БИОХИМИЯ, 2011, том 76, вып. 4, с. 502 - 519
УДК 577.218
МЕХАНИЗМ РАБОТЫ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Nrf2/Keap1/ARE
Обзор
© 2011 г. В.О. Ткачев12*, Е.Б. Меньщикова1, Н.К. Зенков1
1 Научный центр клинической и экспериментальной
медицины СО РАМН, 630117Новосибирск,
ул. Тимакова, 2; факс: (383)333-6456, электронная почта: tkachev_victor@mail.ru
2 НИИ клинической иммунологии СО РАМН, 630094 Новосибирск, ул. Ядринцевская, 14; факс: (383)236-0329,
электронная почта: v_kozlov@online.nsk.su
Поступила в редакцию 27.08.10 После доработки 20.09.10
Среди редокс-чувствительных факторов транскрипции особое место занимает Nrf2, регулирующий экспрессию генов, содержащих в своих промоторах антиоксидант-респонсивный элемент ARE (antioxidant respons(iv)e element). Nrf2 находится в клетках под постоянным контролем репрессорного белка Keapl, являющегося своеобразным молекулярным «сенсором» изменения внутриклеточного гомеостаза. Эти молекулярные структуры неразрывно связаны и действуют как составные части единой редокс-чувствительной сигнальной системы Nrf2/Keap1/ARE. Активность данной сигнальной системы, зависящая от окислительно-восстановительного баланса в клетках, изменяется на стадиях транскрипции, трансляции, посттрансляционной модификации белков, транслокации фактора транскрипции в ядро, а также его связывания с промоторами регулируемых генов. В настоящем обзоре изложены современные представления о механизмах индукции и инактивации Nrf2/Keap1/ARE.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: редокс-регуляция, Nrf2, Keapl, антиоксидант-респонсивный элемент (ARE).
ARE был открыт в конце 80-х годов прошлого столетия при изучении метаболизма ксенобиотиков, являющихся лигандами рецептора ароматических углеводородов (aromatic hydrocarbon receptor, AhR) и действующих через ксенобиотик-
Принятые сокращения: 15d-PGJ2 — 15-дезокси-простагландин J2; АФК — активные формы кислорода; AhR — рецептор ароматических углеводородов; ARE — антиокси-дант-респонсивный элемент; CNC — семейство Cap'n'Collar; CTR — С-концевой участок; Cul3-E3-лигаза — Cullin-3-содержащий убиквитин-лигазный комплекс Е3; GCLC — каталитическая субъединица глутаматцистеинли-газы; HO-1 — гемоксигеназа-1; IRES — внутренний участок посадки рибосом; Keap1 — Kelch-подобный ECH-ассоци-ированный протеин 1; МАРК — митоген-активируемые протеинкиназы; Neh — Nrf2-ECH гомолог; NES — сигнал ядерного экспорта; NLS — сигнал ядерной локализации; NQO1 - NAD(P)H:хиноноксидоредуктаза 1; Nrf2 - NF-E2-связанный фактор 2; NTR — ^-концевой участок, PGAM5 — фосфоглицератмутаза; tBHQ — трет-бутилгид-рохинон; TRE — 12-0-тетрадеканоилфорбол-13-ацетат-респонсивный элемент; XRE — ксенобиотик-респонсив-ный элемент.
* Адресат для корреспонденции.
