Клетки обладают индуцибельными защитными механизмами, которые защищают их от оксидантов и др. эндогенных и экзогенных воздействию Одним из ключевых регуляторных свойств этой индуцибельной защиты является активация пути nuclear factor erythroid 2 related factor 2 (Nrf2), названному по Nrf2 транскрипционному фактору Nrf2 [1]. Nrf2, член семейства белков cap 'n' collar [2], является главным транскрипционным фактором, контролирующим экспрессию широкого разнообразия генов, участвующих в защите клеток, которые приводят к продукции антиоксидантов, детоксификации и метаболическому контролю энзимов [3-9].

Некоторые механизмы работают вместе, чтобы регулировать активность Nrf2 [10, 11], тщательно рассмотрены Hayes and Dinkova-Kostova [6]. Активация с помощью Nrf2 транскрипции генов мишеней использует несколько клеточных компонентов, включая Nrf2 белок, Kelch-like ECH-associated protein 1 (Keap1) и последовательность ДНК antioxidant response element (ARE) в регуляторных регионах разных генов [6, 11-13], как показано на Fig. 1.

Figure 1. Schematic representation of nuclear factor erythroid 2-related factor 2/Kelch-like ECH-associated inhibitor 1 (Nrf2/Keap1) signaling pathway. Several mechanisms participate in the regulation of Nrf2 activity. Broadly, these include: (a) controlling the proteasomal degradation of cytosolic Nrf2 protein, (b) regulating Nrf2 gene expression, and (c) regulating Keap1 expression and its interaction with proteins competing with Nrf2 for binding. Under normal conditions, Keap1 binds Nrf2 in the cytoplasm and promotes its Cul3-containing ubiquitin E3 ligase ubiquitination, targeting it for proteasomal degradation and controlling it from increasing gene expression. When Nrf2 is stabilized through Nrf2 activators (including some oxidants, xenobiotics, electrophiles, phytochemicals, or other agents) that can interact with Keap1 cysteine thiols or increase kinase-dependent mechanisms, degradation of Nrf2 decreases and increased amounts of Nrf2 can accumulate in the nucleus, form heterodimers with small Maf proteins, bind with the Antioxidant Response Element (ARE) in the promoter regions of some cell-protective genes, and increase the transcription of Nrf2-dependent genes.

Regulation of Nrf2/ARE signaling

Регуляция активности Nrf2 стала предметом тщательных исследований, при этом ключевыми механистическими событиями оказались накопление в ядре Nrf2, и транскрипция гена [5, 6, 14-17]. Благодаря этим исследованиям регуляция Nrf2, как было установлено, сопровождается разными механизмами, включая транскрипцию гена Nrf2 [12, 13, 18], пост-трансляционный контроль передачи сигналов Nrf2, путем направления белка Nrf2 на деградацию с помощью протеосом путем его связывания с помощью Keap1 [14, 19], пост-трансляционного контроля активации Nrf2 посредством др. белков помимо Keap1, которые взаимодействуют с и репрессируют Nrf2, такие как glycogen synthase kinase-3 (GSK-3) и β-transducin repeat-containing protein (β-TrCP) [20, 21], и посредством белков, которые соединяются с и стабилизируют Nrf2, усиливая Nrf2-зависимую передачу сигналов, такие как DJ-1, BRCA1 и p21(Cip1/WAF1) [11, 22-26], а соединение конкурентных белков с Keap1 позволяет усиливать активность Nrf2 [27, 28].

