dǎo)Nrf2增加，但在老年人中細(xì)胞核積累減弱。運(yùn)動(dòng)后PBMCs全細(xì)胞[A]和細(xì)胞核部分[B]中Nrf2的響應(yīng)。數(shù)值為平均值±SEM。在相應(yīng)圖的上方提供了輕人（Y）和老年人（O）的Nrf2變化的代表性條帶和內(nèi)參條帶。全細(xì)胞Nrf2的倍數(shù)變化主要受時(shí)間影響（P=0.003）。細(xì)胞核聚積只在年輕人中顯著增加，在老年人中則不顯著（主要影響因素年齡，p=0.031）。經(jīng)Elsevier許可轉(zhuǎn)載。
另外兩項(xiàng)人類研究雖然沒有直接研究Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)，但與之相關(guān)，兩項(xiàng)研究包括了測(cè)量響應(yīng)急性運(yùn)動(dòng)的Nrf2的mRNA。在含氧量正常的恢復(fù)條件下，經(jīng)過90分鐘的急性自行車運(yùn)動(dòng)后，年輕健康男性骨骼肌中Nrf2和靶向SOD2的基因表達(dá)顯著增加。有趣的是，在缺氧的恢復(fù)條件下未發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)。同樣地，在跑步機(jī)中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)2小時(shí)30分鐘后，經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的中年婦女Nrf2 的mRNA顯著增加；然而，久坐婦女在運(yùn)動(dòng)前后Nrf2或靶點(diǎn)的基因表達(dá)沒有變化，這表明隨著年齡的增長(zhǎng)，健身可能在維持急性Nrf2響應(yīng)中起到作用。
與細(xì)胞培養(yǎng)研究類似，一些動(dòng)物研究表明，Nrf2信號(hào)的增加依賴于運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。持續(xù)不到一小時(shí)的跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起Nrf2的mRNA或蛋白質(zhì)表達(dá)的變化。當(dāng)持續(xù)時(shí)間增加到90分鐘或更長(zhǎng)時(shí)，骨骼肌組織和腦勻漿中的Nrf2激活變得明顯，骨骼肌中Nrf2蛋白表達(dá)顯著增加，兩種組織中的基因表達(dá)顯著增加。在耐力運(yùn)動(dòng)的一個(gè)極端例子中，Li和同事證明，在跑步機(jī)上跑1小時(shí)小鼠的Nrf2活性沒有差異，但跑6小時(shí)后，Nrf2細(xì)胞核聚積和Nrf2-ARE的結(jié)合強(qiáng)勁增加。且與非運(yùn)動(dòng)對(duì)照組和1小時(shí)組相比，多種II相酶的基因表達(dá)顯著增加。與這些結(jié)果相反，其他研究報(bào)道在跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)和中等強(qiáng)度循環(huán)30分鐘后，Nrf2蛋白質(zhì)豐度增加。這些研究之間觀察到的差異可能是方案強(qiáng)度差異的結(jié)果（總結(jié)在表1中）。
目前還沒有研究運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)Nrf2信號(hào)響應(yīng)的影響。然而，Wang等人發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體H2O2含量與Nrf2基因和蛋白表達(dá)之間存在正相關(guān)（根據(jù)運(yùn)動(dòng)不同時(shí)間的反應(yīng)進(jìn)行測(cè)量）。然而，假設(shè)高強(qiáng)度導(dǎo)致更大的氧化應(yīng)激；這些數(shù)據(jù)以及肌管中電脈沖刺激的結(jié)果表明強(qiáng)度可能影響Nrf2信號(hào)。運(yùn)動(dòng)的刺激效應(yīng)（無(wú)論是持續(xù)時(shí)間還是強(qiáng)度）可能有一個(gè)上限，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到筋疲力盡的大鼠沒有表現(xiàn)出Nrf2蛋白或II相酶蛋白水平或包括谷胱甘肽還原酶（GR）、NQO1和谷胱甘肽-s-轉(zhuǎn)移酶（GST）在內(nèi)的酶活性增加，除非它們之前接受過蘿卜硫素，一種有效的Nrf2活化劑。
另一個(gè)需要考慮的機(jī)制來(lái)自于Xue等人最近的研究，其證明在刺激II相抗氧化物表達(dá)方面，Nrf2的積累可能不如Nrf2進(jìn)出細(xì)胞核的頻率重要。在他們的模型中，Nrf2循環(huán)的速率和振幅決定了下游信號(hào)的強(qiáng)度——盡管很難解讀這些體外數(shù)據(jù)，但這個(gè)概念很有趣。運(yùn)動(dòng)的方式、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都可能影響體內(nèi)Nrf2循環(huán)的速率和振幅。例如，即使最短持續(xù)時(shí)間為30秒的最大運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起氧化還原平衡的系統(tǒng)性變化；隨著強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的增加，氧化還原平衡的變化幅度也會(huì)增加。因此，與傳統(tǒng)的有氧運(yùn)動(dòng)相比，通過高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練進(jìn)行重復(fù)的氧化還原平衡移位可能會(huì)對(duì)Nrf2的進(jìn)出頻率產(chǎn)生不同的影響。確定Nrf2激活的最佳“劑量”或運(yùn)動(dòng)量為未來(lái)研究提供了巨大前景。
4、Nrf2信號(hào)對(duì)定期運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)
與急性運(yùn)動(dòng)相比，定期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)Nrf2響應(yīng)的影響已被廣泛研究。表2概述了這些研究。無(wú)論持續(xù)時(shí)間（4-24周）或訓(xùn)練方案（傳統(tǒng)的中等強(qiáng)度或高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練）如何，嚙齒類動(dòng)物模型中的定期有氧運(yùn)動(dòng)始終被證明能夠激活包括骨骼肌、腎臟、大腦、肝臟、睪丸、前列腺和心肌在內(nèi)的多種組織的Nrf2信號(hào)。
表2 定期運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)Nrf2信號(hào)
表2 （續(xù)表）
NR未報(bào)告或未測(cè)量，SMT骨骼肌組織，PBMC外周血單核細(xì)胞，NUC核，WC全細(xì)胞。
