= ОБЗОРЫ =
577.218:577.333:616-002
РЕДОКС-ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА Nrf2/ARE И ЕЕ РОЛЬ ПРИ ВОСПАЛЕНИИ © 2010 г. Е. Б. Меньщикова*, В. О. Ткачёв, Н. К. Зенков
Научный центр клинической и экспериментальной медицины Сибирского отделения Российской академии
медицинских наук, Новосибирск, 630117 Поступила в редакцию 14.07.2009 г. Принята к печати 17.09.2009 г.
Фактор транскрипции Nrf2 играет важную роль в защите клеток в условиях окислительного стресса, а также от воздействия апоптоз-индуцирующих и канцерогенных факторов. В обзоре рассмотрены механизмы редокс-регуляции сигнальной системы Nrf2/ARE и экспрессии генов, опосредуемой антиокси-дант-отвечающим элементом. Особое внимание уделено противовоспалительным эффектам системы Nrf2/ARE, ярко выраженным у животных с нокаутом гена Nrf2.
Ключевые слова: факторы транскрипции, Nrf2, ARE, окислительный стресс.
REDOX-DEPENDENT SIGNALING SYSTEM Nrf2/ARE IN INFLAMMATION, by E. B. Menshikova*, V. O. Tkachev, N. K. Zenkov (Center of Clinical and Experimental Medicine, Siberian Division, Russian Academy of Medical Sciences, Novosibirsk, 630117 Russia; *e-mail: lemen@soramn.ru). Transcription factor Nrf2 plays a key role in cell defense against oxidative stress, as well as in counteracting chemical and physical factors that induce apoptosis and carcinogenesis. The mechanism of Nrf2/ARE redox regulation and ARE-mediated gene expression are analyzed in the review. Special attention was paid to anti-inflammatory effects of Nrf2/ARE system, which significantly manifest in Nrf2 knockout animal.
Key words: transcription factors, Nrf2, ARE, oxidative stress.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2010, том 44, № 3, с. 389-404
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Развитие окислительного стресса, обязательное для любого воспалительного процесса, приводит к изменению окислительно-восстановительного баланса в клетках и активирует редокс-чувствительные внутриклеточные сигнальные пути [1, 2]. Среди редокс-чувствительных систем клетки особое место занимает фактор транскрипции N112, активирую-
щий экспрессию генов за счет взаимодействия с цис-регуляторным элементом ARE (antioxidant re-spons(iv)e element). Главное назначение регулятор-ной системы Nrf2/ARE состоит в поддержании внутриклеточного окислительно-восстановительного гомеостаза при апоптоз-индуцирующих, канцерогенных и стрессовых воздействиях [3]. Этим определяется биологическая значимость ARE, поскольку от него зависит работа других редокс-чув-
Принятые сокращения: ARE — антиоксидант-отвечающий элемент (antioxidant respons(iv)e element); ASK1 — регулируемая апоптотическими сигналами киназа 1 (apoptosis signal-regulating kinase 1); BTB — домен "broad complex-tramtrack-bric a brac"; bZip — домен типа основный мотив и лейциновая застежка-молния (basic region and leucine zipper); COX-2 — цикло-оксигеназа-2; CTR — C-концевой участок (C-terminal region); ERK2 — регулируемая внеклеточными сигналами киназа 2 (extracellular signal-regulated kinase 2); fNrf2 — "свободный" Nrf2; G-CSF — гранулоцитарный колониестимулирующий фактор; GCLM, GCLC —каталитическая и модулирующая субъединицы глутаматцистеинлигазы; GPx — глутатионпероксида-за; GR — глутатионредуктаза; GSK-3P — киназа гликогенсинтазы 3Р; GST — глутатион^-трансфераза; HO-1 — гемоксиге-наза 1; ICAM-1 — молекула межклеточной адгезии 1 (intercellular adhesion molecule 1); IL — интерлейкин; iNOS — индуци-бельная NO-синтаза; IVR — промежуточный домен (intervening region); JNK — N-концевая киназа c-Jun (c-Jun N-terminal protein kinase); Keap1 — ассоциированный с ECH Kelch-подобный белок 1 (Kelch-like associating protein 1); Nrf2 — фактор 2, родственный NF-E2 (NF-E2-related factor 2); kNrf2 — Nrf2, связанный с Keap1; MCP-1 — хемотактический белок 1 моноцитов (monocyte chemotactic protein-1); Maf — семейство белков вируса мышечно-апоневрозной фибросаркомы (musculoapo-neurotic fibrosarcoma virus); MEKK1 — киназа митоген-активируемой протеинкиназы/регулируемая внеклеточными сигналами киназа киназы 1 (kinase mitogen-activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase kinase 1); Neh — домены гомологии Nrf2-ECH (Nrf2-ECH homology); NES — сигнал ядерного экспорта (nuclear export signal); NF-E2 — семейство белков эритроидного ядерного фактора 2 (nuclear factor erythroid 2); NF-kB — ядерный фактор kB (nuclear factor kB); NLS — сигнал ядерной локализации (nuclear localization signal); NQO1 — NAD(P)H:хиноноксидоредуктаза 1; NTR — N-концевой участок (N-terminal region); PERK — PKR-подобная киназа, связанная с эндоплазматическим ретикулумом; PI3K — фосфа-тидилинозитол-3-киназа (phosphatidyl inositol 3-kinase); Prx1 — пероксиредоксин 1; TAK1 — активируемая трансформирующим фактором роста в киназа 1 (TGF-P-activated kinase 1); TARC — тимусактивирующий и регулирующий хемокин; TGF-Р — трансформирующий фактор роста в (transforming growth factor в); TNFa — фактор некроза опухолей a (tumor necrosis factor a); TrxR — тиоредоксинредуктаза; UGT-1A1 — UDP-глюкуронозилтрансфераза-1А1.
