Жумина А.Г., Машжан А., Погосян Г.П.

Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова

Характеристики гена Nrf2 и его белкового продукта

В процессе жизнедеятельности эукариотической клетки в цитоплазме и в ядре могут появляться активные формы кислорода и азота, способные повреждать важнейшие клеточные макромолекулы и в итоге приводить к гибели клетки. Подобное крайне неблагоприятное состояние называется окислительным стрессом. Оно может быть вызвано как проникновением в клетку извне ксенобиотиков и оксидантов, так и естественными сбоями в механизмах клеточного метаболизма. На уровне целого организма подобное состояние также вызывается действием ионизирующей радиации, облучения ультрафиолетом, в ходе фагоцитоза и воспалительных процессов [1]. Окислительный стресс является причиной целого ряда серьезных заболеваний: атеросклероз, нейродегенеративные заболевания, рак [2]. В связи с этим исследование молекулярных механизмов поведения эукариотической клетки в состоянии окислительного стресса является актуальной научной задачей.

Одним из регуляторных белков ответа клетки на окислительный стресс является транскрипционный фактор Nrf2, под контролем которого находятся все гены, кодирующие детоксифицирующие ферменты [3].

Фактор транскрипции Nrf2, кодируемый геном NFE2L2, является посредником антиоксидантного ответа клетки. Nrf2 принадлежит к семейству транскрипционных факторов с доменом CNC (cap'n'collar) и с участком так называемой основной лейциновой молнии (bzip – basic zipper).

Nrf2 состоит из шести высоко консервативных доменов, называемых Nrf2-ECH homology (Neh) доменами.

Ген Nrf2 встречается во всех клетках организма, что позволяет предположить его важные функции. Кроме Nrf2 к семейству CNC bzip транскрипционных факторов относятся белки Nrf1 и Nrf3. Они содержат высоко консервативные области, относящиеся к таким семействам, как jun и fos (подобным семейству bzip), в то время как остальные регионы существенно отличаются друг от друга.

Nrf2 экспрессируется во многих органах: больше всего в почках, мышцах, менее – в легких, сердце, печени и головном мозге. Клеточные повреждения, вызванные генерацией активных форм кислорода, считаются одной из основных причин старения. В ответ на выработку активных форм кислорода у млекопитающих синтезируется транскрипционный фактор Nrf2, индуцирующий экспрессию белков, защищающих клетку от активных форм кислорода [4].

Nrf2 может способствовать индукции дифференцировки противоположными способами в зависимости от типа клетки. Например, установлено, что Nrf2 положительно регулирует дифференцировку нейронов и адипоцитов, но ингибирует дифференцировку остеобластов и хондроцитов.

При нормальных условиях, в отсутствие стресса, Nrf2 поддерживается в цитоплазме кластером белков, которые быстро его деградируют. При влиянии окислительного стресса Nrf2 не разрушается, а вместо этого переходит в ядро, где связывается с промотором ДНК и инициирует транскрипцию генов антиоксидантных и их белков [5].

Nrf2 хранится в цитоплазме с помощью Kelch - ECH - ассоциированного белка 1 (Keap1) и Cullin 3, который деградирует Nrf2 посредством убиквитинирования. Cullin 3 убиквитинирует свой субстрат, Nrf2. Keap1 является адаптером субстрата, который помогает Cullin 3 убиквитинировать Nrf2. Kelch - ECH ассоциированный белок несет несколько реакционноспособных сульфгидридных групп и, таким образом, может функционировать в качестве сенсора для различных электрофильных агентов [6].

Ген NFE2L2 локализован на второй хромосоме. Для этого гена были найдено несколько вариантов транскриптов (ТВ), кодирующие его различные изоформы. Чаще в литературе ссылаются на такие варианты транскриптов как NM_006164.4 (ТВ 1), NM_001145412.2 (ТВ 2) и NM_001145413.2 [3].

Размер гена NFE2L2 составляет примерно 34,8 КБ. Гомолог гена NFE2L2 у мыши является само- и гетеро-индуцируемым; его промоторная область содержит две ARE/EpRE (антиоксидантного или электрофильного респонсивных элементов) последовательности между -492 п.о и -754 п.о, посредством которого он индуцируется с помощью Nrf2. Кроме того, его регуляторная область содержит три XRE (респонсивных элемента ксенобиотиков) последовательности на -712 п.о, +755 п.о и +850 п.о. ARE и XRE последовательности участвуют в индуцибельной повышающей регуляции транскрипции генов. kB2 регион для связывания NF-kB был обнаружен в области +270 п.о. провоспалительные стимулы могут вызвать транскрипцию NFE2L2 человека с помощью этого элемента. С другой стороны, пять CpG последовательностей в промоторной области NFE2L2 способствуют гиперметилированию и репрессии экспрессии генов[4, 5].

Nrf2 был впервые обнаружен при поиске транскрипционных факторов, взаимодействующих с регуляторными областями глобинового и других эритроидных генов, и назван по сходству с основным регулятором этого локуса - NF-E2 (Nrf2 - NF-E2 related factor 2).

Активация Nrf2 приводит к индукции многих цитопротекторных белков. Они включают, но не ограничиваются ими.

Литература

1. Hayes, J.D. and L.I. McLellan, Glutathione and glutathione-dependent enzymes represent a co-ordinately regulated defence against oxidative stress. Free Radic Res, 1999.31(4): p. 273-300.

2. Itoh, К., K. Igarashi, N. Hayashi, M. Nishizawa and M. Yamamoto, Cloning and characterization of a novel erythroid cell-derived CNC family transcription factor heterodimerizing with the small Maffamily proteins. Mol Cell Biol, 1995. 15(8): p. 4184-93.

3. F. L. van Muiswinkel and H. B. Kuiperij, “The Nrf2-ARE signalling pathway: promising drug target to combat oxidative stress in neurodegenerative disorders,” Current Drug Targets, vol. 4, no. 3, pp. 267–281, 2005. View at Publisher · View at Google Scholar · View at Scopus

4. A. Y. Shih, S. Imbeault, V. Barakauskas et al., “Induction of the Nrf2-driven antioxidant response confers neuroprotection during mitochondrial stress in vivo,” The Journal of Biological Chemistry, vol. 280, no. 24, pp. 22925–22936, 2005. View at Publisher · View at Google Scholar · View at Scopus

5. I.Bobilev, V.Novik, I.Levi, O.Shpilberg, J.Levy, Y.Sharoni, G.P. Studzinski, M.Danilenko. The Nrf2 transcription factor is a positive regulator of myeloid differentiation of acute myeloid leukemia cells// Cancer Biology & Therapy. – 2011. – №11. - P.317-329.

6. Hayes JD, McMahon M, Chowdhry S, Dinkova- Kostova AT. Cancer chemoprevention mechanisms mediated through the Keap1-Nrf2 pathway.// Antioxid Redox Signal. - 2010. -13ю – Р.1713-48.