综述：靶向氧化性肝损伤中的Nrf2：扩展肠道菌群及其代谢物的作用

《Journal of Advanced Research》：Targeting Nrf2 in oxidative liver injury: expanding the role of gut microbiota and metabolites

　　

背景：肝脏疾病是全球范围内疾病和死亡的主要原因。氧化应激是包括酒精性肝病（ALD）、代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD）、药物性肝损伤（DILI）和肝细胞癌（HCC）在内的一系列肝脏疾病发病机制中的关键驱动因素。转录因子Nrf2是细胞抗氧化反应的主要调节因子，在调节这种损伤中发挥核心但依赖于环境的作用。此外，肠-肝轴是肝脏稳态的关键调节器。综述目的：本综述提出最新进展，以建立一个精细化的肠道菌群-Nrf2轴作为肝损伤治疗的关键机制联系。研究人员详细阐述了特定肠道来源的微生物代谢物，如短链脂肪酸（SCFAs）、色氨酸衍生物和尿石素，如何直接或间接激活肝脏Keap1/Nrf2信号通路。这种激活协调了一种细胞保护程序，增强氧化还原平衡、促进解毒、诱导选择性自噬，从而抵御氧化性肝损伤。相反，研究人员审视了Nrf2的双重作用，强调其在已建立的HCC中失调且构成性激活如何矛盾地促进肿瘤进展和铁死亡抵抗。最后，研究人员评估了利用微生物组调节策略（包括益生菌和益生元补充、粪菌移植（FMT）、饮食干预以及与Nrf2靶向药物的协同作用）靶向该轴的治疗潜力。综述的关键科学概念：本综述提供了一个整合框架，将肠道微生物生态与宿主氧化还原信号联系起来，为氧化性肝脏疾病的预防和治疗提供了新的机制见解和转化视角。

1. 引言
1.1. 氧化应激与肝损伤
氧化应激的特征是氧化剂与抗氧化剂之间的失衡，源于反应性氧化剂（如活性氧（ROS），包括O₂^•-、H₂O₂、•OH、RO₂^•、RO•、¹O₂和O₃）以及活性氮（RNS）（包括•NO、•NO₂和ONOO^-）的失控产生。生理条件下，氧化还原稳态由精密的抗氧化系统维持，包括低分子量抗氧化剂（如还原型谷胱甘肽（GSH）、维生素C和E、胆红素和尿酸盐）、非催化抗氧化蛋白（如硫氧还蛋白（Trx）、谷氧还蛋白（Grx）和金属硫蛋白（MTs））以及酶类（如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶、过氧化物氧还蛋白（Prx）和GSH过氧化物酶（GPx））。这些保护性组分的表达由关键的分子氧化还原开关调节，例如核因子E2相关因子2/kelch样ECH相关蛋白1（Nrf2/Keap1）信号通路。当这种调节平衡被破坏且抗氧化反应不足时，持续的氧化应激会触发细胞损伤、凋亡和坏死，导致包括心血管疾病、癌症、自闭症谱系障碍和肝损伤在内的多种疾病的发生。肝脏由于其在代谢和解毒中的核心作用而特别容易受到氧化损伤，这通过线粒体代谢、膜结合烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶的激活、细胞质诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和微粒体细胞色素P450（CYP450）固有地产生自由基。维持自由基产生与氧化抵抗之间的平衡对于肝细胞稳态的调节至关重要。虽然自由基的生理产生对于维持针对病原体的免疫反应和响应生长因子的细胞增殖调节不可或缺，但其过度产生可促进氧化性肝损伤。这种氧化攻击可表现为广泛的肝脏病理，从无症状肝炎到肝细胞癌。它与慢性肝病的发病机制相关，如酒精性肝病（ALD）、代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD）、肝纤维化和肝细胞癌（HCC），以及与急性肝损伤相关，包括以对乙酰氨基酚（APAP）诱导的肝损伤（AILI）为代表的药物性肝损伤（DILI）。针对这种氧化损伤的宿主防御核心是复杂的抗氧化系统，其中Nrf2信号通路作为肝脏细胞防御的主要调节机制。