* Эл. почта: lemen@soramn.ru
ствительных элементов, в том числе факторов транскрипции №Б-кБ и АР-1, регулирующих течение воспалительного процесса [4—6]. К настоящему времени накопилось много убедительных данных, свидетельствующих о ключевой роли сигнальной системы №0/АЯЕ в защите клеток от активных форм кислорода и азота в условиях окислительного стресса, а также от эндогенных и экзогенных токсических соединений и канцерогенов [7—9]. В последние годы появились работы, доказывающие важное значение №0 в развитии и разрешении воспалительных процессов [6, 10—12]. При этом сигнальная система №гО/АЯЕ считается перспективной мишенью для новых средств, применяемых при различных патологических процессах, в том числе воспалительных, что и послужило главной причиной проведенного нами анализа механизмов работы и регуляции данной сигнальной системы.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АКТИВАЦИИ СИГНАЛЬНОГО ПУТИ Nrf2/ARE
Регуляторным цис-активирующим элементом ARE служит участок ДНК, содержащий последовательность 5'-A/GTGAC/TnnnGCA/G-3'. С ним связывается ядерный фактор транскрипции Nrf2, который входит в семейство NF-E2, содержащее помимо Nrf2 еще пять белков: р45, Nrfl, Nrf3, Bachl и Bach2. Считается, что поступающий в ядро после активации Nrf2 формирует димеры с белками Maf или Jun, которые, связываясь с ARE, инициируют транскрипцию соответствующих генов [13], при этом все факторы семейства NF-E2 могут образовывать функционально активные гетеродимеры, однако выключение или избыточный синтез каждого из них по-разному проявляются на уровне клетки или организма [14, 15]. Это указывает на различия в функциях белков семейства NF-E2 в регуляции внутриклеточного гомеостаза. Так же как и Nrf2, фактор Nrfl активируется при окислительном стрессе и поступает из эндоплазматического рети-кулума в клеточное ядро, где в комплексе с Maf-бел-ками связывается с ARE в промоторных областях генов [16]. Однако ряд данных свидетельствует о неодинаковом участии Nrfl и Nrf2 в регуляции экспрессии различных ARE-зависимых генов [17]. В отличие от Nrf1 и Nrf2 факторы Nrf3 и Bach1 негативно регулируют экспрессию генов пероксиредок-сина 6 (Prx6) и NAD(P)H-хиноноксидоредуктазы (Nqol) [15, 18, 19]. Следует также отметить, что нук-леотидная последовательность ARE сходна с последовательностью, узнаваемой АР-1 (5'-TGACTCA), поэтому в индукции транскрипции контролируемых ARE генов могут принимать участие такие белки семейства Jun, как c-Jun, Jun-B, Jun-D, а также c-Fos [5, 20, 21], что обусловливает возмож-
ность перекрестной регуляции генов-мишеней этими белками.
Nrf2 человека и мыши имеют практически одинаковую молекулярную массу (67.8 и 66.9 кДа соответственно), сходны по аминокислотной последовательности и длине полипептидной цепи (597 и 605 аминокислотных остатков соответственно). Они содержат шесть консервативных доменов Neh1—Neh6, каждый из которых несет определенную функциональную нагрузку (рис. 1). Nehl — это домен типа bZip, организованный по принципу лейциновой застежки и отвечающий за димериза-цию Nrf2 и связывание с ДНК. В структурах типа лейциновой застежки-молнии каждый седьмой аминокислотный остаток — лейцин. Эти остатки лейцина образуют гидрофобную область, позволяющую формировать димеры. При этом, благодаря особенностям структуры bZip-домена, Nrf2 образует только гетеродимеры, и это приводит к необходимости в дополнительных регуляторных белках (Maf- и Jun-семейств), способных связываться с Nrf2 своим собственным bZip-участком. Домен Neh2 отвечает за связывание фактора транскрипции с регуляторным белком Keapl [14], а также за убиквитин-зависимую деградацию Nrf2 [22], которая считается основным механизмом регуляции активности сигнальной системы Nrf2/ARE. Домен Neh3, расположенный в С-концевой части белка, и тандемные Neh4 и Neh5 обеспечивают трансакти-вирующее действие Nrf2 [23]. Они связываются с коактиваторами транскрипции CBP/p300 и BRG1, что приводит к ферментативному переносу ацетильных групп на аминокислотные остатки гисто-новых белков и "разрыхлению" структуры хроматина. Благодаря этому становится возможным взаимодействие РНК-полимеразного комплекса с промоторными участками ДНК, и начинается синтез мРНК генов-мишеней. Функциональная значимость домена Neh6 окончательно не установлена, хотя есть данные, указывающие на его участие в регуляции стабильности и убиквитин-зависимой деградации фактора Nrf2 [24].
В отсутствие стимулирующего воздействия Nrf2 находится преимущественно в цитоплазме в виде комплекса с регуляторной субъединицей — белком Keap1. Лишь малая часть Nrf2 постоянно присутствует в клеточном ядре, где поддерживает базаль-ный уровень экспрессии ARE-зависимых генов. Белки Keap1 мыши и человека имеют молекулярную массу 69.5 и 69.7 кДа и состоят из 624 и 625 аминокислотных остатков соответственно. Они содержат по пять консервативных доменов: N-концевой участок (NTR), домены BTB, IVR, Kelch (состоит из шести повторов Kelch-мотивов) и С-концевой фрагмент (CTR) [25]. Домен BTB осуществляет
S40
C183
C506
Neh2 1 Neh4 Neh5 Neh6 Nehl Neh3
Л 1 ff
\ ч
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.