綜上所述，這些動(dòng)物研究的數(shù)據(jù)表明，定期運(yùn)動(dòng)會(huì)上調(diào)Nrf2蛋白豐度和II相酶的數(shù)量和/或酶的活性。迄今為止，還沒有對(duì)人體內(nèi)Nrf2信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)的研究。然而，一項(xiàng)比較久坐和活動(dòng)老年人的單次肌肉活檢中Nrf2和Keap1蛋白含量的橫斷面研究表明，活動(dòng)老年人的Nrf2蛋白含量明顯更高，Nrf2/Keap1比率更高，表明定期運(yùn)動(dòng)可能會(huì)減弱Nrf2信號(hào)的年齡相關(guān)變化。運(yùn)動(dòng)干預(yù)是否能恢復(fù)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)已受損個(gè)體的氧化還原平衡仍是個(gè)問題。來(lái)自老年動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)干預(yù)數(shù)據(jù)支持老年人有恢復(fù)Nrf2信號(hào)的潛力。另一個(gè)有趣的問題是，一個(gè)人在一生中開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是否重要。最近的兩項(xiàng)研究，雖然沒有測(cè)量Nrf2信號(hào)，但證明老年人的終身訓(xùn)練與骨骼肌中氧化還原平衡的年齡相關(guān)變化的代償適應(yīng)有關(guān)。Zhao等人在加速衰老的小鼠模型中（SAMP8）更直接地研究了這個(gè)問題。他們有3組動(dòng)物接受游泳運(yùn)動(dòng)，分別是終身的、在生命周期早期開始的和晚期開始的。這些組還與非運(yùn)動(dòng)對(duì)照組進(jìn)行了比較。總的來(lái)說，晚期組仍然比久坐組有一些好處，這支持了一句古老的格言，即開始運(yùn)動(dòng)永遠(yuǎn)不會(huì)太遲。然而，與晚期組相比，終身組和早期組顯示出明顯更大的益處，這表明早期開始運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)信號(hào)的年齡相關(guān)缺陷方面提供了更大保護(hù)。重要的是，有證據(jù)表明經(jīng)常運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)對(duì)之后損害的恢復(fù)力。例如，接受過跑步機(jī)訓(xùn)練或保持靜坐狀態(tài)的大鼠，腦內(nèi)輸注藥物破壞多巴胺受體以模擬帕金森氏病。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可保護(hù)大鼠免受神經(jīng)退行性病變、氧化應(yīng)激和藥物反應(yīng)性Nrf2降低的影響。此外，當(dāng)Nrf2被阻斷時(shí)，運(yùn)動(dòng)保護(hù)作用并不明顯，這支持了Nrf2在運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)中的作用。
據(jù)我們所知，目前為止還沒有任何研究針對(duì)傳統(tǒng)抗阻力訓(xùn)練來(lái)研究Nrf2信號(hào)。 Gomes等人采用帶負(fù)重背心的跳躍方案作為對(duì)Sprague-Dawley大鼠進(jìn)行抗阻力訓(xùn)練（也稱阻力訓(xùn)練，譯者注）。在幼年動(dòng)物中沒有觀察到Nrf2表達(dá)的變化，而接受相同訓(xùn)練方案的老年動(dòng)物Nrf2表達(dá)降低。老年動(dòng)物的Nrf2表達(dá)基線水平明顯高于年輕動(dòng)物，這部分解釋了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后Nrf2的下降。有可能是老年動(dòng)物上調(diào)了Nrf2以抵消日益增長(zhǎng)的促氧化環(huán)境。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改善Nrf2誘導(dǎo)反應(yīng)，從而降低基線值。可能需要測(cè)量運(yùn)動(dòng)干預(yù)前后對(duì)急性運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)，以闡明這些觀察到的Nrf2表達(dá)差異。在接受過臥床休息的人身上也觀察到了類似情況，不論他們是否接受過伴隨的抗阻力訓(xùn)練。臥床休息控制（無(wú)運(yùn)動(dòng)）顯示骨骼肌中Nrf2的mRNA水平升高；然而，臥床休息加上阻力訓(xùn)練與臥床前休息水平相比，沒有引起Nrf2表達(dá)的變化，這表明阻力運(yùn)動(dòng)可維持氧化還原平衡。這兩項(xiàng)研究都沒有集中于Nrf2信號(hào)本身，只包括測(cè)量Nrf2基因表達(dá)變化。需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明抗阻力訓(xùn)練是否能誘導(dǎo)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)。
5、抗氧化劑補(bǔ)充對(duì)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)的影響
雖然這些證據(jù)明確支持運(yùn)動(dòng)作為一種通過激活Nrf2誘導(dǎo)的內(nèi)源性抗氧化防御的可行方法，但人們總是關(guān)注是否可以通過外源性補(bǔ)充劑或藥物實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?？紤]到氧化應(yīng)激在衰老中的作用，外源性抗氧化劑補(bǔ)充通過減緩衰老或活性氧產(chǎn)生速率，減少自由基與細(xì)胞成分接觸，并促進(jìn)更平衡的細(xì)胞氧化還原環(huán)境來(lái)，對(duì)抗由自由基引起的細(xì)胞損傷和與年齡相關(guān)的病理學(xué)變化。這一假設(shè)導(dǎo)致了大量的研究，研究了外源性補(bǔ)充劑與成功老化（快樂、滿足、幸福地度過老化時(shí)期,在生理、心理和社會(huì)等方面都感到相對(duì)適應(yīng)，譯者摘注）和/或延長(zhǎng)壽命之間的關(guān)系。事實(shí)上，對(duì)“抗氧化劑和衰老”關(guān)鍵詞的公開搜索產(chǎn)生了超過13000份結(jié)果。盡管有大量的文獻(xiàn)，但對(duì)于補(bǔ)充抗氧化劑的益處仍沒有達(dá)成共識(shí)。許多研究表明補(bǔ)充抗氧化劑沒有影響，一些研究甚至表明抗氧化劑補(bǔ)充劑的負(fù)面影響。目前，美國(guó)超過40%的成年人口每天至少攝入多維生素補(bǔ)充劑，僅在美國(guó)，每年就產(chǎn)生320億美元的產(chǎn)業(yè)收入。研究中最常見的兩種維生素是維生素C和E。