респонсивный элемент (xenobiotics respons(iv)e element, XRE), часть из которых оказалась способной вызывать индукцию ферментов I и II фаз метаболизма ксенобиотиков (бифазные индукторы), либо — независимо от XRE — только ферментов второй фазы (монофазные индукторы) [1]. Последующие исследования действия на клетки электрофильных соединений позволили идентифицировать новую регуляторную структуру, которая была названа антиоксидант-респонсивным элементом (ARE), так как большая часть индуцирующих ее соединений относилась к группе фенольных антиоксидантов [2]. Были установлены принципиальные различия в строении и химических свойствах индукторов XRE и ARE: если активаторы AhR характеризуются планарной структурой, то для вторых важны окислительно-восстановительные свойства молекул [3]. В дальнейшем, действие бифазных индукторов было объяснено их способностью XRE-опосредовано запускать синтез моноокси-геназных ферментов и затем метаболизировать-
ся в клетках с образованием электрофильных соединений, активирующих ARE [1]. В настоящее время мотивы ARE выявлены в промотор-ных участках множества генов, а среди связывающих и активирующих их факторов транскрипции типа лейциновых молний показана ведущая роль Nrf2 (NF-E2-related factor 2) семейства Cap'n'Collar (CNC) [4].
ИНДУКТОРЫ Nrf2/Keap1/ARE
Среди природных и синтетических ксенобиотиков или продуктов метаболизма самого организма было обнаружено огромное количество индукторов сигнальной системы Nrf2/Keap1/ ARE, которые могут быть разделены на 10 основных категорий [5, 6]: дифенолы, фениленди-амины, хиноны; акцепторы Михаэля; изотио-цианаты, тиокарбаматы и родственные им серосодержащие соединения; 1,2-дитиол-3-тионы, оксатиоленоксиды, алк(ен)ил(поли)сульфиды; гидропероксиды; соединения трехвалентного мышьяка; ионы тяжелых металлов (Cd, Co, Cu, Au, Hg, Pb); соседние димеркаптаны; каротино-иды и их аналоги; селенсодержащие соединения (особенно диселениды и селенолы). Кроме того, способностью активировать транскрипцию ARE-регулируемых генов обладают гемовые комплексы, окисленные липопротеины; прямое действие на клетки OH', CO, NO', ONOO/ ONOOH, О3, HOCl, коротковолнового УФ-све-та, радиации, ишемии/реперфузии, гипероксии и гипоксии, сдвигового стресса [7].
Несмотря на структурные различия индукторов ARE, их обобщающими свойствами являются электрофильность (поэтому ARE часто называют электрофил-респонсивным элементом — EpRE, electrophile response element) и способность модифицировать SH-группы в белках посредством алкилирования или окисления [8]. Так, активация Nrf2 фенольными антиоксидан-тами (среди которых данной способностью обладают соединения, содержащие две ОН-груп-пы в орто- или «ара-положениях [2]) требует их предварительного превращения в соответствующие хиноны, которые, в свою очередь, окисляют или электрофильно присоединяются к сульфгидрильным группам репрессорного белка Keap1 (Kelch-like ECH associating protein 1) [9]. На основании механизма химической реакции с SH-группами цистеиновых остатков белков-мишеней Fishbein и Holland [10] предложили собственную классификацию модифицирующих агентов/индукторов Nrf2, разделив их на шесть классов: монофункциональные электрофилы, алкилирующие Keap1 по механизму нук-
леофильного замещения SN2; бифункциональные молекулы, обладающие эпоксидной группой (S^-алкилирующий агент) и Михаэль-ак-цептороной структурой; монофункциональные акцепторы Михаэля; индукторы, модифицирующие сульфгидрильные группы с образованием тиокарбаматов (изотиоцианаты); тиол-окисля-ющие соединения и вещества, содержащие химические элементы 4-го и более низких периодов. Основные представители и механизм действия различных классов индукторов Nrf2 приведены в табл. 1.
