Nuclear factor E2-related factor 2 (NRF2) plays an important role in redox metabolism and antioxidant defense. Under normal conditions, NRF2 proteins are maintained at very low levels because of their ubiquitination and proteasomal degradation via binding to the kelch-like ECH associated protein 1 (KEAP1)-E3 ubiquitin ligase complex. However, oxidative and/or electrophilic stresses disrupt the KEAP1-NRF2 interaction, which leads to the accumulation and transactivation of NRF2. During recent decades, a growing body of evidence suggests that NRF2 is frequently activated in many types of cancer by multiple mechanisms, including the genetic mutations in the KEAP1-NRF2 pathway. This suggested that NRF2 inhibition is a promising strategy for cancer therapy. Recently, several NRF2 inhibitors have been reported with anti-tumor efficacy. Here, we review the mechanisms whereby NRF2 is dysregulated in cancer and its contribution to the tumor development and radiochemoresistance. In addition, among the NRF2 inhibitors reported so far, we summarize and discuss repurposed NRF2 inhibitors with their potential mechanisms and provide new insights to develop selective NRF2 inhibitors.
Transcription factor NRF2 (NF-E2-related factor 2) is a master regulator of cellular responses against environmental stresses. NRF2 induces expression of detoxification and antioxidant enzymes and suppresses inductions of pro-inflammatory cytokine genes. KEAP1 (Kelch-like ECH-associated protein 1) is an adaptor subunit of CULLIN 3 (CUL3)-based E3 ubiquitin ligase. KEAP1 regulates the activity of NRF2 and acts as a sensor for oxidative and electrophilic stresses. NRF2 has been found to be activated in many types of cancers with poor prognosis. Therapeutic strategies to control NRF2-overeactivated cancers have been considered not only by targeting cancer cells with NRF2 inhibitors or NRF2 synthetic lethal chemicals, but also by targeting host defense with NRF2 inducers. Understanding precise molecular mechanisms how the KEAP1-NRF2 system senses and regulates the cellular response is critical to overcome intractable NRF2-activated cancers.
Kim, Bo-Sung;Shin, Minwook;Kim, Kyu-Won;Ha, Ki-Tae;Bae, Sung-Jin
BMB Reports
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v.55
no.8
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pp.407-412
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2022
A well-controlled inflammatory response is crucial for the recovery from injury and maintenance of tissue homeostasis. The anti-inflammatory response of 2-methoxycinnamaldehyde (2-MCA), a natural compound derived from cinnamon, has been studied; however, the underlying mechanism on macrophage has not been fully elucidated. In this study, LPS-stimulated production of TNF-α and NO was reduced by 2-MCA in macrophages. 2-MCA significantly activated the NRF2 pathway, and expression levels of autophagy-associated proteins in macrophages, including LC3 and P62, were enhanced via NRF2 activation regardless of LPS treatment, suggesting the occurrence of 2-MCA-mediated autophagy. Moreover, evaluation of autophagy flux using luciferase-conjugated LC3 revealed that incremental LC3 and P62 levels are coupled to enhanced autophagy flux. Finally, reduced expression levels of TNF-α and NOS2 by 2-MCA were reversed by autophagy inhibitors, such as bafilomycin A1 and NH4Cl, in LPS-stimulated macrophages. In conclusion, 2-MCA enhances autophagy flux in macrophages via NRF2 activation and consequently reduces LPS-induced inflammation.
A number of naturally-occurring or synthetic chemicals have been reported to exhibit prostate chemopreventive effects. Synthetic $5{\alpha}$-reductase (5-AR) inhibitors, e.g. finasteride and durasteride, gained special interests as possible prostate chemopreventive agents. Indeed, two large-scale epidemiological studies have demonstrated that finasteride or durasteride significantly reduced the incidence of prostate cancer formation in men. However, these studies have raised an unexpected concern; finasteride and durasteride increased the occurrence of aggressive prostate tumor formation. In the present study, we have observed that treatment of finasteride did not affect the growth of androgen-refractory PC-3 prostate cancer cells. Finasteride also failed to induce apoptosis or affect the expression of proto-oncogenes in PC-3 cells. Interestingly, we found that treatment of finasteride induced the expression of Nrf2 and HO-1 proteins in PC-3 cells. In particular, basal level of Nrf2 protein was higher in androgen-refractory prostate cancer cells, e.g. DU-145 and PC-3 cells, compared with androgen-responsive prostate cancer cells, e.g. LNCaP cells. Also, treatment of finasteride resulted in a selective induction of Nrf2 protein in DU-145 and PC-3 cells, but not in LNCaP cells. In view of the fact that upregulation of Nrf2-mediated phase II cytoprotective enzymes contribute to attenuating tumor promotion in normal cells, but, on the other hand, confers a selective advantage for cancer cells to proliferate and survive against chemical carcinogenesis and other forms of toxicity, we propose that finasteride-mediated induction of Nrf2 protein might be responsible, at least in part, for an increased risk of high-grade prostate tumor formation in men.