維生素C（抗壞血酸/抗壞血酸）是一種有效的親水性抗氧化劑，能夠直接中和活性氧，盡管速度非常慢。維生素E（α-生育酚）是細(xì)胞膜的主要疏水性抗氧化劑，是體內(nèi)脂質(zhì)過氧化的有力抑制劑。由于其疏水性，它被儲(chǔ)存在細(xì)胞膜中，可以清除過氧化自由基，比過氧化自由基與細(xì)胞膜反應(yīng)快得多。此外，α-生育酚能直接清除線粒體膜中的活性氧。鑒于維生素E的抗氧化特性，它被吹噓具有通過抑制循環(huán)脂蛋白的氧化修飾進(jìn)而預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化的潛力。然而，根據(jù)這些反應(yīng)，維生素C和E可以提高細(xì)胞存活率，最近的薈萃分析表明，補(bǔ)充抗氧化維生素沒有效果，甚至可能增加發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)動(dòng)和抗氧化維生素補(bǔ)充劑之間的相互作用使情況更加復(fù)雜。外源抗氧化劑可能通過在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)開始前降低ROS來(lái)減弱信號(hào)傳導(dǎo)（見圖1）。
因此，活性氧的許多有益作用被中斷，這與通過Nrf2介導(dǎo)的內(nèi)源性抗氧化防御作用控制的活性氧下降形成了直接對(duì)比。在一項(xiàng)雙盲、安慰劑對(duì)照的維生素C和E補(bǔ)充研究中，Morrison等人清楚地證明，通過測(cè)定F2異前列素對(duì)急性運(yùn)動(dòng)挑戰(zhàn)的響應(yīng)，補(bǔ)充劑對(duì)減少氧化應(yīng)激沒有好處。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在對(duì)使用補(bǔ)充劑的成人進(jìn)行為期4周的運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，SOD1和SOD2蛋白表達(dá)減弱，而安慰劑組這些蛋白的表達(dá)顯著增加。同時(shí)補(bǔ)充劑的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)不良反應(yīng)在功能水平上也表現(xiàn)出來(lái)，補(bǔ)充劑減少了疲勞試驗(yàn)、血壓控制和葡萄糖耐量的改善。在肌肉水平上，補(bǔ)充抗氧化劑抑制了線粒體適應(yīng)耐力訓(xùn)練的幾個(gè)標(biāo)志物；盡管還不清楚補(bǔ)充抗氧化劑是否會(huì)抑制人類的耐力訓(xùn)練表現(xiàn)。
6、運(yùn)動(dòng)和植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2活化劑有協(xié)同作用嗎？
深入討論植物營(yíng)養(yǎng)素或植物化學(xué)物質(zhì)對(duì)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)的影響超出了本綜述的范圍。相反，我們將關(guān)注最近的研究，這些研究已經(jīng)證明了運(yùn)動(dòng)與已知的Nrf2活化劑結(jié)合在進(jìn)一步改善氧化還原平衡方面的潛在協(xié)同效應(yīng)。Pala等證明輔酶Q10（COQ10）補(bǔ)充劑和運(yùn)動(dòng)對(duì)雄性Wistar大鼠有協(xié)同作用。運(yùn)動(dòng)和輔酶Q10補(bǔ)充劑的作用相互獨(dú)立，顯著增加心臟、肝臟和骨骼肌中的Nrf2表達(dá)，超過久坐對(duì)照組。在所有組織中，補(bǔ)充劑和運(yùn)動(dòng)對(duì)Nrf2表達(dá)的聯(lián)合作用都顯著增強(qiáng)，并且類似模式在誘導(dǎo)HO-1中也觀察到。Sprague-Dawley大鼠補(bǔ)充了已知的Nrf2激活劑——冬蟲夏草，在15天的游泳計(jì)劃中Nrf2蛋白表達(dá)和II相酶表達(dá)水平顯著高于單獨(dú)運(yùn)動(dòng)組的水平。這一領(lǐng)域值得進(jìn)一步研究。圖3顯示了來(lái)自早期研究的數(shù)據(jù)，這些研究表明，運(yùn)動(dòng)效果是如何通過同時(shí)補(bǔ)充抗氧化劑而被抑制的，以及如何通過同時(shí)使用植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2激活劑而得到增強(qiáng)的。
圖3 運(yùn)動(dòng)結(jié)合補(bǔ)充抗氧化劑維生素的抑制運(yùn)動(dòng)適應(yīng)，而Nrf2激活劑增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)效果。與久坐對(duì)照組小鼠相比，接受維生素C補(bǔ)充并運(yùn)動(dòng)的嚙齒動(dòng)物未能改善其疲勞時(shí)間[A]。與之相反，與靜坐對(duì)照組和非補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)組相比，在疲勞時(shí)間試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)過程中，補(bǔ)充了Nrf2激活化合物的大鼠表現(xiàn)明顯更好，表明其具有潛在的協(xié)同效應(yīng)[B]。數(shù)據(jù)源自Gomez-Cabrera等人和Kumar等人。
激活Nrf2和II相反應(yīng)的另一個(gè)可能機(jī)制是熱量限制。據(jù)我們所知，目前還沒有關(guān)于熱量限制和運(yùn)動(dòng)結(jié)合對(duì)Nrf2和下游信號(hào)傳導(dǎo)影響的隨機(jī)對(duì)照研究。
7、結(jié)論與未來(lái)方向
總之，這些數(shù)據(jù)說明運(yùn)動(dòng)通過氧化還原激活Nrf2信號(hào)產(chǎn)生了許多好處。Nrf2在包括大腦、腎臟和睪丸在內(nèi)各種組織中的激活可能是運(yùn)動(dòng)如何產(chǎn)生眾所周知的，不僅限于骨骼肌和心肌的系統(tǒng)效應(yīng)的一個(gè)重要機(jī)制。此外，還有一些新的數(shù)據(jù)表明，這些結(jié)果實(shí)際上可以轉(zhuǎn)化到人類。顯然，我們還需要更多的研究，特別是人體運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。動(dòng)物研究和人類研究幾乎都局限于雄性/男性。結(jié)果需要擴(kuò)展到雌性/女性，并解釋可能的性別差異。在增強(qiáng)對(duì)Nrf2轉(zhuǎn)錄因子在健康和疾病中重要作用的理解方面，使用Nrf2基因敲除小鼠具有極其重要的價(jià)值。Nrf2−/−表現(xiàn)出與老齡小鼠非常相似的表型，表明Nrf2-Keap1信號(hào)的中斷是生物老化的一個(gè)原因，這使得Nrf2成為一個(gè)有希望的靶點(diǎn)，特別是治療生物老化以預(yù)防年齡相關(guān)疾病中。
動(dòng)物研究的一個(gè)告誡是，通常只有兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)可用（急性運(yùn)動(dòng)前/后或運(yùn)動(dòng)干預(yù)前/后）。許多Nrf2調(diào)節(jié)基因和蛋白質(zhì)可能有不同的時(shí)間-響應(yīng)進(jìn)程，因此可能需要多個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)捕捉整體變化。這些需要在未來(lái)進(jìn)一步研究。
翻譯：
Nrf2介導(dǎo)氧化還原作用對(duì)運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)