1.2. Nrf2信号通路概述
转录因子Nrf2于1994年被发现，被定义为细胞保护基因的主要调节因子。在基础条件下，Nrf2被其抑制因子Keap1组成性地靶向蛋白酶体降解。氧化或亲电应激通过共价修饰Keap1中的关键半胱氨酸残基来破坏这种相互作用，使Nrf2稳定并核转位。这种经典激活可通过涉及p62、p21、二肽基肽酶III（DPP3）和X染色体上Wilms肿瘤基因（WTX）等蛋白的非经典途径得到补充，这些蛋白可通过直接与Keap1相互作用、减少Nrf2泛素化或增加其核转位和激活来破坏Nrf2-Keap1复合物。激活后，Nrf2二聚化并结合抗氧化响应元件（ARE），启动维持细胞稳态的多方面转录程序。其靶基因通过以下方式协调防御：(1)通过酶类如NAD(P)H:醌氧化还原酶-1（NQO1）、谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基（GCLC）和血红素加氧酶-1（HO-1）增强氧化还原平衡和解毒；(2)通过保护翻译机制和调节自噬来调节蛋白质稳态；(3)通过调节和重编程多种代谢途径和酶活性来维持代谢稳态。然而，Nrf2的作用不仅限于细胞保护，在疾病背景下表现出复杂性。Nrf2在癌症发生和进展中发挥双重作用。在正常生理条件下，它提供针对致癌物和氧化损伤的关键防御。然而，在已建立的癌症中，持续的Nrf2激活（通常通过Keap1突变或p62介导的自噬隔离）通过增强增殖、抑制凋亡和促进转移来驱动肿瘤进展。此外，Nrf2是铁死亡的中心抑制因子，通过调节铁代谢和GSH生物合成来保护细胞免受铁依赖性脂质过氧化。鉴于其在健康和疾病中的关键作用，靶向Nrf2通路代表了一种有前景的治疗策略。然而，对其调节的全面理解必须超越细胞层面，包括系统性影响，特别是来自肠道生态系统的影响。
1.3. 微生物群与肠-肝轴
人类肠道中数以万亿计的微生物是宿主生理的活跃贡献者，产生大量进入门脉循环并直接影响肝脏功能的代谢物。这种双向通信构成了肠-肝轴的核心。这种串扰的一个关键例子是胆汁酸代谢：肝脏产生初级胆汁酸，肠道微生物将其修饰为次级胆汁酸，然后被重吸收，影响肝脏信号传导。该轴的完整性对肝脏健康至关重要。以肠道屏障功能受损和肠道菌群失调为特征的扰动是多种肝脏疾病的标志。例如，酒精等外源性物质可直接损害肠道屏障，影响紧密连接并促进炎症，从而驱动ALD进展。不同的肝脏疾病，包括ALD、MAFLD、肝硬化和HCC，与不同的、紊乱的肠道菌群组成相关。重要的是，微生物产物如胆汁酸、短链脂肪酸（SCFAs）、脂多糖（LPS）和三甲胺现在被认为是连接肠道微生物群与肝脏病理生理学的关键介质。最近的进展表明，特定微生物代谢物可以通过调节Nrf2信号通路远程调节肝脏解毒和防御能力。这一发现弥合了微生物学和氧化还原生物学领域，提供了一种新的整合范式。它连接了特定微生物物种、其酶机制、它们产生的代谢物以及宿主中的中心抗氧化转录因子，提供了对肠道微生物群如何远程控制肝脏健康和疾病的完整理解。
1.4. 本综述的目的和范围
在本综述中，研究人员首先剖析了氧化应激和Nrf2信号通路在不同类型和阶段的肝损伤（ALD、MAFLD、DILI和HCC）中的作用，强调了关键调节因子和通路。然后研究人员提出了关于微生物调节氧化性肝损伤的新兴证据，重点关注特定微生物物种、代谢物和酶如何靶向Nrf2通路。总结了肠道微生物群通过靶向Nrf2远程影响肝脏发病机制的核心机制。最后，基于这一机制基础，研究人员讨论了针对肠道微生物群治疗肝损伤的干预措施的治疗意义，旨在为未来的研究和治疗开发提供新的见解。
2. Nrf2在氧化性肝损伤中的情境依赖性作用
Nrf2激活的功能后果并不统一，而是根据肝损伤的病因和阶段显著变化。在急性和慢性肝病如ALD、MAFLD和DILI中，Nrf2主要作为主细胞保护转录因子，协调减轻肝细胞损伤的抗氧化和解毒程序。相反，在HCC中，Nrf2表现出双重且常常矛盾的作用：虽然其瞬时激活可能抑制肿瘤起始，但构成性激活促进恶性进展、治疗抵抗和铁死亡逃逸。在本节中，研究人员剖析了Nrf2在这些不同肝脏病理中的情境依赖性作用，强调了决定其不同功能结果的关键上游调节因子和下游效应因子。
