БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 12, с. 2375–2386
УДК 576.385;577.29;616-002;575.113
Характеристика новой линии мышей с мутацией в гене NFE2L2 (NRF2)
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119234 Москва, Россия
2 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия
3 ФГАОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова Минздрава России, Российский геронтологический научно-клинический центр, 129226 Москва, Россия
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Институт функциональной геномики, 119991 Москва, Россия
5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет, 119991 Москва, Россия
6 НИУ ВШЭ, 101000 Москва, Россия
Поступила в редакцию 26.09.2023
После доработки 22.11.2023
Принята к публикации 23.11.2023
DOI: 10.31857/S0320972523120035
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: транскрипционный фактор NRF2, трансгенные животные, воспаление, окислительный стресс.
Аннотация
Транскрипционный фактор NRF2 участвует в процессах воспаления, поддержании редокс-баланса, метаболизме ксенобиотиков, а также представляет особый интерес для изучения старения. В настоящей работе с помощью технологии геномного редактирования CRISPR/Cas9 были получены мыши NRF2ΔNeh2, у которых белок NRF2 содержит замену восьми аминокислотных остатков на N‑конце, непосредственно перед функциональным доменом Neh2, который обеспечивает связывание NRF2 со своим ингибиторным регулятором KEAP1. При скрещиваниях гетерозигот NRF2wt/ΔNeh2 частота рождения гомозиготных мутантных мышей была ниже ожидаемой, что сопровождалось их повышенной эмбриональной смертностью и визуальными признаками анемии. Мышиные эмбриональные фибробласты (МЭФы) гомозигот NRF2ΔNeh2/ΔNeh2 проявляли меньшую устойчивость к окислительному стрессу по сравнению с МЭФами дикого типа. В тканях гомозиготных животных NRF2ΔNeh2/ΔNeh2 наблюдалось уменьшение относительного количества мРНК генов-мишеней NRF2: NAD(P)H:хинон оксидоредуктазы‑1 (Nqo1); альдегидоксидазы‑1 (Aox1); глутатион-S‑трансферазы A4 (Gsta4); при этом увеличивалась экспрессия генов, кодирующих моноцитарный хемоаттрактантный белок 1 (Ccl2), молекулы адгезии 1 клеток сосудов (Vcam1) и хемокина Cxcl8. Таким образом, полученная мутация в гене Nfe2l2, кодирующем NRF2, частично нарушала функции этого транскрипционного фактора, что расширяет представления о функциональной роли неструктурированного N‑конца NRF2. Полученная линия мышей NRF2ΔNeh2 может быть использована как модельный объект для изучения эмбриональной смертности, а также различных патологий, сопряжённых с окислительным стрессом и повышенным уровнем воспалительных реакций.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-64-00006.
Благодарности
Авторы выражают благодарность Ольге Юрьевне Плетюшкиной за неоценимую помощь в работе с МЭФами.
Вклад авторов
Е.С. Егоров – проведение экспериментов, написание текста; Н.Д. Кондратенко – проведение экспериментов, статистический анализ и подготовка рисунков (Е.С.Е. и Н.Д.К. внесли равнозначный вклад в работу); О.А. Аверина – работа с лабораторными животными, проведение экспериментов, обсуждение результатов исследования; О.А. Пермяков, М.А. Емельянова, А.С. Приходько – проведение экспериментов; Л.А. Зиновкина, П.В. Сергиев – проведение экспериментов, обсуждение результатов исследования; Р.А. Зиновкин – написание текста, концепция и руководство работой.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Работа с мышами была поддержана локальной комиссией по биоэтике ООО «НИИ Митоинженерии МГУ», протокол № 79 от 28 апреля 2015 г.
Список литературы
1. Kobayashi, A., Kang, M.-I., Okawa, H., Ohtsuji, M., Zenke, Y., Chiba, T., Igarashi, K., and Yamamoto, M. (2004) Oxidative stress sensor Keap1 functions as an adaptor for Cul3-based E3 ligase to regulate proteasomal degradation of Nrf2, Mol. Cell. Biol., 24, 7130-7139, doi: 10.1128/MCB.24.16.7130-7139.2004.
2. Kobayashi, A., Kang, M.-I., Watai, Y., Tong, K. I., Shibata, T., Uchida, K., and Yamamoto, M. (2006) Oxidative and electrophilic stresses activate Nrf2 through inhibition of ubiquitination activity of Keap1, Mol. Cell. Biol., 26, 221-229, doi: 10.1128/MCB.26.1.221-229.2006.
3. Motohashi, H., Katsuoka, F., Engel, J. D., and Yamamoto, M. (2004) Small Maf proteins serve as transcriptional cofactors for keratinocyte differentiation in the Keap1-Nrf2 regulatory pathway, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 6379-6384, doi: 10.1073/pnas.0305902101.
4. Tonelli, C., Chio, I. I. C., and Tuveson, D. A. (2018) Transcriptional regulation by Nrf2, Antioxid. Redox Signal., 29, 1727-1745, doi: 10.1089/ars.2017.7342.
5. Saha, S., Buttari, B., Panieri, E., Profumo, E., and Saso, L. (2020) An overview of Nrf2 signaling pathway and its role in inflammation, Molecules, 25, 5474, doi: 10.3390/molecules25225474.