При базовых условиях Keap1 связывает Nrf2 в цитоплазме и способствует его убиквитинированию с помощью, Cul3-содержащей ubiquitin E3 лигазы, которая отправляет Nrf2 на деградацию в протеосомы и предупреждает его от индукции ARE-зависимой экспрессии генов. Если Nrf2 стабилизирован с помощью Nrf2 активаторов (включая некоторые оксиданты, ксенобиотики, электрофилы, фитохимикалии или др. агенты), то он может взаимодействовать с Keap1 cysteine thiols или усиливать зависимые от киназ механизмы [11], увеличенные количества Nrf2 могут накапливаться в ядре, образуя гетеродимеры с малыми Maf белками, соединяясь с ARE в промоторных регионов некоторых генов, защищающих клетки, и увеличивая транскрипцию Nrf2-зависимых генов [6, 29]. Транскрипция Nrf2 может быть увеличена с помощью способствующих воспалению медиаторов посредством сайта связывания Nf-κ B в гене Nrf2 [30], и имеются обширные доказательства взаимодействия между Keap1-Nrf2-ARE и IKKκ -Nf-κ B путями [28, 31], это обычно указывает на то, что Nrf2 оказывает противоположный эффект на путь Nf-? κB [32].

Nrf2 and oxidative stress

Воздействие на клетки оксидативного стресса или электрофильных химических соединений может модифицировать критические сульфгидрильные группы в Keap1, изменяя его конформацию и его связывание Nrf2, это позволяет Nrf2 избежать Keap1-зависимой деградации с помощью протеосом и делает возможным достижение более высоких уровней Nrf2, чтобы транслоцироваться в ядро и активировать ARE-зависимую экспрессию генов. Имеется широкое разнообразие ARE-зависимых генов, включая те, что кодируют некоторые антиоксиданты, детоксификацию и NADPH энзимы [33]. Т.о., воздействие оксидативного стресса индуцирует Nrf2-зависимую реакцию защиты клеток, включая повышенные уровни антиоксидантных ферментов. Очевидно, такого типа Nrf2-зависимая активация генов, защищающих клетки, усиливает защиту против различных оксидативных стрессов [34-37]. Поскольку столь многие болезни имеют оксидативный стрессовый компонент, то роль пути передачи сигналов Nrf2 привела к обширным клиническим и лабораторным исследованиям. Некоторые примеры болезней (Table 1) включают нейродегенеративные состояния, такие как болезни Паркинсона и Гентингтона [38-42], амиотрофический боковой склероз [43], множественный склероз [44, 45], рак [11, 46], диабет [47], сердечные болезни [48], почечные болезни [49, 50], лёгочные нарушения [36, 51-55], печеночные болезни [56, 57] и вирусные инфекции [58, 59].

Table 1. Activation of the Nrf2 pathway has been linked to both beneficial and deleterious effects in a variety of health disorders

Disorders with findings that suggest a protective role for Nrf2 activation | Disorders with findings that suggest a deleterious role for Nrf2 activation

1.        Nrf2, nuclear factor erythroid 2-related factor 2.  

Cancer [11, 46, 109]         |  Cancer [63, 67, 109]   


Heart disease [48, 72]        | Heart disease [70]   


Liver disease [56, 57]           |   Liver disease [110, 111] 


Viruses [59, 112, 113]       |  Viruses [58]    


Lung disorders [36, 51-55]        | Atherosclerosis [114]   


Parkinson's disease [38-40]  


Huntington's disease [41, 42] 


Amyotrophic lateral sclerosis [43] 


Multiple sclerosis [44, 45] 


Diabetes [47] 


Kidney diseases [49, 50]