2.1. 酒精性肝病：Nrf2对抗CYP2E1驱动的氧化应激
2.1.1. 酒精性肝病与氧化应激
慢性酒精消耗通过增加ROS产生和耗尽细胞抗氧化防御来破坏肝脏氧化还原稳态，导致氧化应激和随后的肝损伤。酒精的初始代谢主要通过两种酶系统发生：醇脱氢酶（ADH）和细胞色素P450 2e1（CYP2E1）。ADH将乙醇氧化为乙醛，而CYP2E1催化相同反应但产生大量ROS作为副产物。产生的高毒性乙醛被线粒体乙醛脱氢酶2（ALDH2）解毒为乙酸。在这些途径中，CYP2E1是ALD的关键介质。慢性酒精摄入对其的上调形成了一个恶性循环，导致过量的ROS积累、氧化损伤，最终导致肝细胞死亡。这种细胞毒性中的一个关键机制是CYP2E1驱动的c-Jun N末端激酶（JNK）信号通路的过度激活，促进细胞死亡。这种致病级联可被成纤维细胞生长因子23（FGF23）等因素进一步放大，FGF23在病理条件下由肝脏产生，增强CYP2E1介导的氧化应激。相反，旨在抑制CYP2E1的治疗策略，如RNA干扰（RNAi），已证明通过减少ROS产生和氧化应激来改善ALD。与CYP2E1的有害作用相反，去乙酰化酶6（SIRT6）具有保护功能。作为NAD⁺依赖性脱乙酰酶和表观遗传调节因子，SIRT6上调参与抗氧化应激反应的基因，包括金属硫蛋白1和2（Mt1, Mt2），从而赋予针对ALD的保护。
2.1.2. Nrf2在酒精性肝病中的作用
ALD的发病和进展受到超越核心酒精代谢酶的复杂信号网络调节。虽然平滑内质网中的CYP2E1是氧化应激的主要来源，但其有害作用被调节蛋白如ERdj5（一种内质网驻留伴侣）所对抗。ERdj5的缺失通过抑制Nrf2通路加剧氧化应激。响应酒精刺激，ERdj5升高，从而增强Nrf2信号通路和GSH生物合成，以抵御酒精介导的肝毒性。除了管理氧化应激，解毒过程提供了各种治疗靶点。ALDH2是乙醛代谢中的关键酶，通过激活细胞外信号相关激酶1和2（ERK1/2）和激活蛋白1（AP-1）信号通路发挥保护作用。这种激活促进Nrf2介导的GSH生物合成并增强细胞抗氧化防御系统。选择性自噬过程在缓解ALD中发挥关键作用。伴侣介导的自噬（CMA）对于维持肝脏代谢稳态至关重要，其功能障碍导致ALD。值得注意的是，分选连接蛋白-10（SNX10）（一种参与内体-溶酶体运输的蛋白）的缺陷激活CMA并上调Nrf2和AMP激活蛋白激酶（AMPK）信号，最终减轻酒精性肝脂肪变性。类似地，线粒体自噬（选择性自噬去除受损线粒体）通过消除ROS的主要来源来保护免受ALD。AMPK通路通过激活Nrf2增强线粒体自噬并降低ALD严重程度，Nrf2促进电子传递链组分泛醇-细胞色素c还原酶核心蛋白2（UQCRC2）的转录。尽管主要起保护功能，Nrf2激活与ALD中极低密度脂蛋白受体（VLDLR）的过度表达有关。Nrf2基因沉默消除了氧化应激诱导的VLDLR上调，表明Nrf2在细胞保护和潜在不利脂质代谢适应中具有双重作用。ALD中氧化应激和Nrf2的关键要素及相互作用总结于图1。
2.2. 代谢功能障碍相关脂肪性肝病：Nrf2在抗氧化防御和脂质代谢中的作用
2.2.1. 代谢功能障碍相关脂肪性肝病与氧化应激
代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD），以前归类为非酒精性脂肪性肝病（NAFLD），包括以肝细胞中过量脂质积累为特征的一系列肝脏病理。氧化应激是MAFLD发病机制的核心驱动因素，既是异常肝脏脂质代谢的后果也是原因。最初，脂质代谢紊乱激活ROS产生器，如线粒体、内质网和NADPH氧化酶，并刺激过量的ROS产生。增加的ROS产生改变胰岛素敏感性以及参与脂质代谢的关键酶的表达和活性，导致氧化应激和脂质代谢的恶性循环。该循环的一个关键放大器是CYP2E1，它在MAFLD中被诱导，类似于ALD。CYP2E1有助于脂肪酸氧化，同时产生大量ROS，加重肝损伤。