摘要綜述的主要目的是總結(jié)當(dāng)前關(guān)于急性運(yùn)動(dòng)和定期運(yùn)動(dòng)對(duì)核因子紅細(xì)胞樣2相關(guān)因子2（Nrf2）活性和Nrf2信號(hào)下游靶點(diǎn)的影響的文獻(xiàn)。Nrf2（在人體內(nèi)由NFE2L2基因編碼）是抗氧化劑防御的主要調(diào)節(jié)因子，是一種調(diào)節(jié)200多個(gè)細(xì)胞保護(hù)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。越來(lái)越多的證據(jù)表明，Nrf2信號(hào)在氧化應(yīng)激如何介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的有益作用中起著關(guān)鍵作用。通過急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激偶發(fā)性增加刺激了Nrf2活化，與定期運(yùn)動(dòng)一樣重復(fù)刺激時(shí)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)源性抗氧化防御能力與總體更大的抗氧化應(yīng)激破壞性作用能力的上調(diào)。運(yùn)動(dòng)造成的不同組織Nrf2激活證據(jù)可能是運(yùn)動(dòng)如何發(fā)揮其眾所周知的系統(tǒng)效應(yīng)的一個(gè)重要機(jī)制，這些系統(tǒng)效應(yīng)不僅限于骨骼肌和心肌。此外，還有一些動(dòng)物研究成果轉(zhuǎn)化為人類的數(shù)據(jù)。
1、簡(jiǎn)介
隨著分子生物學(xué)的發(fā)展及其在運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用，人們對(duì)于急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)導(dǎo)致多次運(yùn)動(dòng)后積累生理適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)得到了極大提高。急性運(yùn)動(dòng)激活初級(jí)信使，如一磷酸腺苷（AMP）、鈣和機(jī)械應(yīng)激，以及隨后的次級(jí)信使，包括AMP活化蛋白激酶（AMPK）、鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶（CAMK）和p38有絲分裂原活化蛋白激酶，導(dǎo)致mRNA轉(zhuǎn)錄的急性變化。急性運(yùn)動(dòng)刺激的另一個(gè)重要的初級(jí)信使是氧化還原平衡（或氧化還原電位）的暫時(shí)性變化，通過產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（ROS）進(jìn)入更加氧化的狀態(tài)。雖然ROS最初被認(rèn)為具有損傷性，但現(xiàn)在人們對(duì)ROS在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、免疫功能調(diào)節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄和凋亡中的重要作用有了更深入的了解。一個(gè)主要的例子是ROS在轉(zhuǎn)錄因子核因子紅細(xì)胞樣2相關(guān)因子2（Nrf2）激活中的作用，其是抗氧化劑酶和細(xì)胞抗應(yīng)激的主要調(diào)節(jié)因子。嚙齒動(dòng)物研究的數(shù)據(jù)表明，靶向Nrf2活性以降低疾病風(fēng)險(xiǎn)的治療潛力。靶向Nrf2敲除（Nrf2–/–）模型在所有組織中對(duì)毒性和氧化應(yīng)激源表現(xiàn)出抵抗力明顯受損，因此Nrf2–/–小鼠更易患慢性疾病。靶向Nrf2激活的藥理學(xué)和遺傳學(xué)（負(fù)調(diào)節(jié)子敲除）方法有效地改善氧化應(yīng)激源造成的損害并恢復(fù)對(duì)慢性疾病的抵抗。Nrf2信號(hào)中斷的情況下病理學(xué)的增加，以及隨后在Nrf2 活化劑存在下的逆轉(zhuǎn)已經(jīng)在其他地方進(jìn)行了綜述。
越來(lái)越多的證據(jù)表明，Nrf2途徑在氧化應(yīng)激如何調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的有益作用中起著關(guān)鍵作用。急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的偶發(fā)性增加會(huì)刺激Nrf2激活，與定期運(yùn)動(dòng)一樣重復(fù)刺激時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)源性抗氧化防御的上調(diào)，以及總體上更大的能力以抵消氧化對(duì)核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的損傷作用。本綜述的主要目的是總結(jié)當(dāng)前關(guān)于急性運(yùn)動(dòng)和定期運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)Nrf2活性和Nrf2信號(hào)下游靶點(diǎn)影響的文獻(xiàn)。我們還研究了支持或反對(duì)與運(yùn)動(dòng)結(jié)合使用抗氧化補(bǔ)充劑和植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2活化劑的證據(jù)。由于干預(yù)效果在目標(biāo)受損時(shí)更容易觀察到，我們將著重研究衰老作為受損細(xì)胞信號(hào)的非疾病模型，其通常與年齡相關(guān)的病理學(xué)相協(xié)調(diào)。我們從Nrf2調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)要概述開始。
2、 Nrf2：細(xì)胞防御的主調(diào)節(jié)子
轉(zhuǎn)錄因子Nrf2（在人類中由NFE2L2基因編碼）是抗氧化防御的主調(diào)節(jié)子，調(diào)節(jié)超過200種保護(hù)氧化應(yīng)激的細(xì)胞保護(hù)基因。Nrf2是堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）轉(zhuǎn)錄因子家族的一員，在無(wú)應(yīng)激條件下通過與胞質(zhì)溶膠中的Kelch樣紅系細(xì)胞相關(guān)CNC同源關(guān)聯(lián)蛋白1（Keap1）的同二聚體結(jié)合而被抑制[17]。Nrf2和Keap1之間的相互作用在物種間高度保守，表明其調(diào)節(jié)作用的重要[18]。在這種狀態(tài)下，Keap1作為Nrf2降解的銜接蛋白發(fā)揮作用，其由Cul3/Rbx1介導(dǎo)，促進(jìn)Nrf2泛素化和隨后26s蛋白酶體對(duì)Nrf2的降解。Keap1/Cul3/Rbx1也作為一種額外的負(fù)調(diào)節(jié)因子存在于細(xì)胞核中[19]。