Nrf2 and reductive stress

Сохраняющаяся избыточная активация Nrf2, такая как с помощью нокаута Keap1, была ассоциирована в лабораторных исследованиях с различными вредными для здоровья эффектами, включая рак, резистентность к лекарствам и атеросклероз [7, 11, 60] (Table 1). Могут существовать ключевые отличия между конститутивной и временной активацией Nrf2 [6]. При исследования рака было установлено, что активация Nrf2 может играть благоприятную, хемопревентивную роль [61-64], но также играть и вредную, поддерживающую пролиферацию роль в некоторых типах раковых опухолей [65, 66], и могут усиливать резистентность к лекарствам в раковых клетках [67-69]. Роль устойчивой активации Nrf2 при болезнях сердца пока неясна и имеются некоторые противоречивые сообщения. На мышиной модели кардиомиопатия из-за агрегации белка базируется на трансгенной экспрессии мутантного α β -crystallin, Rajasekaran et al. установили, что эти трансгенные мыши обнаруживают секвестрацию Keap1 в белковых агрегатах и отмечается ассоциация между повышенной активацией Nrf2, редуктивными стрессами и кардиомиопатией [70]. В последующей работе Kannan et al. установили, что наложение Nrf2-дефицита на таких экспрессирующих мутантный α β -crystallin мышей с использованием nrf2 ^+/- мышей приводит к тому, что соотв. дефицит Nrf2 снижает reductive стресс, снижает агрегацию мутантных белков и кардиальную гипертрофию у трансгенных мышей [71]. С др. стороны, Wang et al. установили, что устойчивая активация Nrf2 в сердце не оказывает вреда и фактически вызывает благоприятные эффекты против кардиомиопатии, связанной с агрегацией белков [72]. Используя мышиную модель со специфичной для кардиомиоцитов трансгенной активацией Nrf2, они сообщили о снижении миокардиального оксидативного стресса и снижении апоптоза, фиброза, гипертрофии и дисфункции сердца мышей, подвергшихся воздействию, чтобы смоделировать устойчивое повышенное давление крови и подтвердили механизм, базирующийся на усилении очистки убиквитинированных белковых агрегатов с помощью аутофагии кардиомиоцитов [72]. Т.о., устойчивая активация Nrf2 может играть благоприятную роль в сердце вместо того, чтобы вызывать вредный reductive стресс. Далее Bogaard et al. сообщили, что временная активация Nrf2 предупреждает фиброз и потерю капилляров и сохраняет миокардиальную функцию у модельных мышей с повышенным давлением в правом желудочке [73].

Nrf2 and circadian rhythms

У человека и др. млекопитающих циркадные биологические осцилляции - с периодом приблизительно в 24 ч - влияют на разнообразные поведенческие и физиологические процессы относительно сна, метаболизма, иммунной функции и т.д. [74-78]. Недавно было установлено, что redox-зависимые процессы участвуют в циркадных ритмах, а также в генетическом удерживании во времени временных (clock) процессов [75, 76, 78, 79], это подтверждает возможное участие пути Nrf2 в реакции на redox статус клеток [74, 77, 80-82].

Xu et al. обнаружили суточные вариации в уровнях экспрессии Nrf2 и антиоксидантных генов в печени мышей, содержащихся в контролируемых условиях светового цикла день/ночь, подтвердив, что реакции на оксидативные стрессы могут быть разными в разное время суток [83], и фактически они установили, что токсичность acetaminophen у мышей выше, если он дается в послеобеденное время, если измерять по уровням в печени glutathione, которые были наинизшими [83]. В недавней работе Pekovik-Vaughan et al. установили у мышей, что циркадный ритм активации Nrf2, поступления в ядро и связывание регионов промоторов генов соответствует осцилляциям в экспрессии ARE-регулируемых генов, имеющих отношение к синтезу и утилизации глютатиона [74]. Они также установили соответствие зависимости от времени суток bleomycin-вызываемой индукции Nrf2-зависимых генов. Более того, они нашли, что воздействие на мышей молекулой, активирующей Nrf2, sulforaphane увеличивает уровни белка Nrf2 в то время суток, когда они помимо прочего находятся в своей самой низком состоянии и снижают bleomycin-вызванный фиброз [74]. Благодаря гормону melatonin, который варьирует в ходе суточного цикла и контролирует разные циркадные ритмы у человека [84], как было установлено, усиливает активацию Nrf2 [82, 85-89], возможно из-за того, что суточные вариации, описанные выше, связаны с или обеспечиваются с помощью высвобождения мелатонина шишковидной железой. Более того, предыдущая работа Luchetti et al. подтвердила роль пути Nrf2 в защитных клеточных эффектах мелатонина [81].