Orostachys japonicus shows various biological activities. However, the molecular mechanisms remain unknown in LPS-stimulated macrophages. Here, we investigated the anti-oxidizing effect of the dichloromethane (DCM) and hexane fractions from O. japonicus (OJD and OJH) against oxidative stress in RAW 264.7 cells stimulated by LPS. OJD and OJH significantly increased the expression of heme oxygenase-1 (HO-1) in a dose- and time-dependent manner. Additionally, it was found that the expression of HO-1 was stimulated by Nrf2 activated via degradation of Keap1. ERK and p38 inhibitors repressed HO-1 induced by OJD and OJH in LPS-stimulated cells, respectively. In conclusion, these results suggest that OJD and OJH may block oxidative damage stimulated by LPS, via increasing the expression of HO-1 and Nrf2, and MAPK signaling pathway.
The stems of Dendrobium moniliforme have been used in traditional herbal medicine for the treatment of fever and lack of body fluid in Korea. In this study, we investigated anti-inflammatory effects of the aqueous extract of D. moniliforme stems (DM) in response to lipoteichoic acid (LTA), a major constituent of the cell wall of Gram-positive bacteria. DM inhibited LTA-induced expression of a pro-inflammatory mediator inducible nitric oxide synthase (iNOS) in the murine macrophages. And DM induced expression of heme oxygenase-1 (HO-1) at the transcriptional level. Conversely, the knockdown of HO-1 expression by siRNA markedly reversed the inhibitory effects of DM on LTA-induced iNOS expression. We also demonstrated that nuclear translocation of Nrf2 was increased following treatment with DM. In addition, DM-mediated Nrf2 activation and HO-1 expression were suppressed by PI3K/Akt and p38 inhibitors; treatment with DM also resulted in phosphorylation of Akt and p38. These results suggest that DM inhibits the expression of iNOS in LTA-stimulated macrophages, and that these effects are mediated by the upregulation of HO-1 expression via PI3K/Akt/p38-Nrf2 signaling.
Oxidative stress and inflammation are common to many pathological conditions. Defense mechanisms protect cells from oxidative stress, but can become over-activated following injury and inflammation. NF-${\kappa}B$ and Nrf2 transcription factors regulate proinflammatory and antioxidant gene expression, respectively. Studies have shown that many natural dietary compounds regulate NF-${\kappa}B$ and Nrf2, preventing inflammation and oxidative stress. Here, we report major compounds of Prunella vulgaris var. lilacina such as rosmarinic acid, oleanolic acid, ursolic acid and caffeic acid as a potential therapeutic for oxidative stress and inflammation. The major compounds exhibited high anti-inflammatory activity, inhibiting NO, PGE2 production, NF-${\kappa}B$ expression and activating Nrf2 expression. In addition, we examined the effect of major compounds on MafK expression. Among the compounds, oleanolic acid significantly decreased MafK expression and MafK-mediated p65 acetylation. These findings suggest that oleanolic acid as NF-${\kappa}B$ inhibitors can potentially be used in therapeutic applications for the treatment of oxidative stress-induced diseases.