半胱氨酸殘基被以一種獨(dú)特的形式修飾來(lái)響應(yīng)氧化或親電刺激，不同的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)物與Keap1上不同的半胱氨酸殘基組合反應(yīng)，從而產(chǎn)生相同的生物響應(yīng)，特別是從Nrf2脫離并激活Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件（ARE）響應(yīng)，或通過穩(wěn)定Keap1-Nrf2復(fù)合物，減緩蛋白酶體對(duì)其的降解[20–23]。一旦從Keap1上脫離，Nrf2就轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，在那里它與小Maf蛋白異二聚體化，并結(jié)合順式作用元件AREs，有效地激活I(lǐng)I相解毒酶的轉(zhuǎn)錄（見圖1）。
圖1 Nrf2信號(hào)通路。Nrf2被運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的ROS或植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2激動(dòng)劑激活?？寡趸a(bǔ)充劑抑制了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的ROS的信號(hào)，從而抑制下游的Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)。
在治療潛力方面，這種半胱氨酸編碼作為多種化合物和刺激物的有效Nrf2誘導(dǎo)物，之間相互獨(dú)立，引起了人們極大的興趣。例如，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的Nrf2的活性氧活化可能通過氧化這些半胱氨酸殘基發(fā)生。同樣，某些植物營(yíng)養(yǎng)素被證明能夠激活Nrf2，這個(gè)過程可能是通過改變半胱氨酸殘基而發(fā)生的，而這些殘基不同于運(yùn)動(dòng)中的靶點(diǎn)。如果事實(shí)上是這樣的話，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和Nrf2激動(dòng)化合物之間可能存在協(xié)同效應(yīng)。一些最新數(shù)據(jù)支持這一點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)在本綜述的第6節(jié)中給出。對(duì)于那些對(duì)Nrf2激活機(jī)制的更詳細(xì)背景感興趣的人，我們請(qǐng)讀者參考這方面近期的一篇優(yōu)秀評(píng)論[16]。
值得注意的是，在某些情況下，如癌癥，Nrf2的激活和信號(hào)傳導(dǎo)可能會(huì)產(chǎn)生有害影響。在正常情況下，Nrf2信號(hào)可以防止癌癥，正如十字花科蔬菜中的植物營(yíng)養(yǎng)素刺激Nrf2活化的效果一樣。然而，在癌細(xì)胞中，Nrf2的激活可能賦予細(xì)胞抗應(yīng)激能力，使細(xì)胞不易受到化療治療的影響。研究表明，在癌癥腫瘤中，Nrf2被上調(diào)，在化療期間可能需要使用Nrf2抑制劑提高治療效果。
3、Nrf2信號(hào)對(duì)急性運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)
使用C2C12骨骼肌細(xì)胞進(jìn)行的細(xì)胞培養(yǎng)為證明Nrf2被ROS激活的研究提供了證據(jù)，當(dāng)抗氧化劑（如N-乙酰半胱氨酸）應(yīng)用于培養(yǎng)基時(shí)，激活被抑制。Horie等人使用電脈沖刺激（EPS）模擬急性運(yùn)動(dòng)，并證明Nrf2表達(dá)與刺激強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間相關(guān)。此外，EPS刺激了Nrf2相關(guān)抗氧化基因的表達(dá)，當(dāng)siRNA轉(zhuǎn)染敲低細(xì)胞中的Nrf2時(shí)，表達(dá)減弱。其他研究表明，用H2O2處理肌管或大鼠心肌細(xì)胞后，Nrf2蛋白表達(dá)增加。
這些體外結(jié)果轉(zhuǎn)化為體內(nèi)結(jié)果主要在動(dòng)物模型中完成，最近的一項(xiàng)研究是在臨床研究。表1列出了這些研究。值得注意的是，早期的一些研究在其免疫印跡中針對(duì)一個(gè)非特異性的Nrf2（57 kDa）條帶。盡管預(yù)測(cè)的Nrf2分子量為57 kDa，但一些研究小組已經(jīng)確定90-110 kDa帶是與生物相關(guān)的Nrf2靶點(diǎn)。
表1 急性運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)Nrf2信號(hào)
NR未報(bào)告或未測(cè)量，SMT骨骼肌組織，PBMC外周血單核細(xì)胞，NUC核，WC全細(xì)胞。
在野生型小鼠中，單次急性運(yùn)動(dòng)提高了骨骼肌中的Nrf2基因表達(dá)和其蛋白豐度，以及依賴Nrf2的II相酶。在另外兩項(xiàng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)對(duì)小鼠心肌中Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)影響的研究中，結(jié)果基本上與骨骼肌研究的數(shù)據(jù)一致。然而，這些研究使用了“急性運(yùn)動(dòng)應(yīng)激”，其為連續(xù)兩天60分鐘的跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)。雖然很明顯時(shí)間不足以歸類為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，但眾所周知，連續(xù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致mRNA表達(dá)的累積反應(yīng)，可能需要觀察蛋白質(zhì)豐度的可測(cè)量變化[44]。然而，Muthusamy等人[42]提供了對(duì)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的Nrf2信號(hào)的最全面分析，并比較了年輕野生型（WT）和Nrf2–/–小鼠。盡管兩組的ROS都有相似的增加，但運(yùn)動(dòng)引起的核積累顯著增加，并且Nrf2在WT小鼠心肌中結(jié)合，而在Nrf2–/–小鼠中沒有觀察到Nrf2活性的變化。在WT小鼠中幾乎所有II相酶的基因表達(dá)都顯著增加，唯一的例外是血紅素加氧酶-1（HO-1）。II相抗氧化蛋白的表達(dá)變化不太一致，僅在HO-1、谷氨酸半胱氨酸連接酶（GCLM）和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）中觀察到變化。
關(guān)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的人體Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)仍非常有限，但最近的一項(xiàng)研究首次表明，在年輕和老年人的外周血單核細(xì)胞（PBMCs）中，急性運(yùn)動(dòng)增加了全細(xì)胞水平的Nrf2蛋白豐度[45]。此外，僅在年輕組中觀察到Nrf2的核聚積，表明老化與Nrf2的核輸入受損有關(guān)（見圖2）。毫不奇怪，運(yùn)動(dòng)刺激了年輕人而不是老年人的HO-1和NAD（P）H醌脫氫酶1（NQO1）基因表達(dá)的增加。之前在小鼠心肌和大鼠肝臟中顯示了與年齡相關(guān)的胞質(zhì)溶膠和細(xì)胞核中Nrf2水平以及Nrf2/ARE結(jié)合能力的降低，并伴隨響應(yīng)急性運(yùn)動(dòng)的Nrf2依賴的抗氧化基因表達(dá)的減弱。