CYP2E1的稳定性由泛素特异性蛋白酶14（USP14）调节；因此，USP14抑制可作为MAFLD的潜在治疗策略。线粒体功能障碍是氧化应激与MAFLD之间的关键联系。MAFLD易感性的性别二态性（雄性小鼠表现出更大的脆弱性）与雌性小鼠优越的线粒体氧化还原缓冲能力和S-谷胱甘肽组的特定调节有关。与此一致，Glrx2基因消融增强线粒体氧化还原能力并保护雄性小鼠免受MAFLD。线粒体稳态进一步由新机制维持，如白蛋白体（albumosome），一种由相转变白蛋白形成的细胞质壳状结构，保护线粒体免受耗竭并抑制MAFLD进展。Parkin介导的线粒体自噬维持线粒体完整性和肝细胞活力，这一过程被巨噬细胞刺激蛋白1（Mst1）破坏，从而促进MAFLD。类似地，SIRT1通过重建自噬、增强线粒体功能以及抑制氧化应激和炎症来缓解MAFLD。氧化还原信号与免疫之间的相互作用在这一过程中起重要作用。MAFLD患者表现出针对氧化应激衍生表位的抗体水平升高，B2淋巴细胞激活是MAFLD发展的早期事件，通过与T细胞的相互作用促进疾病进展。
2.2.2. Nrf2在代谢功能障碍相关脂肪性肝病中的作用
在MAFLD中，高脂饮食（HFD）通过涉及自噬受损和Keap1-Nrf2信号通路失调的机制破坏肝脏脂质稳态。HFD通过AMPK和蛋白激酶B（AKT）信号激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）来抑制自噬体生物发生，同时导致自噬相关蛋白7（ATG7）水平降低。这种自噬抑制稳定Keap1，导致转录因子Nrf2降解。ATG7在此过程中的关键作用通过ATG7缺失消除HFD诱导的Nrf2下调及相关铁死亡细胞死亡加剧得到证明。相反，直接激活Nrf2可以对抗HFD介导的抑制并防止铁死亡。此外，Keap1-Nrf2轴通过减轻饱和脂肪酸的脂毒性对MAFLD发挥保护作用。这种效应由涉及p62的非经典途径介导。p62蛋白促进AMPK与unc-51样自噬激活激酶1（ULK1）之间的相互作用，促进ULK1磷酸化从而诱导自噬。随后的Keap1自噬降解稳定并激活Nrf2。除了在细胞保护中的作用外，Nrf2激活显著影响肝脏脂质积累。这部分通过上调VLDLR实现。例如，SIRT3（一种对维持氧化还原和脂质稳态至关重要的线粒体NAD⁺依赖性脱乙酰酶）的缺陷通过以Nrf2依赖性方式上调CD36和VLDLR促进肝脏甘油三酯积累。此外，HFD诱导的氨基酸失衡通过Keap1-Nrf2系统干扰VLDL组装而加剧肝脂肪变性。Nrf2的促脂肪生成功能进一步通过其在HFD诱导的MAFLD肝脏中促进过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）及其下游脂肪生成基因表达的能力得到证实。MAFLD中氧化应激和Nrf2的关键要素及相互作用总结于图2。
2.3. 药物性肝损伤：Nrf2决定易感性和恢复
2.3.1. 药物性肝损伤与氧化应激
除了慢性肝损伤，急性肝损伤，特别是以AILI和草药性肝损伤为代表的DILI，与氧化应激相关。APAP诱导的氧化应激和线粒体功能障碍在AILI发病机制中发挥关键作用。AILI与氧化应激的相互作用与肝脏中APAP代谢密切相关。治疗剂量的APAP大多通过II相结合酶（主要是UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGT）和磺基转移酶（SULT））代谢，转化为无毒化合物然后从尿中排出，只有极小部分未改变地排出。剩余的APAP（约占给药剂量5-9%）由CYPs（主要是CYP2E1）代谢为高反应性中间代谢物N-乙酰基-对苯醌亚胺（NAPQI），可通过与GSH结合而解毒。然而，APAP过量可使II相结合酶饱和并导致过量NAPQI，耗尽GSH并与线粒体蛋白中的巯基共价结合，从而导致线粒体氧化应激和功能障碍。在宏观层面，过量APAP给药导致氧化应激相关生物标志物的改变，包括总GSH以及过氧化氢酶和GPx活性的降低，以及微粒体超氧化物和过氧化氢物的增加。活体成像显示APAP过量后肝脏中央周围小叶区大量氧化应激。