$I{\kappa}B$, a cytoplasmic inhibitor of nuclear factor-${\kappa}B$ ($NF-{\kappa}B$), is reportedly degraded via the proteasome. However, we recently found that long-term incubation with proteasome inhibitors (PIs) such as PS-341 or MG132 induces $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation via an alternative pathway, lysosome, which results in $NF-{\kappa}B$ activation and confers resistance to PI-induced lung cancer cell death. To enhance the anti-cancer efficacy of PIs, elucidation of the regulatory mechanism of PI-induced $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation is necessary. Here, we demonstrated that PI up-regulates nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) via both de novo protein synthesis and Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) degradation, which is responsible for $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation via macroautophagy activation. PIs increased the protein level of light chain 3B (LC3B, macroautophagy marker), but not lysosome-associated membrane protein 2a (Lamp2a, the receptor for chaperone-mediated autophagy) in NCI-H157 and A549 lung cancer cells. Pretreatment with macroautophagy inhibitor or knock-down of LC3B blocked PI-induced $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation. PIs up-regulated Nrf2 by increasing its transcription and mediating degradation of KEAP1 (cytoplasmic inhibitor of Nrf2). Overexpression of dominant-negative Nrf2, which lacks an N-terminal transactivating domain, or knock-down of Nrf2 suppressed PI-induced LC3B protein expression and subsequent $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation. Thus, blocking of the Nrf2 pathway enhanced PI-induced cell death. These findings suggest that Nrf2-driven induction of LC3B plays an essential role in PI-induced activation of the $I{\kappa}B$/$NF-{\kappa}B$ pathway, which attenuates the anti-tumor efficacy of PIs.
Many chemotherapeutic agents have been successfully used to treat hepatocellular carcinoma (HCC); however, the development of chemoresistance in liver cancer cells usually results in a relapse and worsening of prognosis. It has been demonstrated that DNA methylation and histone modification play crucial roles in chemotherapy resistance. Currently, extensive research has shown that there is another potential mechanism of gene expression control, which is mediated through the function of short noncoding RNAs, especially for microRNAs (miRNAs), but little is known about their roles in cancer cell drug resistance. In present study, by taking advantage of miRNA effects on the resistance of human hepatocellular carcinoma cells line to cisplatin, it has been demonstrated that miR-340 were significantly downregulated whereas Nrf2 was upregulated in HepG2/CDDP (cisplatin) cells, compared with parental HepG2 cells. Bioinformatics analysis and luciferase assays of Nrf2-3'-untranslated region-based reporter constructor indicated that Nrf2 was the direct target gene of miR-340, miR-340 mimics suppressing Nrf2-dependent antioxidant pathway and enhancing the sensitivity of HepG2/CDDP cells to cisplatin. Interestingly, transfection with miR-340 mimics combined with miR-340 inhibitors reactivated the Nrf2 related pathway and restored the resistance of HepG2/CDDP cells to CDDP. Collectively, the results first suggested that lower expression of miR-340 is involved in the development of CDDP resistance in hepatocellular carcinoma cell line, at least partly due to regulating Nrf2-dependent antioxidant pathway.
Jin, Chang Hyun;So, Yang Kang;Han, Sung Nim;Kim, Jin-Baek
Biomolecules & Therapeutics
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v.24
no.5
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pp.510-516
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2016
Isoegomaketone (IK) was isolated from Perilla frutescens, which has been widely used as a food in Asian cuisine, and evaluated for its biological activity. We have already confirmed that IK induced the HO-1 expression via Nrf2 activation in RAW264.7 cells. In this study, we investigated the effect of IK on the mechanism of HO-1 expression. IK upregulated HO-1 mRNA and protein expression in a dose dependent manner. The level of HO-1 mRNA peaked at 4 h after $15{\mu}M$ IK treatment. To investigate the mechanisms of HO-1 expression modulation by IK, we used pharmacological inhibitors for the protein kinase C (PKC) family, PI3K, and p38 MAPK. IK-induced HO-1 mRNA expression was only suppressed by SB203580, a specific inhibitor of p38 MAPK. ROS scavengers (N-acetyl-L-cysteine, NAC, and glutathione, GSH) also blocked the IK-induced ROS production and HO-1 expression. Furthermore, both NAC and SB203580 suppressed the IK-induced Nrf2 activation. In addition, ROS scavengers suppressed other oxidative enzymes such as catalase (CAT), glutathione S-transferase (GST), and NADH quinone oxidoreductase (NQO-1) in IK-treated RAW264.7 cells. Taken together, it can be concluded that IK induced the HO-1 expression through the ROS/p38 MAPK/Nrf2 pathway in RAW264.7 cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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