圖2 運(yùn)動(dòng)在全細(xì)胞水平上誘導(dǎo)Nrf2增加，但在老年人中細(xì)胞核積累減弱。運(yùn)動(dòng)后PBMCs全細(xì)胞[A]和細(xì)胞核部分[B]中Nrf2的響應(yīng)。數(shù)值為平均值±SEM。在相應(yīng)圖的上方提供了輕人（Y）和老年人（O）的Nrf2變化的代表性條帶和內(nèi)參條帶。全細(xì)胞Nrf2的倍數(shù)變化主要受時(shí)間影響（P=0.003）。細(xì)胞核聚積只在年輕人中顯著增加，在老年人中則不顯著（主要影響因素年齡，p=0.031）。經(jīng)Elsevier許可轉(zhuǎn)載。
另外兩項(xiàng)人類研究雖然沒有直接研究Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)，但與之相關(guān)，兩項(xiàng)研究包括了測(cè)量響應(yīng)急性運(yùn)動(dòng)的Nrf2的mRNA。在含氧量正常的恢復(fù)條件下，經(jīng)過90分鐘的急性自行車運(yùn)動(dòng)后，年輕健康男性骨骼肌中Nrf2和靶向SOD2的基因表達(dá)顯著增加。有趣的是，在缺氧的恢復(fù)條件下未發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)。同樣地，在跑步機(jī)中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)2小時(shí)30分鐘后，經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的中年婦女Nrf2 的mRNA顯著增加；然而，久坐婦女在運(yùn)動(dòng)前后Nrf2或靶點(diǎn)的基因表達(dá)沒有變化，這表明隨著年齡的增長(zhǎng)，健身可能在維持急性Nrf2響應(yīng)中起到作用。
與細(xì)胞培養(yǎng)研究類似，一些動(dòng)物研究表明，Nrf2信號(hào)的增加依賴于運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。持續(xù)不到一小時(shí)的跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起Nrf2的mRNA或蛋白質(zhì)表達(dá)的變化。當(dāng)持續(xù)時(shí)間增加到90分鐘或更長(zhǎng)時(shí)，骨骼肌組織和腦勻漿中的Nrf2激活變得明顯，骨骼肌中Nrf2蛋白表達(dá)顯著增加，兩種組織中的基因表達(dá)顯著增加。在耐力運(yùn)動(dòng)的一個(gè)極端例子中，Li和同事證明，在跑步機(jī)上跑1小時(shí)小鼠的Nrf2活性沒有差異，但跑6小時(shí)后，Nrf2細(xì)胞核聚積和Nrf2-ARE的結(jié)合強(qiáng)勁增加。且與非運(yùn)動(dòng)對(duì)照組和1小時(shí)組相比，多種II相酶的基因表達(dá)顯著增加。與這些結(jié)果相反，其他研究報(bào)道在跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)和中等強(qiáng)度循環(huán)30分鐘后，Nrf2蛋白質(zhì)豐度增加。這些研究之間觀察到的差異可能是方案強(qiáng)度差異的結(jié)果（總結(jié)在表1中）。
目前還沒有研究運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)Nrf2信號(hào)響應(yīng)的影響。然而，Wang等人發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體H2O2含量與Nrf2基因和蛋白表達(dá)之間存在正相關(guān)（根據(jù)運(yùn)動(dòng)不同時(shí)間的反應(yīng)進(jìn)行測(cè)量）。然而，假設(shè)高強(qiáng)度導(dǎo)致更大的氧化應(yīng)激；這些數(shù)據(jù)以及肌管中電脈沖刺激的結(jié)果表明強(qiáng)度可能影響Nrf2信號(hào)。運(yùn)動(dòng)的刺激效應(yīng)（無(wú)論是持續(xù)時(shí)間還是強(qiáng)度）可能有一個(gè)上限，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到筋疲力盡的大鼠沒有表現(xiàn)出Nrf2蛋白或II相酶蛋白水平或包括谷胱甘肽還原酶（GR）、NQO1和谷胱甘肽-s-轉(zhuǎn)移酶（GST）在內(nèi)的酶活性增加，除非它們之前接受過蘿卜硫素，一種有效的Nrf2活化劑。
另一個(gè)需要考慮的機(jī)制來(lái)自于Xue等人最近的研究，其證明在刺激II相抗氧化物表達(dá)方面，Nrf2的積累可能不如Nrf2進(jìn)出細(xì)胞核的頻率重要。在他們的模型中，Nrf2循環(huán)的速率和振幅決定了下游信號(hào)的強(qiáng)度——盡管很難解讀這些體外數(shù)據(jù)，但這個(gè)概念很有趣。運(yùn)動(dòng)的方式、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都可能影響體內(nèi)Nrf2循環(huán)的速率和振幅。例如，即使最短持續(xù)時(shí)間為30秒的最大運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起氧化還原平衡的系統(tǒng)性變化；隨著強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的增加，氧化還原平衡的變化幅度也會(huì)增加。因此，與傳統(tǒng)的有氧運(yùn)動(dòng)相比，通過高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練進(jìn)行重復(fù)的氧化還原平衡移位可能會(huì)對(duì)Nrf2的進(jìn)出頻率產(chǎn)生不同的影響。確定Nrf2激活的最佳“劑量”或運(yùn)動(dòng)量為未來(lái)研究提供了巨大前景。
4、Nrf2信號(hào)對(duì)定期運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)
與急性運(yùn)動(dòng)相比，定期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)Nrf2響應(yīng)的影響已被廣泛研究。表2概述了這些研究。無(wú)論持續(xù)時(shí)間（4-24周）或訓(xùn)練方案（傳統(tǒng)的中等強(qiáng)度或高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練）如何，嚙齒類動(dòng)物模型中的定期有氧運(yùn)動(dòng)始終被證明能夠激活包括骨骼肌、腎臟、大腦、肝臟、睪丸、前列腺和心肌在內(nèi)的多種組織的Nrf2信號(hào)。
表2 定期運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)Nrf2信號(hào)