在微观层面，一个复杂的分子和通路网络促进AILI进展。NAPQI诱导的升高的ROS水平激活JNK信号通路，这是通过参与包括细胞分化、凋亡和应激反应在内的多种生物过程来决定生理和病理状态之间转换的关键控制点。此外，包括Nrf2、p53、脂联素和FGF21在内的信号通路被激活以应对细胞应激和损伤。因此，针对这些通路的上游调节因子或下游效应因子的方法正在开发中以减轻AILI。例如，去泛素化酶泛素特异性肽酶25（USP25）直接结合Keap1并防止其泛素化和降解，而USP25失活稳定Nrf2，使细胞更易于响应氧化应激并减轻AILI。虽然APAP的硫酸化有助于其解毒，但抑制p53硫酸化通过激活p53-p2-Nrf2轴增加肝脏抗氧化能力。类似于SIRT6在ALD和SIRT1在MAFLD中的保护作用，SIRT5已被证明通过去琥珀酰化ALDH2减轻AILI中的线粒体氧化应激。尽管对AILI机制进行了深入研究，N-乙酰半胱氨酸（一种已知的抗氧化剂）仍然是APAP过量患者的唯一治疗选择；然而，它具有不良反应和治疗窗窄等局限性。幸运的是，包括天然产物、纳米酶和纳米颗粒、微生物代谢物、激酶抑制剂和白蛋白在内的多种物质已被证明通过靶向抗氧化分子和通路来保护免受AILI。然而，其治疗潜力需要在临床研究中进一步验证。
2.3.2. Nrf2在药物性肝损伤中的作用
Nrf2信号通路以多种方式介导AILI。一项动物研究表明，Nrf2基因敲除小鼠比野生型小鼠更容易发生AILI，原因是其补充GSH储备的能力受损。APAP诱导的GSH耗竭可启动Nrf2核转位以增加抗氧化基因表达。APAP过量可诱导Nrf2与肝细胞核因子4α（HNF4α）相互作用以促进GSH补充。肝脏中B细胞白血病/淋巴瘤3（Bcl3）的缺失增强Nrf2转位并在APAP攻击时加速GSH补充。p62作为Nrf2通路的上游调节因子，广泛参与AILI发病机制。APAP处理同时显著提高p62、磷酸化p62和核Nrf2水平，表明p62-Keap1-Nrf2通路被激活。p62通过增加APAP加合物和线粒体的选择性自噬清除来抑制AILI的晚期损伤阶段，同时通过增强肝脏凝血来损害AILI的恢复阶段，发挥双重作用。转录因子EB（TFEB）是溶酶体生物发生的主转录因子，增加APAP加合物的清除、线粒体生物发生和p62依赖性非经典Nrf2激活以保护免受AILI。此外，肿瘤抑制因子p53可促进Nrf2激活并增加Nrf2靶基因的表达，包括GSTα/μ和NQO1，这有助于APAP解毒。肝细胞分泌的激素FGF21可诱导肝脏过氧化物酶体增殖物激活受体共激活蛋白-1α（PGC-1α）的表达，从而增加Nrf2的核丰度并随后上调几种抗氧化基因。如上所述，NAPQI诱导的升高的ROS水平可激活JNK。进一步研究表明，磷酸化JNK通过调节Nrf2的泛素化直接与Nrf2相互作用，从而拮抗Nrf2和ARE驱动的细胞保护基因表达。AILI中氧化应激和Nrf2的关键要素及相互作用总结于图3。
2.4. 肝细胞癌：从抑制到促进的矛盾转换
2.4.1. 肝细胞癌与氧化应激
在ALD、MAFLD和AILI中，如果没有适当干预，氧化应激可促进肝癌的发生和发展。脂肪酸流入和慢性炎症导致的ROS过度产生是HCC进展的关键事件。由硫氧还蛋白还原酶-1（TrxR1）、GSH还原酶（Gsr）和Nrf2转录因子驱动的抗氧化系统形成对抗潜在致癌氧化损伤的综合网络，并作为HCC恶性肿瘤的主要决定因素。硫氧还蛋白系统是一种普遍存在的清除ROS的哺乳动物抗氧化系统，对HCC细胞生长至关重要。通过抑制TrxR1诱导氧化应激已被发现是HCC的有效治疗方法，这表明氧化应激在癌变和恶性肿瘤发展中发挥双重作用。一方面，氧化应激促进肿瘤恶性程度，靶向参与该过程的分子是癌症治疗的公认策略。无赖氨酸激酶1（WNK1）是一种最近鉴定的抗氧化因子，与Nrf2竞争结合Keap1，从而减少Nrf2泛素化并促进其积累和核转位以增加抗氧化反应。因此，WNK1可作为HCC的潜在治疗靶点。另一方面，HO-1等抗氧化剂在肿瘤中过度表达，抑制抗氧化系统为HCC提供了潜在治疗策略。