ГЕНЫ С ARE-КОНТРОЛИРУЕМОЙ ЭКСПРЕССИЕЙ
В клетках млекопитающих количество регулируемых ARE генов составляет несколько сотен. Методом олигонуклеотидного микроанализа в клетках нейробластомы человека было выявлено 63 гена (0,6% определяемых генов), экспрессия которых достоверно возрастала под действием трет--бутилгидрохинона [19]. Сравнительный анализ изменений экспрессии генов, вызванных 1,2-дитиол-3-тионом в печени мышей дикого типа, нокаутов по Nrf2 или двойных нокаутов по Nrf2 и Кеар1, позволил выявить 231 Nrf2/ARE-индуцируемый ген, а также 31 ген, транскрипция которых в условиях активации Nrf2 снижалась (1,8 и 0,25% из 12 400 проанализированных генов соответственно) [20]. Аналогичное исследование действия эффективного индуктора ARE сульфорафана в клетках тонкого кишечника мышей с генотипом NRF2+/+ и NRF2-/- позволило установить 77 регулируемых Nrf2 генов (1,3% из 6000 проанализированных генов) [21], тогда как в клетках печени это количество составляет 562 гена (11%) [22]. В разные сроки действия гипероксии (более 95% О2) были выявлены 175 генов, транскрипция которых возрастала, причем у мышей дикого типа значительно сильнее, чем у нокаутов по Nrf2, и около 100 репрессируемых генов [23]. Таким образом, редокс-чувствительная система Nrf2/ Keap1/ARE регулирует от 1 до 10% всех генов.
Nrf2/ARE-регулируемые гены кодируют ферменты, регуляторные и структурные белки, которые в соответствии с их основной функцией можно разделить на несколько групп: ферменты детоксикации и экспорта из клеток ксенобиотиков и токсичных продуктов метаболизма, а также ферменты репарации (утилизации) поврежденных макромолекул; ферменты, контролирующие редокс-состояние клеток: обладающие непосредственной антиоксидантной активностью или синтезирующие эндогенные
Таблица 1. Представители и механизм действия различных классов индукторов №12
Группа Представители Механизм действия
соединений Ксенобиотики и их метаболиты Эндогенные соединения
Дифенолы, хи-ноны и фенилен-диамины tBHQ, BHT, BHA, куркумин, ресве-ратрол, кверцетин, этоксихин, про-букол, эпигаллокатехин-3-галлат дофамин, 4-гидроксиэст-рол, 2-гидроксиэстрадиол, 4-гидроксиэстрадиол, эстрадиол-3,4-хинон образование хинонов, окисляющих или присоединяющихся к 8Н-группам белка Кеар1, увеличение внутриклеточного образования Н2О2 [9]
Акцепторы Михаэля EPA, DHA, кротоновый альдегид, метилакрилат, метилпропионат, метилвинилсульфон акролеин, 4-гидрокси-2,3-ноненаль, PGA2, 15d-PGJ2, 12-изопростан присоединение к 8Н-груп-пам белка Кеар1 [11]
Изотиоцианаты сульфорафан, 3-морфолино-пропи-лизотиоцианат — присоединение к 8Н-груп-пам белка Кеар1 [12]
1,2-дитиол-3-тионы 1,2-дитиолтион, олтипраз, 5-(пара-метоксифенил)-1,2-дитиол-3-тион — увеличение внутриклеточного образования Н2О2 [13]
Гидропероксиды трет-бутилгидропероксид, гидро-пероксид кумола, Н2О2 Н2О2, гидропероксиды липидов окисление 8Н-групп белка Кеар1 [14]
Соединения трехвалентного мышьяка As2O3, AsO-, As3+, фениларсилоксид, CH3As(OH)2 присоединение к 8Н-груп-пам белка Кеар1 [15], увеличение внутриклеточного образования Н2О2 [16]
Ионы тяжелых металлов Cd2+, Co2+, Cu2+, Au1+, Hg2+, Pb2+ — увеличение внутриклеточного образования Н2О2 [17]
Соседние димер-каптаны (±)-2,3-димеркапто-1-пропанол, 1,2-этандитиол — не установлен
Каротиноиды 3-гидрокси-ß-дамаскон, ликопин не установлен, требует предварительного окисления соединений [18]
Селенсодержащие соединения эбселен, диалкилдиселениды, селе-ниновые кислоты, фенилселенол не установлен
Примечание. tBHQ — трет-бутилгидрохинон, BHT — бутилгидрокситолуол, BHA — бутилгидроксианизол, ЕРА — эйкоза-пентаеновая кислота, DHA — докозагексаено
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.