表2 （續(xù)表）
NR未報(bào)告或未測(cè)量，SMT骨骼肌組織，PBMC外周血單核細(xì)胞，NUC核，WC全細(xì)胞。
綜上所述，這些動(dòng)物研究的數(shù)據(jù)表明，定期運(yùn)動(dòng)會(huì)上調(diào)Nrf2蛋白豐度和II相酶的數(shù)量和/或酶的活性。迄今為止，還沒有對(duì)人體內(nèi)Nrf2信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)的研究。然而，一項(xiàng)比較久坐和活動(dòng)老年人的單次肌肉活檢中Nrf2和Keap1蛋白含量的橫斷面研究表明，活動(dòng)老年人的Nrf2蛋白含量明顯更高，Nrf2/Keap1比率更高，表明定期運(yùn)動(dòng)可能會(huì)減弱Nrf2信號(hào)的年齡相關(guān)變化。運(yùn)動(dòng)干預(yù)是否能恢復(fù)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)已受損個(gè)體的氧化還原平衡仍是個(gè)問題。來(lái)自老年動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)干預(yù)數(shù)據(jù)支持老年人有恢復(fù)Nrf2信號(hào)的潛力。另一個(gè)有趣的問題是，一個(gè)人在一生中開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是否重要。最近的兩項(xiàng)研究，雖然沒有測(cè)量Nrf2信號(hào)，但證明老年人的終身訓(xùn)練與骨骼肌中氧化還原平衡的年齡相關(guān)變化的代償適應(yīng)有關(guān)。Zhao等人在加速衰老的小鼠模型中（SAMP8）更直接地研究了這個(gè)問題。他們有3組動(dòng)物接受游泳運(yùn)動(dòng)，分別是終身的、在生命周期早期開始的和晚期開始的。這些組還與非運(yùn)動(dòng)對(duì)照組進(jìn)行了比較。總的來(lái)說，晚期組仍然比久坐組有一些好處，這支持了一句古老的格言，即開始運(yùn)動(dòng)永遠(yuǎn)不會(huì)太遲。然而，與晚期組相比，終身組和早期組顯示出明顯更大的益處，這表明早期開始運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)信號(hào)的年齡相關(guān)缺陷方面提供了更大保護(hù)。重要的是，有證據(jù)表明經(jīng)常運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)對(duì)之后損害的恢復(fù)力。例如，接受過跑步機(jī)訓(xùn)練或保持靜坐狀態(tài)的大鼠，腦內(nèi)輸注藥物破壞多巴胺受體以模擬帕金森氏病。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可保護(hù)大鼠免受神經(jīng)退行性病變、氧化應(yīng)激和藥物反應(yīng)性Nrf2降低的影響。此外，當(dāng)Nrf2被阻斷時(shí)，運(yùn)動(dòng)保護(hù)作用并不明顯，這支持了Nrf2在運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)中的作用。
據(jù)我們所知，目前為止還沒有任何研究針對(duì)傳統(tǒng)抗阻力訓(xùn)練來(lái)研究Nrf2信號(hào)。 Gomes等人采用帶負(fù)重背心的跳躍方案作為對(duì)Sprague-Dawley大鼠進(jìn)行抗阻力訓(xùn)練（也稱阻力訓(xùn)練，譯者注）。在幼年動(dòng)物中沒有觀察到Nrf2表達(dá)的變化，而接受相同訓(xùn)練方案的老年動(dòng)物Nrf2表達(dá)降低。老年動(dòng)物的Nrf2表達(dá)基線水平明顯高于年輕動(dòng)物，這部分解釋了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后Nrf2的下降。有可能是老年動(dòng)物上調(diào)了Nrf2以抵消日益增長(zhǎng)的促氧化環(huán)境。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改善Nrf2誘導(dǎo)反應(yīng)，從而降低基線值。可能需要測(cè)量運(yùn)動(dòng)干預(yù)前后對(duì)急性運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)，以闡明這些觀察到的Nrf2表達(dá)差異。在接受過臥床休息的人身上也觀察到了類似情況，不論他們是否接受過伴隨的抗阻力訓(xùn)練。臥床休息控制（無(wú)運(yùn)動(dòng)）顯示骨骼肌中Nrf2的mRNA水平升高；然而，臥床休息加上阻力訓(xùn)練與臥床前休息水平相比，沒有引起Nrf2表達(dá)的變化，這表明阻力運(yùn)動(dòng)可維持氧化還原平衡。這兩項(xiàng)研究都沒有集中于Nrf2信號(hào)本身，只包括測(cè)量Nrf2基因表達(dá)變化。需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明抗阻力訓(xùn)練是否能誘導(dǎo)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)。
5、抗氧化劑補(bǔ)充對(duì)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)的影響
雖然這些證據(jù)明確支持運(yùn)動(dòng)作為一種通過激活Nrf2誘導(dǎo)的內(nèi)源性抗氧化防御的可行方法，但人們總是關(guān)注是否可以通過外源性補(bǔ)充劑或藥物實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?？紤]到氧化應(yīng)激在衰老中的作用，外源性抗氧化劑補(bǔ)充通過減緩衰老或活性氧產(chǎn)生速率，減少自由基與細(xì)胞成分接觸，并促進(jìn)更平衡的細(xì)胞氧化還原環(huán)境來(lái)，對(duì)抗由自由基引起的細(xì)胞損傷和與年齡相關(guān)的病理學(xué)變化。這一假設(shè)導(dǎo)致了大量的研究，研究了外源性補(bǔ)充劑與成功老化（快樂、滿足、幸福地度過老化時(shí)期,在生理、心理和社會(huì)等方面都感到相對(duì)適應(yīng)，譯者摘注）和/或延長(zhǎng)壽命之間的關(guān)系。事實(shí)上，對(duì)“抗氧化劑和衰老”關(guān)鍵詞的公開搜索產(chǎn)生了超過13000份結(jié)果。盡管有大量的文獻(xiàn)，但對(duì)于補(bǔ)充抗氧化劑的益處仍沒有達(dá)成共識(shí)。許多研究表明補(bǔ)充抗氧化劑沒有影響，一些研究甚至表明抗氧化劑補(bǔ)充劑的負(fù)面影響。目前，美國(guó)超過40%的成年人口每天至少攝入多維生素補(bǔ)充劑，僅在美國(guó)，每年就產(chǎn)生320億美元的產(chǎn)業(yè)收入。研究中最常見的兩種維生素是維生素C和E。