可以证实，通过抑制Nrf2激活来损害HCC细胞的抗氧化能力可使HCC细胞对氧化应激敏感，从而增强索拉非尼诱导的铁死亡。事实上，氧化应激决定抗癌药物的治疗结果，如Lu等人所建议的，他们发现HCC治疗中的索拉非尼耐药通过miR-3689a-3p抑制铜伴侣蛋白超氧化物歧化酶（CCS）/超氧化物歧化酶1型（SOD1）依赖性线粒体氧化应激来调节。促进染色质转录（FACT）复合物是一种参与DNA修复相关和转录相关染色质动力学的组蛋白伴侣，与Nrf2信号通路协同作用以促进快速抗氧化反应，从而抑制HCC生长并使HCC细胞对索拉非尼敏感，这似乎与上述观察相矛盾。肝脏中的初始氧化应激可能导致癌症进展；然而，HCC细胞中过量的ROS积累对肿瘤生长产生负面影响。因此，氧化应激的作用应在癌症进展的不同阶段分别考虑；然而，各阶段之间的界限模糊，仍有待阐明。除了对肝癌恶性程度和治疗结果的影响外，氧化应激影响HCC的肿瘤转移。E-钙粘蛋白（ECAD）的丧失在肿瘤转移中至关重要，氧化应激可诱导ECAD降解，从而在蛋白激酶A（PKA）作为必要氧化还原传感器的HCC中促进肿瘤转移。
2.4.2. Nrf2在肝细胞癌中的作用
在Nrf2激活最知名的非经典途径中，p62是一种泛素结合自噬受体和信号蛋白，在癌前肝脏疾病和大多数HCC中积累。高p62表达是激活Nrf2和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）、诱导c-Myc以及保护HCC起始细胞免受氧化应激诱导死亡所必需的。泛素蛋白连接酶E3组分N-识别蛋白7（UBR7）可通过组蛋白H2B在赖氨酸120的单泛素化（H2BK120ub）结合Keap1启动子；因此，它调节Keap1表达和下游Nrf2/BTB结构域和CNC同源物1（Bach1）/己糖激酶2（HK2）信号传导，从而抑制有氧糖酵解和HCC肿瘤发生。然而，类似于氧化应激在HCC进展中的矛盾作用，异常的Nrf2信号在包括HCC在内的多种癌症中频繁观察到，并与肿瘤发生和肿瘤进展相关。HCC诱导的线粒体转位蛋白（TSPO）与p62相互作用并干扰自噬，导致p62积累。p62积累与Keap1竞争，阻止其靶向Nrf2进行蛋白酶体降解，并抑制HCC细胞中的铁死亡。此外，TSPO通过Nrf2介导的转录上调PD-L1表达促进HCC免疫逃逸。类似地，含三方基序蛋白25（TRIM25）是HCC中由内质网应激显著诱导的基因，直接通过泛素化和降解靶向Keap1，导致Nrf2激活，从而增强抗氧化防御和细胞存活。然而，异常Nrf2激活促进癌症进展，高TRIM25表达与HCC患者较差生存相关。脂肪酸转运蛋白5（FATP5）仅在肝脏表达，参与脂肪酸转运和胆汁酸代谢。其缺陷导致肝癌细胞中4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）积累，直接修饰Keap1上的半胱氨酸残基并激活Keap1/Nrf2通路，从而增加TrxR1表达并促进HCC。Nrf2的逆向作用部分归因于其通过直接结合缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的氧依赖性降解结构域在HCC细胞中诱导假性缺氧，HIF-1α在包括HCC在内的大多数缺氧肿瘤中高表达。此外，Nrf2激活通过Nrf2/溶质载体家族7成员11（SLC7A11）/GPX4轴抑制铁死亡（一种由铁依赖性脂质过氧化触发的调节性细胞死亡形式，是HCC治疗的有前景策略），并受铁死亡调节因子组织蛋白酶S、锌指蛋白207（ZNF207）和磷脂酰肌醇4-磷酸5-激酶1α（PIP5K1A）的调控。此外，Nrf2激活与HCC治疗中的耐药性相关。Nrf2的致癌作用依赖于果糖胺-3-激酶（FN3K），一种触发蛋白脱糖基化的激酶，其缺失导致Nrf2被广泛糖化、不稳定且无法与小MAF蛋白结合和转录激活。图4通过对比正常生理中Nrf2的瞬时激活抑制HCC肿瘤发生与其在已建立的肝癌中的构成性激活促进HCC肿瘤发生，总结了HCC中氧化应激和Nrf2的关键要素及相互作用。
