БИОХИМИЯ, 2013, том 78, вып. 1, с. 27 - 47
УДК 577.218
РЕДОКС-ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА Kеар1/Nrf2/ARE КАК ФАРМАКОЛОГИЧЕСКАЯ МИШЕНЬ
Обзор
© 2013 г. Н.К. Зенков1, Е.Б. Меньщикова1*, В.О. Ткачев12
1 Научный центр клинической и экспериментальной медицины СО РАМН,
630117Новосибирск, ул. Тимакова, 2; факс: (383)333-6456, электронная почта: lemen@soramn.ru
2 University of Michigan School of Medicine, 1301 Catherine Road, Ann Arbor,
MI 48109, USA, E-mail: vtkachev@med.umich.edu
Поступила в редакцию 04.07.12 После доработки 04.09.12
Редокс-чувствительная сигнальная система Keap1/Nrf2/ARE играет важную роль в поддержании клеточного гомеостаза при стрессовых, провоспалительных, канцерогенных, апоптоз-индуцирующих воздействиях, что позволяет рассматривать ее в качестве фармакологической мишени. В представленном обзоре рассмотрены механизмы регуляции системы Keap1/Nrf2/ARE и ключевые точки фармакологических воздействий, проведен анализ взаимодействия данной сигнальной системы с другими редокс-чувствительными факторами транскрипции, а также спектра предлагаемых на сегодняшний день препаратов. Обоснована несомненная перспективность данного направления «непрямых» антиоксидантных воздействий для профилактики и терапии широкого спектра заболеваний, связанных с развитием окислительного стресса.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Nrf2, антиоксидант-респонсивный элемент (ARE), факторы транскрипции, фармакологические препараты.
В клетках млекопитающих выявлено более 20 редокс-чувствительных факторов транскрипции, среди которых особое место занимает Nrf2 (nuclear E2-related factor 2), регулирующий экспрессию генов, содержащих в своих промоторах антиоксидант-респонсивный элемент ARE (antioxidant respons(iv)e element, 5'-A/GTGAC/ /nnnGCA/G-3'). В клетках Nrf2 находится под постоянным контролем репрессорного белка Keapl (Kelch-like ECH associating protein 1), являющегося своеобразным молекулярным «сенсором» изменения внутриклеточного гомеостаза. Неразрывная связь этих молекулярных структур позволяет объединить их в единую ре-докс-чувствительную сигнальную систему Keapl/ /Nrf2/ARE, главным назначением которой яв-
Принятые сокращения: АКМ — активированные кислородные метаболиты, ARE — антиоксидант-респон-сивный элемент, CNC — семейство cap'n'Collar, Cul3-E3-лигаза — Cullin-3-содержащий убиквитин-лигазный комплекс Е3, Keapl — Kelch-подобный ECH-ассоциированный протеин 1, МАРК — митоген-активируемые протеинкина-зы, NQO1 — NAD(P)H:хиноноксидоредуктаза 1, Nrf2 — NF-E2-связанный фактор 2.
* Адресат для корреспонденции.
ляется поддержание внутреннего гомеостаза при апоптоз-индуцирующих, канцерогенных и стрессовых воздействиях. ARE контролирует экспрессию более 100 генов, среди которых можно выделить две большие группы антиоксидантных ферментов (гемоксигеназа-1, глутати-онпероксидаза 2, глутаматцистеинлигаза, глута-тионредуктаза, тиоредоксинредуктаза и др.) и ферментов II фазы детоксикации ксенобиотиков (глутатион-8-трансферазы А, М, P, NAD(P)H: хиноноксидоредуктаза 1, NRH:хиноноксидоре-дуктаза 2, УДФ-глюкуронозилтрансферазы А и В и др.). Посредством индукции синтеза Mrp1 (multidrug resistance-associated protein-1), ключевого белка АТФ-зависимого экспорта ксенобиотиков из клеток, ARE может участвовать в развитии множественной лекарственной устойчивости, в том числе опухолей [1]. ARE-зависимая индукция транскрипции гена [2], а также снятие Keap1-опосредованной деградации [3] анти-апоптотического белка Bcl2 могут дополнительно повышать устойчивость опухолевых клеток к химиотерапии. В последние годы было показано, что Nrf2 участвует в контроле метаболизма липидов в печени и других органах и тканях [4].
Активация Nrf2 в клетках печени при действии 1,2-дитиол-3-тиона сопровождается снижением экспрессии генов, кодирующих ферменты биосинтеза и метаболизма липидов и холестерина [5], посредством регуляции экспрессии скэви-нджер-рецептора CD36 Nrf2 участвует в формировании пенистых клеток при атеросклерозе [6]. Этим определяется биологическая важность системы Keap1/Nrf2/ARE, регулирующей внутриклеточный редокс-баланс и активность целого ряда редокс-чувствительных факторов транскрипции [7, 8], а также сигнальное фосфорили-рование/дефосфорилирование [9]. Поэтому неудивителен интерес исследователей к разработке как активаторов, так и ингибиторов транскрипционной активности Nrf2 в целях профилактики и терапии широкого спектра заболеваний [10].
МЕХАНИЗМ РАБОТЫ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Kеар1/Nrf2/ARE
Активность сигнальной системы Keap1/Nrf2/ /ARE, зависящая от окислительно-восстановительного баланса в клетках, изменяется на стадиях транскрипции, трансляции, посттрансляционной модификации белков, перемещения транскрипционного фактора Nrf2 в ядро, а также его связывания с промоторами регулируемых генов (рис. 1). Подробно механизм функционирования Keap1/Nrf2/ARE сигнальной системы был рассмотрен нами ранее [11]. Поэтому кратко напомним только ключевые моменты данной регуляции, которые могут служить точками приложения лекарственных воздействий. Ввиду быстрого роста числа публикаций, в том числе и обзорных [1, 12-22], касающихся различных аспектов функционирования сигнальной системы Keap1/Nrf2/ARE, мы постарались ограничиться цитированием работ только последних лет.
