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.
Aryatara Shakya;Nicholas W. McKee;Matthew Dodson;Eli Chapman;Donna D. Zhang
Molecules and Cells
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v.46
no.3
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pp.165-175
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2023
The transcription factor Nrf2 was originally identified as a master regulator of redox homeostasis, as it governs the expression of a battery of genes involved in mitigating oxidative and electrophilic stress. However, the central role of Nrf2 in dictating multiple facets of the cellular stress response has defined the Nrf2 pathway as a general mediator of cell survival. Recent studies have indicated that Nrf2 regulates the expression of genes controlling ferroptosis, an iron-and lipid peroxidation-dependent form of cell death. While Nrf2 was initially thought to have anti-ferroptotic function primarily through regulation of the antioxidant response, accumulating evidence has indicated that Nrf2 also exerts anti-ferroptotic effects via regulation of key aspects of iron and lipid metabolism. In this review, we will explore the emerging role of Nrf2 in mediating iron homeostasis and lipid peroxidation, where several Nrf2 target genes have been identified that encode critical proteins involved in these pathways. A better understanding of the mechanistic relationship between Nrf2 and ferroptosis, including how genetic and/or pharmacological manipulation of Nrf2 affect the ferroptotic response, should facilitate the development of new therapies that can be used to treat ferroptosis-associated diseases.
NF-E2-related factor 2 (Nrf2), a basic leucine zipper transcription factor, has recently received a great deal of attention as an important molecule that enhances antioxidative defenses and induces resistance to chemotherapy or radiotherapy. In this study, we investigated the apoptosis-inducing and Nrf2- upregulating effects of quercetin on malignant mesothelioma (MM) MSTO-211H and H2452 cells. Quercetin treatment inhibited cell growth and led to upregulation of Nrf2 at both the mRNA and protein levels without altering the ubiquitination and extending the half-life of the Nrf2 protein. Following treatment with quercetin, analyses of the nuclear level of Nrf2, Nrf2 antioxidant response element-binding assay, Nrf2 promoter-luc assay, and RT-PCR toward the Nrf2-regulated gene, heme oxygenase-1, demonstrated that the induced Nrf2 is transcriptionally active. Knockdown of Nrf2 expression with siRNA enhanced cytotoxicity due to the induction of apoptosis, as evidenced by an increase in the level of proapoptotic Bax, a decrease in the level of antiapoptotic Bcl-2 with enhanced cleavage of caspase-3 and PARP proteins, the appearance of a sub-$G_0/G_1$ peak in the flow cytometric assay, and increased percentage of apoptotic propensities in the annexin V binding assay. Effective reversal of apoptosis was observed following pretreatment with the pan-caspase inhibitor Z-VAD. Moreover, Nrf2 knockdown exhibited increased sensitivity to the anticancer drug, cisplatin, presumably by potentiating the oxidative stress induced by cisplatin. Collectively, our data demonstrate the importance of Nrf2 in cytoprotection, survival, and drug resistance with implications for the potential significance of targeting Nrf2 as a promising strategy for overcoming resistance to chemotherapeutics in MM.
The antioxidant responsive element (ARE) is a cis-acting regulatory element of genes encoding phase II detoxification enzymes and antioxidant proteins, such as NAD(P)H: quinone oxidoreductase 1, glutathione S-transferases, and glutamate-cysteine ligase. Interestingly, it has been reported that Nrf2 (NF-E2-related factor 2) regulates a wide array of ARE-driven genes in various cell types. Nrf2 is a basic leucine zipper transcription factor, which was originally identified as a binding protein of locus control region of ss-globin gene. The DNA binding sequence of Nrf2 and ARE sequence are very similar, and many studies demonstrated that Nrf2 binds to the ARE sites leading to up-regulation of downstream genes. The function of Nrf2 and its downstream target genes suggests that the Nrf2-ARE pathway is important in the cellular antioxidant defense system. In support of this, many studies showed a critical role of Nrf2 in cellular protection and anti-carcinogenicity, implying that the Nrf2-ARE pathway may serve as a therapeutic target for neurodegenerative diseases and cancers, in which oxidative stress is closely implicated.
The use of doxorubicin, which is one of the most effective anticancer agents, is often limited by occurrence of acquired resistance in tumor cells. GSH has been shown to be involved in the development of this drug resistance. Transcription factor Nrf2 governs the expression of GSH synthesizing glutamylcysteine ligase (GCL), as well as multiple phase 2 detoxifying enzymes. Here we show that Nrf2 is one of factors determining doxorubicin sensitivity. Nrf2-deficient fibroblasts (murine embryonic fibroblasts, MEF) were more susceptible to doxorubicin mediated cell death than wild-type cells. Doxorubicin treatment elevated levels of Nrf2-regulated genes including NAD(P)H: quinone oxidoreductase (Nqo1) and GCL in wild-type fibroblasts, while no induction was observed in Nrf2-deficient cells. Doxorubicin resistance in human ovarian SK-OV cells was reversed by treatment with L-buthionine-sulfoxamine (BSO), which is depleting intracellular GSH. Finally, transfection of SK-OV cells with Nrf2 siRNA resulted in exacerbated cytotoxicity following doxorubicin treatment compared to scrambled RNA control. These results indicate that the Nrf2 pathway, which plays a protective role in normal cells, can be a potential target to control cancer cell resistance to anticancer agents.