总之，氧化应激和Nrf2信号通路广泛参与不同类型和阶段肝损伤的发病机制。作为外源性物质，酒精、脂肪酸、APAP及其代谢物与GSH结合是宿主抵御外来损伤的反应，其耗竭导致氧化应激。在代谢背景下，CYP2E1等酶代谢这些外源性物质并产生ROS，使其成为对抗氧化性肝损伤的重要靶点。作为氧化应激的主要调节因子，Nrf2通过促进抗氧化剂表达清除过量ROS来介导氧化应激。该过程受包括USPs、SIRTs、p53、p62和JNK在内的多种元素调节，通过介导Nrf2的经典或非经典激活。通常，Nrf2表达升高以对抗氧化应激并减轻肝损伤。然而，为了正确评估Nrf2激活，有必要分离核和胞质部分以证明核Nrf2的增加。值得注意的是，氧化应激和Nrf2在HCC中的作用尚不清楚。虽然适当的Nrf2激活抑制癌症起始，但异常Nrf2信号通过抑制自噬和铁死亡并诱导HCC细胞假性缺氧促进癌症进展。
3. Nrf2与氧化性肝损伤的微生物调节：肠-肝轴作为远程调节器
尽管Nrf2调节的细胞自主特征已被广泛表征，但新兴证据强调肠道微生物群通过肠-肝轴充当肝脏Nrf2活性的关键远程调节器。虽然经典Keap1-Nrf2轴解释了急性细胞反应，但它无法解释肝脏抗氧化能力的慢性适应性设定点，而这一空白最近已被肠-肝轴填补。肠道微生物群作为关键上游调节器的崛起基于一个简单但强大的逻辑：肝脏是门脉血的主要接收者，因此其Nrf2信号持续沐浴在微生物生化信号的环境中。要理解这种调节回路，首先必须认识到肠道微生物群、其代谢物和代谢酶形成了一个功能整合的微生态系统。肠道微生物群拥有远大于宿主基因组的宏基因组，赋予巨大的代谢能力。通过特定酶，如糖苷水解酶、胆汁盐水解酶和色氨酸酶，这些微生物将饮食和内源性底物转化为广泛的生物活性代谢物，包括SCFAs、吲哚衍生物和次级胆汁酸。这些代谢物不仅作为宿主-微生物串扰中的关键信号分子，而且作为肠道屏障完整性、免疫反应和氧化还原稳态的关键调节因子。因此，微生物群的组成和功能状态直接塑造酶学景观和代谢物库，共同反映并影响宿主生理。在此框架基础上，在以下部分中，研究人员总结了关于Nrf2介导抗氧化反应的微生物调节的当前证据，重点关注肠道微生物群及其衍生代谢物影响肝脏病理生理的分子机制。
3.1. 肠道微生物群作为肝脏Nrf2的上游驱动因子
3.1.1. 鼠李糖乳杆菌（以前称为Lactobacillus rhamnosus）
鼠李糖乳杆菌GG（LGG）是L. rhamnosus的一个特定菌株，是一种对多种疾病有益益生菌。在DILI小鼠中观察到LGG相对丰度降低，LGG补充可减轻DILI，表明LGG在肝损伤发病机制中发挥重要作用。此外，LGG补充对酒精使用障碍和中度严重酒精相关性肝炎患者有益。LGG已被证明通过抑制肝脏胆汁酸合成并增强其排泄来预防肝纤维化，从而改善胆汁淤积性DILI。此外，通过在ALD小鼠模型中用LGG培养上清液预处理，LGG通过恢复肠道屏障完整性和抑制内毒素血症对肝损伤显示出保护作用。据报道，LGG与硒协同作用，通过防止过量酒精摄入引起的脂质代谢紊乱和肝脏氧化损伤来缓解ALD。此外，LGG及其上清液已被证明可激活Nrf2以发挥针对肥胖伴阻塞性睡眠呼吸暂停的心脏保护作用。LGG及其上清液在ALD中的肝保护作用由LGG衍生的外泌体样纳米颗粒介导，这些纳米颗粒富含色氨酸代谢物（芳基烃受体（AhR）激动剂），增加Nrf2表达并改善屏障功能。然而，肠道微生物群远程激活宿主肝脏抗氧化反应的机制仍有待阐明。一项结合代谢组学和转录组学的综合研究显示，LGG及其代谢物5-甲氧基吲哚乙酸（5-MIAA）激活Nrf2以保护免受ALD和AILI。5-MIAA是关键色氨酸代谢物，已被确定为LGG代谢物中激活肝脏Nrf2并促进包括NQO1、血红素加氧酶（脱环）1（HMOX1）和GCLC在内的抗氧化剂表达的有效物质，从而保护免受氧化性肝损伤。这表明LGG通过分泌进入门脉循环并作用于肝脏的代谢物来激活Nrf2。除了其肝保护作用外，5-MIAA与长寿密切相关，因为它具有延缓细胞衰老、促进寿命和减轻炎症的作用，这是通过比较百岁老人及其直系亲属、老年人和年轻人的代谢组学和微生物学特征的综合研究揭示的。除了产生色氨酸代谢物，L. rhamnosus还产生可激活Nrf2并发挥抗氧化作用的外多糖（EPSs）。已发现LGG、L. rhamnosus IR06和L. rhamnosus Ram12产生的EPSs可减轻H₂O₂诱导的氧化损伤，恢复Nrf2介导的抗氧化反应平衡，清除细胞内ROS，并保护免受D-半乳糖诱导的肝损伤，这分别归因于其抗氧化和抗炎特性。