維生素C（抗壞血酸/抗壞血酸）是一種有效的親水性抗氧化劑，能夠直接中和活性氧，盡管速度非常慢。維生素E（α-生育酚）是細(xì)胞膜的主要疏水性抗氧化劑，是體內(nèi)脂質(zhì)過氧化的有力抑制劑。由于其疏水性，它被儲(chǔ)存在細(xì)胞膜中，可以清除過氧化自由基，比過氧化自由基與細(xì)胞膜反應(yīng)快得多。此外，α-生育酚能直接清除線粒體膜中的活性氧。鑒于維生素E的抗氧化特性，它被吹噓具有通過抑制循環(huán)脂蛋白的氧化修飾進(jìn)而預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化的潛力。然而，根據(jù)這些反應(yīng)，維生素C和E可以提高細(xì)胞存活率，最近的薈萃分析表明，補(bǔ)充抗氧化維生素沒有效果，甚至可能增加發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)動(dòng)和抗氧化維生素補(bǔ)充劑之間的相互作用使情況更加復(fù)雜。外源抗氧化劑可能通過在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)開始前降低ROS來(lái)減弱信號(hào)傳導(dǎo)（見圖1）。
因此，活性氧的許多有益作用被中斷，這與通過Nrf2介導(dǎo)的內(nèi)源性抗氧化防御作用控制的活性氧下降形成了直接對(duì)比。在一項(xiàng)雙盲、安慰劑對(duì)照的維生素C和E補(bǔ)充研究中，Morrison等人清楚地證明，通過測(cè)定F2異前列素對(duì)急性運(yùn)動(dòng)挑戰(zhàn)的響應(yīng)，補(bǔ)充劑對(duì)減少氧化應(yīng)激沒有好處。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在對(duì)使用補(bǔ)充劑的成人進(jìn)行為期4周的運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，SOD1和SOD2蛋白表達(dá)減弱，而安慰劑組這些蛋白的表達(dá)顯著增加。同時(shí)補(bǔ)充劑的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)不良反應(yīng)在功能水平上也表現(xiàn)出來(lái)，補(bǔ)充劑減少了疲勞試驗(yàn)、血壓控制和葡萄糖耐量的改善。在肌肉水平上，補(bǔ)充抗氧化劑抑制了線粒體適應(yīng)耐力訓(xùn)練的幾個(gè)標(biāo)志物；盡管還不清楚補(bǔ)充抗氧化劑是否會(huì)抑制人類的耐力訓(xùn)練表現(xiàn)。
6、運(yùn)動(dòng)和植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2活化劑有協(xié)同作用嗎？
深入討論植物營(yíng)養(yǎng)素或植物化學(xué)物質(zhì)對(duì)Nrf2信號(hào)傳導(dǎo)的影響超出了本綜述的范圍。相反，我們將關(guān)注最近的研究，這些研究已經(jīng)證明了運(yùn)動(dòng)與已知的Nrf2活化劑結(jié)合在進(jìn)一步改善氧化還原平衡方面的潛在協(xié)同效應(yīng)。Pala等證明輔酶Q10（COQ10）補(bǔ)充劑和運(yùn)動(dòng)對(duì)雄性Wistar大鼠有協(xié)同作用。運(yùn)動(dòng)和輔酶Q10補(bǔ)充劑的作用相互獨(dú)立，顯著增加心臟、肝臟和骨骼肌中的Nrf2表達(dá)，超過久坐對(duì)照組。在所有組織中，補(bǔ)充劑和運(yùn)動(dòng)對(duì)Nrf2表達(dá)的聯(lián)合作用都顯著增強(qiáng)，并且類似模式在誘導(dǎo)HO-1中也觀察到。Sprague-Dawley大鼠補(bǔ)充了已知的Nrf2激活劑——冬蟲夏草，在15天的游泳計(jì)劃中Nrf2蛋白表達(dá)和II相酶表達(dá)水平顯著高于單獨(dú)運(yùn)動(dòng)組的水平。這一領(lǐng)域值得進(jìn)一步研究。圖3顯示了來(lái)自早期研究的數(shù)據(jù)，這些研究表明，運(yùn)動(dòng)效果是如何通過同時(shí)補(bǔ)充抗氧化劑而被抑制的，以及如何通過同時(shí)使用植物營(yíng)養(yǎng)素Nrf2激活劑而得到增強(qiáng)的。
圖3 運(yùn)動(dòng)結(jié)合補(bǔ)充抗氧化劑維生素的抑制運(yùn)動(dòng)適應(yīng)，而Nrf2激活劑增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)效果。與久坐對(duì)照組小鼠相比，接受維生素C補(bǔ)充并運(yùn)動(dòng)的嚙齒動(dòng)物未能改善其疲勞時(shí)間[A]。與之相反，與靜坐對(duì)照組和非補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)組相比，在疲勞時(shí)間試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)過程中，補(bǔ)充了Nrf2激活化合物的大鼠表現(xiàn)明顯更好，表明其具有潛在的協(xié)同效應(yīng)[B]。數(shù)據(jù)源自Gomez-Cabrera等人和Kumar等人。
激活Nrf2和II相反應(yīng)的另一個(gè)可能機(jī)制是熱量限制。據(jù)我們所知，目前還沒有關(guān)于熱量限制和運(yùn)動(dòng)結(jié)合對(duì)Nrf2和下游信號(hào)傳導(dǎo)影響的隨機(jī)對(duì)照研究。
7、結(jié)論與未來(lái)方向
總之，這些數(shù)據(jù)說明運(yùn)動(dòng)通過氧化還原激活Nrf2信號(hào)產(chǎn)生了許多好處。Nrf2在包括大腦、腎臟和睪丸在內(nèi)各種組織中的激活可能是運(yùn)動(dòng)如何產(chǎn)生眾所周知的，不僅限于骨骼肌和心肌的系統(tǒng)效應(yīng)的一個(gè)重要機(jī)制。此外，還有一些新的數(shù)據(jù)表明，這些結(jié)果實(shí)際上可以轉(zhuǎn)化到人類。顯然，我們還需要更多的研究，特別是人體運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。動(dòng)物研究和人類研究幾乎都局限于雄性/男性。結(jié)果需要擴(kuò)展到雌性/女性，并解釋可能的性別差異。在增強(qiáng)對(duì)Nrf2轉(zhuǎn)錄因子在健康和疾病中重要作用的理解方面，使用Nrf2基因敲除小鼠具有極其重要的價(jià)值。Nrf2−/−表現(xiàn)出與老齡小鼠非常相似的表型，表明Nrf2-Keap1信號(hào)的中斷是生物老化的一個(gè)原因，這使得Nrf2成為一個(gè)有希望的靶點(diǎn)，特別是治療生物老化以預(yù)防年齡相關(guān)疾病中。
動(dòng)物研究的一個(gè)告誡是，通常只有兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)可用（急性運(yùn)動(dòng)前/后或運(yùn)動(dòng)干預(yù)前/后）。許多Nrf2調(diào)節(jié)基因和蛋白質(zhì)可能有不同的時(shí)間-響應(yīng)進(jìn)程，因此可能需要多個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)捕捉整體變化。這些需要在未來(lái)進(jìn)一步研究。
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