Nuclear factor erythroid derived 2-related factor-2 (Nrf2) is a master transcription regulator of antioxidant and cytoprotective proteins that mediate cellular defense against oxidative and inflammatory stresses. Disruption of cellular stress response by Nrf2 deficiency causes enhanced susceptibility to infection and related inflammatory diseases as a consequence of exacerbated immune-mediated hypersensitivity and autoimmunity. The cellular defense capacity potentiated by Nrf2 activation appears to balance the population of $CD4^+$ and $CD8^+$ of lymph node cells for proper innate immune responses. Nrf2 can negatively regulate the activation of pro-inflammatory signaling molecules such as p38 MAPK, NF-${\kappa}B$, and AP-1. Nrf2 subsequently functions to inhibit the production of pro-inflammatory mediators including cytokines, chemokines, cell adhesion molecules, matrix metalloproteinases, COX-2 and iNOS. Although not clearly elucidated, the antioxidative function of genes targeted by Nrf2 may cooperatively regulate the innate immune response and also repress the expression of pro-inflammatory mediators.
Lee, Eun Kyeong;Kim, Jin-Ah;Park, Seong Joon;Kim, Jeung Ki;Heo, Kyu;Yang, Kwang Mo;Son, Tae Gen
BMB Reports
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v.46
no.5
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pp.258-263
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2013
In the current study, we explored the effect of LDR on the activation of Nrfs transcription factor involved in cellular redox events. Experiments were carried out utilizing 0.05 and 0.5 Gy X-ray irradiated normal human skin fibroblast HS27 cells. The results showed LDR induced Nrf1 and Nrf2 activation and expression of antioxidant genes HO-1, Mn-SOD, and NQO1. In particular, 0.05 Gy-irradiation increased only Nrf1 activation, but 0.5 Gy induced both Nrf1 and Nrf2 activation. LDR-mediated Nrf1/2 activation was accompanied by reactive species (RS) generation and $Ca^{2+}$ flux. This effect was abolished in the presence of N-acetyl-cysteine and BAPTA- AM. Furthermore, Nrf1/2 activation by LDR was suppressed by PD98059, an inhibitor of ERK1/2. In conclusion, LDR induces Nrf1 and Nrf2 activation and expression of Nrf-regulated antioxidant defense genes through RS and $Ca^{2+}$/ERK1/2 pathways, suggesting new insights into the molecular mechanism underlying the beneficial role of LDR in HS27 cells.
Jialin Feng;Oliver J. Read;Albena T. Dinkova-Kostova
Molecules and Cells
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v.46
no.3
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pp.142-152
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2023
Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) mediates the cellular antioxidant response, allowing adaptation and survival under conditions of oxidative, electrophilic and inflammatory stress, and has a role in metabolism, inflammation and immunity. Activation of Nrf2 provides broad and long-lasting cytoprotection, and is often hijacked by cancer cells, allowing their survival under unfavorable conditions. Moreover, Nrf2 activation in established human tumors is associated with resistance to chemo-, radio-, and immunotherapies. In addition to cancer cells, Nrf2 activation can also occur in tumor-associated macrophages (TAMs) and facilitate an anti-inflammatory, immunosuppressive tumor immune microenvironment (TIME). Several cancer cell-derived metabolites, such as itaconate, L-kynurenine, lactic acid and hyaluronic acid, play an important role in modulating the TIME and tumor-TAMs crosstalk, and have been shown to activate Nrf2. The effects of Nrf2 in TIME are context-depended, and involve multiple mechanisms, including suppression of proinflammatory cytokines, increased expression of programmed cell death ligand 1 (PD-L1), macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) and kynureninase, accelerated catabolism of cytotoxic labile heme, and facilitating the metabolic adaptation of TAMs. This understanding presents both challenges and opportunities for strategic targeting of Nrf2 in cancer.
Transcription factors Nrf2 and NF-${\kappa}B$ are important regulators of the innate immune response, and their cross-talks in inflammation have been reported. Previously, we demonstrated that gold(I)-compound auranofin, an inhibitor of NF-${\kappa}B$ signal, induced Nrf2 activation in human synovial cells and monocytic cells. To investigate whether the Nrf2 activation is involved in the mechanism of the auranofin-attenuated NF-${\kappa}B$ signaling, we examined the effects of Nrf2 knockdown on NF-${\kappa}B$ activation using rheumatic synovial cells. When the cells were transfected with a specific siRNA for Nrf2, the gene expression was perfectly blocked. However, the Nrf2 knockdown did not cancel the suppressive effect of auranofin on TNF-$\alpha$-induced $I{\kappa}B-{\alpha}$ degradation. Treatment with a specific siRNA for HO-1, which is a target of Nrf2 and plays a role in anti-inflammation, also did not affect the blocking activity of auranofin on $I{\kappa}B-{\alpha}$ degradation. In addition, auranofin-inhibited ICAM-1 expression was not restored by Nrf2 knockdown. These findings indicate that the activated Nrf2 and HO-1 are not associated with the suppressive action of auranofin on the pro-inflammatory cytokines-stimulated NF-${\kappa}B$ activation. This suggests that Nrf2/HO-1 and NF-${\kappa}B$ signals, which are regulated by auranofin, participate in the anti-inflammatory action of auranofin via independent pathways in rheumatic synovial cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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