3.1.2. 长双歧杆菌
长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）是双歧杆菌属中最丰富的物种，是健康肠道微生物群落的主要居民。已发现其可改善多种肝损伤，包括LPS诱导的急性肝损伤、D-半乳糖胺诱导的急性肝损伤、DILI、ALD、MAFLD甚至HCC。显示这种效果的双歧杆菌物种包括B. longum R0175、B. longum BL-10、B. longum LC67、B. longum TC01和B. longum DD98。B. longum的肝保护作用由其抗氧化能力介导。B. longum BL-10促进15种抗氧化基因编码蛋白，这些蛋白对1,1-二苯基-2-苦基肼（DPPH）、羟基自由基和超氧阴离子显示出强还原和清除活性。这种促进作用可能受Nrf2信号通路激活的调节；然而，这需要进一步验证。然而，已发现B. longum R0175及其肠道代谢物瑟丹内酯（sedanolide）激活Nrf2并促进其靶基因NQO1和HO1的表达以保护免受AILI。除了瑟丹内酯，B. longum可以产生色氨酸代谢物和EPSs，这些可促进Nrf2激活。吲哚-3-乳酸是B. longum subsp. infantis利用人乳中的低聚糖产生的色氨酸代谢物，可激活Nrf2保护肠道上皮细胞。类似地，来自B. longum subsp. longum YS108R上清液的EPSs通过激活Nrf2信号通路改善肠道屏障并抑制炎症和氧化应激。已发现该物种中其他激活Nrf2的成员包括B. longum GL001、B. longum JBLC-141和B. longum Z1，分别缓解肠道缺血-再灌注损伤、低压缺氧诱导的肠道屏障损伤和甲基乙二醛诱导的神经元糖毒性。这表明B. longum由于能够激活Nrf2，在调节不同类型疾病方面具有巨大潜力。
3.1.3. 毛螺菌科细菌
毛螺菌科细菌（Lachn.）统指属于毛螺菌科（Lachnospiraceae）的细菌。由于其调节多种疾病（包括结直肠癌发生、妊娠期糖尿病、动脉粥样硬化性心血管疾病、炎症性肠病、糖皮质激素相关骨坏死和肝脏疾病）的能力，它是下一代益生菌的有前景来源。Lachn.的有益作用主要由SCFA产生介导。已发现Lachn.的相对丰度在肝硬化和ALD的小鼠和患者中降低，而产丁酸细菌（包括Lachn.）的丧失是ALD的关键致病特征。粪菌移植（FMT）可通过富集Lachn.和丁酸盐改善AILI，后者是Lachn.产生的SCFAs，能够通过AMPK-ULK1-p62信号同时诱导线粒体自噬和Nrf2抗氧化反应来减轻AILI诱导的铁死亡。铁死亡与Lachn.的肝保护作用密切相关，因为它通过Foxo3-Alox15轴抑制铁死亡以减轻缺血-再灌注损伤，以及通过Keap1/Nrf2通路缓解ALD。Lachn.激活Nrf2和缓解ALD的有益作用由其代谢物N-乙酰谷氨酸介导。
3.1.4. 嗜黏蛋白阿克曼菌
嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）是另一种下一代益生菌，在ALD患者中缺乏，口服补充可减少肝损伤、脂肪变性和中性粒细胞浸润。A. muciniphila对ALD的有益作用通过增强肠道血管屏障和平衡肠道免疫稳态来介导。在MAFLD中，A. muciniphila通过调节toll样受体2（TLR2）激活的γδT17细胞并促进巨噬细胞极化来防止炎症进展。在代谢背景下，A. muciniphila通过促进腺苷钴胺素合成