Alterations in growth and cell death by genetic deletion of the antioxidan response factor Nrf2 ist target, the quinone reductase NQ01

Abstract

To neutralize oxidative stress insults, cells have acquire complex defense mechanisms which are induced in a highly coordinated way. This coordinated response is regulated through a cis-regulatory element, called the antioxidant responsive element (ARE) or electrophile-responsive element (EpRE), located within the regulatory region of target genes (Friling, Bensimon et al. 1990, Rushmore, Morton et al. 1991). Nrf2 (Nuclear factor erythroid 2 related factor, NF-E2-related factor 2) (Moi, Chan et al. 1994) has been identified as the major regulator of ARE-mediated gene expression (Venugopal and Jaiswal 1996, Itoh, Chiba et al. 1997, Ishii, Itoh et al. 2000). Nrf2 is a Cap N’ Collar (CNC) transcription factor, which constitutes a unique subset within the bZIP (basic-leucine zipper domain) transcription factors family (Mathers, Fraser et al. 2004). Under normal conditions, Nrf2 is constantly degraded with a half-life of less than 20 minutes (Katoh, Iida et al. 2005) and thus, degradation of Nrf2 serves as a regulatory control. Nrf2 is bound to a Keap1 dimer in the cytoplasm that suppresses Nrf2-dependent transcriptional activity (Itoh, Wakabayashi et al. 1999). A two-site substrate recognition hinge-and-latch model was proposed to be the key regulatory mechanism. In this model, a Keap1 homodimer recruits Nrf2 via the evolutionarily conserved low-affinity DLG and highaffinity ETGE motifs within the regulatory Neh2 domain of Nrf2 (Tong, Katoh et al. 2006, Tong, Kobayashi et al. 2006, Tong, Padmanabhan et al. 2007). Keap1 binds to the actin cytoskeleton and traps Nrf2 in the cytoplasm preventing the Nrf2 nuclear translocation and its subsequent activity (Kang, Kobayashi et al. 2004). Besides its role in sequestering Nrf2 at the cytoplasm, Keap1 also inhibits Nrf2 function through one additional mechanism by acting as an adaptor to allow the interaction between Nrf2 and the cullin3-based E3 ubiquitin ligase complex 2. The formation of this complex triggers the ubiquitylation and the subsequent turnover of Nrf2 by the proteasome (Cullinan, Gordan et al. 2004, Kobayashi, Kang et al. 2004). Under stress conditions Nrf2 is released from Keap1. This dissociation occurs by two different mechanisms: direct attack by electrophiles or ROS, or indirect modifications such as phosphorylation. Nrf2 has been considered as a proto-oncogene (Wang, Sun et al. 2008, Suzuki, Motohashi et al. 2013) because uncontrolled activation of Nrf2 may allow the survival of potentially dangerous damaged cells leading to oncogenesis and chemoresistance. However, Nrf2 has been also recognized as a tumor suppressor gene (Martin-Montalvo, Villalba et al. 2011) and activation of Nrf2 and its downstream targets may constitute a potentially valuable...

El factor-2 relacionado con el factor nuclear E2 (Nrf2) es un factor de transcripción esencial para la regulación de muchas enzimas antioxidantes y destoxificadoras de fase II inducidas por estrés (Moi, Chan et al. 1994). Esta respuesta es muy compleja y se encuentra coordinada mediante un elemento cis llamado elemento de respuesta antioxidante (ARE) o elemento de respuesta a electrofílicos (EpRE), que se localiza en la región reguladora de los genes diana correspondientes (Friling, Bensimon et al. 1990, Rushmore, Morton et al. 1991). Nrf2 es el principal factor de transcripción capaz de aumentar la transactivación de genes que se expresan de forma regulada por la secuencia ARE (Venugopal and Jaiswal 1996, Itoh, Chiba et al. 1997, Ishii, Itoh et al. 2000). Nrf2 es un factor de transcripción que pertenece al grupo de los factores CNC (Cap N’ Collar). Éstos constituyen un subgrupo dentro de la familia de factores de transcripción que poseen una cremallera de leucina básica (bZIP) (Mathers, Fraser et al. 2004). En condiciones normales Nrf2 se está degradando de forma continua y presenta una vida media de menos de 20 minutos (Katoh, Iida et al. 2005). Por tanto, la degradación forma parte de la regulación de la actividad Nrf2. Nrf2 se encuentra unido a un dímero de Keap1 en el citoplasma que, de esta forma, reprime su actividad transcripcional (Itoh, Wakabayashi et al. 1999). La interacción entre Nrf2 y su represor Keap1 ocurre mediante un mecanismo de llamado de pestillo y bisagra (hinge-and-latch). En este modelo, se produce una doble unión mediante dos motivos, uno de alta afinidad (ETGE) y otro de baja afinidad (DLG). Ambos se encuentran en el dominio Neh2 de Nrf2 (Tong, Katoh et al. 2006, Tong, Kobayashi et al. 2006, Tong, Padmanabhan et al. 2007). Keap1 se encuentra unido a su vez al citoesqueleto de actina para retener a Nrf2 en el citoplasma y evitar que se transloque al núcleo, donde Nrf2 ejerce su acción (Kang, Kobayashi et al. 2004). Además de secuestrar Nrf2 en el citoplasma, Keap1 también se une a cullin-3 formándose el complejo 2 de ubiquitina ligasa E3. Este complejo es capaz de ubiquitinar Nrf2 y marcarlo para su degradación en el proteasoma (Cullinan, Gordan et al. 2004, Kobayashi, Kang et al. 2004). En condiciones de estrés Nrf2 es liberado de Keap1. Esta disociación es posible gracias a dos mecanismos diferentes, por modificación directa mediante ROS y sustancias electrofílicas, o por modificaciones como la fosforilación. Nrf2 es considerado un proto-oncogén (Wang, Sun et al. 2008, Suzuki, Motohashi et al. 2013) debido a que su activación crónica favorece la supervivencia de células potencialmente dañadas y promueve, por tanto, la oncogénesis así como los procesos de quimioresistencia. Sin embargo, Nrf2 es considerado también un gen supresor de tumores...