Хотя в настоящее время предложено не менее 5 моделей активации системы Keap1/Nrf2/ /ARE, ключевым моментом каждой из них считается активация Nrf2 на посттрансляционном уровне, за счет изменения стабильности белка [12, 23, 24]. Действительно, Nrf2 — короткожи-вущий белок: время его существования (t1/2) в клетках гепатомы мыши Н^ра составляет 13 мин, в HepG2-клетках человека — 15 мин, в пери-тонеальных макрофагах мыши — 18,5 мин [11]. В отсутствие активаторов стабильность Nrf2 в клетках определяется Keap1-зависимым убикви-тинированием его лизиновых остатков с последующей деградацией в 268-протеасомах [13]. Keap1 функционирует как адаптерный белок, осуществляющий взаимодействие Nrf2 и Cullin-
3-содержащего убиквитин-лигазного комплекса Е3 (далее Cul3-E3-лигаза) [25]. Для нормального убиквитинирования также необходим белок Rbx1 (RING-box protein 1), который совместно с Cul3 образует каталитический компонент ферментативного комплекса и взаимодействует с E2-убиквитинлигазой для переноса убиквитина на Nrf2 [21]. Показана возможность убиквити-нирования Nrf2, не зависящая от комплекса Keap1/Cul3-E3-лигаза, после его фосфорилиро-вания киназой GSK-3 (glycogen synthase kinase 3) [26]. Взаимосвязь между активацией Nrf2 и про-теасом носит двойственный характер. С одной стороны, индукция сигнальной системы Keap1/Nrf2/ARE закономерно усиливается при ингибировании протеасом [27, 28], мутации или воздействия, приводящие к нарушению взаимодействия Keap1 с Cul3-E3-лигазой, повышают стабильность и содержание Nrf2 в клетках [12,
окислительный стресс
Рис. 1. Ключевые моменты активации Nrf2: 1 — связывание с ингибитором Keap1, 2 — убиквитинирование и про-теасомная деградация, 3 — фосфорилирование и транспорт в ядро, 4 — связывание с ARE, 5 — экспорт из ядра
25]. С другой стороны, поскольку активация системы Кеар1/№гО/АКЕ, как правило, возникает в ответ на развитие окислительного стресса, она сопряжена с повышением экспрессии различных субъединиц протеасом и протеасом-ной активности в целом, что способствует эффективному удалению окисленно модифицированных белков [29, 30]. Показана возможность миграции Кеар1 или комплекса Кеар1/Си13-Е3-лигаза/ЯЪх1 в ядро, где он может либо способствовать экспорту в цитоплазму [31], либо убиквитинировать его с последующей деградацией [1]. Экспорт комплекса Кеар1/Си13-Е3-лигаза/ЯЪх1 из ядра контролируется фосфори-лированием остатка Туг85 ингибитора Кеар1 и важен для регуляции ядерного пула №гО и, соответственно, его транскрипционной активности [32].
Ключевую роль в снятии репрессии транскрипционного фактора №гО играют процессы окислительной/электрофильной модификации сульфгидрильных групп остатков цистеина Кеар1 [11, 33]. Действительно, мышиный полипептид Кеар1 содержит 25 остатков цистеина (у человека — 27), которые и являются сенсорами для широкого спектра соединений, индуцирующих диссоциацию комплекса №гО — Кеар1 [23, 33, 34]. В большей или меньшей степени все цистеиновые остатки Кеар1 могут подвергаться окислительной модификации [11, 23]. Экспериментально установлено, что остатки цистеина в молекуле Кеар1 с неодинаковой скоростью взаимодействуют с алкилирующими агентами и прооксидантами, что обусловлено как значением р^а, зависящим от их аминокислотного окружения, так и природой индуктора [21, 33, 35]. Кроме того, поскольку физиологическая значимость разных цистеиновых остатков не одинакова, варьирование комбинации их окисления под действием разных индукторов позволяет говорить о своеобразном «цистеиновом коде», позволяющем выделить 6 основных классов индукторов [15, 33].
Критическими для формирования комплекса №гО — Кеар1 являются С273 и С288, которые, как предполагается, могут образовывать межмолекулярную дисульфидную связь в гомодимере Кеар1 [36]. Хотя замены С273 и С288 на серин или аланин не влияют на стабильность и внутриклеточное распределение Кеар1, они изменяют его константу связывания с Си13-Е3-лигазой и №г£2, в результате чего снижается деградация молекулы транскрипционного фактора [27]. Для нормального функционирования сигнальной системы Кеар1/№гО/АКЕ критически необходимым оказывается С151 в домене ВТВ репрес-сорного белка [36]. В условиях окислительного
стресса и при действии электрофилов к этому остатку ковалентно присоединяется множество различных низкомолекулярных соединений, образующих устойчивые к действию восстановителей модификации Keapl, что нарушает взаимодействие с Си13-Е3-лигазой [37], либо образуется перекрестная дисульфидная связь между двумя молекулами гомодимерного комплекса Keapl [38]. Потеря или модификация остатка С151 не сказывается на способности Кеар1 подавлять экспрессию Nrß/ARE-зависимых генов в базальных условиях, но приводит к отмене активации Nrf2, вызываемой трет-бутилгидрохи-ноном либо сульфорафаном и, кроме того, ускоряет и усиливает дегр
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.