Некоторые последствия этих находок всё ещё устанавливаются, но кажется вполне возможны, что естественные циркадные вариации активности Nrf2 могут влиять на использование лекарств или др. агентов, предназначенных, чтобы активировать или ингибировать путь Nrf2 для терапевтической пользы. Напр., Nrf2-активирующие агенты д. применяться в соответствии с и поддерживать суточную наиболее высокую функцию Nrf2, или совпадать с и вообще противодействовать[74], наинизшей суточной функции Nrf2?

Nrf2 activators

Благодаря защитной роли, которую играет активация Nrf2 против оксидативных стрессов и воспаления - которые участвуют механистически в широком круге дегенеративных и иммунологических болезней - имеется огромный интерес к поиску агентов, которые активируют сигнальный путь Nrf2/Keap1/ARE [48, 60, 90-94]. , один агент, известный как активатор Nrf2, dimethyl fumarate (известен как BG-12 и как Tecfidera®, from Biogen Idec, Inc., Cambridge, MA, USA), уже получил от US Food and Drug Administration (FDA) разрешение на лечение relapsing-remitting множественного склероза [44, 45, 95, 96]. Ожидается, что поиск новых модуляторов активации Nrf2 приведет к дополнительным новым лекарственным кандидатам с подходящими безопасными профилями, такими как у dimethyl fumarate [60, 97-99].

Nrf2 inhibitors

Поскольку некоторые болезненные состояния, особенно рак, ассоциированы с избыточной активностью Nrf2 и избыточно экспрессирующиеся Nrf2-зависимые гены также интересны для развития и тестирования ингибиторов пути Nrf2 [46]. Brusatol, как было установлено, избирательно ингибирует путь Nrf2 за счет увеличения протеосомной деградации Nrf2, и, как было установлено, на культивируемых раковых клетках и xenograft моделях, снижает резистентность опухолевых клеток к химиотерапевтическим лекарствам [100]. Trigonelline (растительный алкалоид, найденный в семенах кофе и fenugreek (пажитника)), как было установлено, ингибирует активацию Nrf2 и улучшает противоопухолевую реакцию на etoposide в модельных мышиных xenograft с панкреатическими раковыми клетками человека [101, 102]. All-trans ретиноевая кислота, как было установлено, ингибирует Nrf2-обеспечиваемую индукцию ARE-управляемых генов путем связывания retinoid X receptor alpha с Nrf2 [103, 104]. И luteolin, растительный флавоноид, как было показано в нескольких исследованиях является ингибитором Nrf2 и обнаруживает снижение резистентности к лекарствам раковых клеток и ингибирует рост лёгочных раковых ксенотрансплантатов у мышей [105-108].

Conclusions and future directions

Tremendous progress has been made in the last two decades on understanding the mechanisms and ramifications of the Nrf2/Keap1/ARE cell signaling pathway. Many research questions still require further attention including questions about the physiological differences between constitutive Nrf2 activation and transient, intermittent Nrf2 activation, questions about the processes utilized to turn Nrf2 signaling back down following its transient activation and whether the mechanisms for this vary depending on the mode of activation, questions about accessible plasma biomarkers that are suitable for assessing Nrf2 activation levels in human subjects, and whether they be used to guide the application of Nrf2 modulating agents, and many more. Laboratory investigations around the world are continuing to generate new information on this topic, including the development of new modulating agents for both activation and inhibition of the Nrf2 pathway. With the recent advent of dimethyl fumarate-based therapy for multiple sclerosis treatment, it is expected that more Nrf2 modulating drugs will be forthcoming, along with increased understanding of the short and long term health effects of Nrf2 pathway activation and inhibition.

Role of the Nrf2 signaling system in health and disease B. M. Hybertson* and B. Gao Clinical Genetics Special Issue: Genetics and Translational Medicine Volume 86, Issue 5, pages 447–452, November 2014

Role of the Nrf2 signaling system in health and disease
**B. M. Hybertson* and B. Gao**
Clinical Genetics Special Issue: Genetics and Translational Medicine Volume 86, Issue 5, pages 447–452, November 2014