6. Tong, K. I., Katoh, Y., Kusunoki, H., Itoh, K., Tanaka, T., and Yamamoto, M. (2006) Keap1 recruits Neh2 through binding to ETGE and DLG motifs: characterization of the two-site molecular recognition model, Mol. Cell. Biol., 26, 2887-2900, doi: 10.1128/MCB.26.8.2887-2900.2006.
7. Zhang, D. D., Lo, S.-C., Cross, J. V., Templeton, D. J., and Hannink, M. (2004) Keap1 is a redox-regulated substrate adaptor protein for a Cul3-dependent ubiquitin ligase complex, Mol. Cell Biol., 24, 10941-10953, doi: 10.1128/MCB.24.24.10941-10953.2004.
8. Katoh, Y., Itoh, K., Yoshida, E., Miyagishi, M., Fukamizu, A., and Yamamoto, M. (2001) Two domains of Nrf2 cooperatively bind CBP, a CREB binding protein, and synergistically activate transcription, Genes Cells, 6, 857-868, doi: 10.1046/j.1365-2443.2001.00469.x.
9. Wang, H., Liu, K., Geng, M., Gao, P., Wu, X., Hai, Y., et al. (2013) RXRα inhibits the NRF2-ARE signaling pathway through a direct interaction with the Neh7 domain of NRF2, Cancer Res., 73, 3097-3108, doi: 10.1158/0008-5472.CAN-12-3386.
10. Rada, P., Rojo, A. I., Chowdhry, S., McMahon, M., Hayes, J. D., and Cuadrado, A. (2011) SCF/β-TrCP promotes glycogen synthase kinase 3-dependent degradation of the Nrf2 transcription factor in a Keap1-independent manner, Mol. Cell. Biol., 31, 1121-1133, doi: 10.1128/MCB.01204-10.
11. McMahon, M., Thomas, N., Itoh, K., Yamamoto, M., and Hayes, J. D. (2004) Redox-regulated turnover of Nrf2 is determined by at least two separate protein domains, the redox-sensitive Neh2 degron and the redox-insensitive Neh6 degron, J. Biol. Chem., 279, 31556-31567, doi: 10.1074/jbc.M403061200.
12. Nioi, P., Nguyen, T., Sherratt, P. J., and Pickett, C. B. (2005) The carboxy-terminal Neh3 domain of Nrf2 is required for transcriptional activation, Mol. Cell. Biol., 25, 10895-10906, doi: 10.1128/MCB.25.24.10895-10906.2005.
13. Karunatilleke, N. C., Fast, C. S., Ngo, V., Brickenden, A., Duennwald, M. L., Konermann, L., et al. (2021) Nrf2, the major regulator of the cellular oxidative stress response, is partially disordered, Int. J. Mol. Sci., 22, 7434, doi: 10.3390/ijms22147434.
14. Kansanen, E., Jyrkkänen, H.-K., and Levonen, A.-L. (2012) Activation of stress signaling pathways by electrophilic oxidized and nitrated lipids, Free Radic. Biol. Med., 52, 973-982, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.11.038.
15. Reddy, N. M., Potteti, H. R., Mariani, T. J., Biswal, S., and Reddy, S. P. (2011) Conditional deletion of Nrf2 in airway epithelium exacerbates acute lung injury and impairs the resolution of inflammation, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 45, 1161-1168, doi: 10.1165/rcmb.2011-0144OC.
16. Rushworth, S. A., Shah, S., and MacEwan, D. J. (2011) TNF mediates the sustained activation of Nrf2 in human monocytes, J. Immunol., 187, 702-707, doi: 10.4049/jimmunol.1004117.
17. Lu, X.-Y., Wang, H.-D., Xu, J.-G., Ding, K., and Li, T. (2015) Deletion of Nrf2 exacerbates oxidative stress after traumatic brain injury in mice, Cell. Mol. Neurobiol., 35, 713-721, doi: 10.1007/s10571-015-0167-9.
18. Chan, K., Lu, R., Chang, J. C., and Kan, Y. W. (1996) NRF2, a member of the NFE2 family of transcription factors, is not essential for murine erythropoiesis, growth, and development, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 13943-13948, doi: 10.1073/pnas.93.24.13943.
19. Ran, F. A., Hsu, P. D., Wright, J., Agarwala, V., Scott, D. A., and Zhang, F. (2013) Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system, Nat. Protoc., 8, 2281-2308, doi: 10.1038/nprot.2013.143.
20. Cho, A., Haruyama, N., and Kulkarni, A. B. (2009) Generation of transgenic mice, Curr. Protoc. Cell Biol., 42, 19.11.1-19.11.22, doi: 10.1002/0471143030.cb1911s42.
21. Averina, O. A., Vysokikh, M. Y., Permyakov, O. A., and Sergiev, P. V. (2020) Simple recommendations for improving efficiency in generating genome-edited mice, Acta Naturae, 12, 42-50, doi: 10.32607/actanaturae.10937.
22. Bonaparte, D., Cinelli, P., Douni, E., Hérault, Y., Maas, M., Pakarinen, P., et al. (2013) FELASA guidelines for the refinement of methods for genotyping genetically-modified rodents: a report of the Federation of European Laboratory Animal Science Associations Working Group, Lab. Anim., 47, 134-145, doi: 10.1177/0023677212473918.
23. Truett, G. E., Heeger, P., Mynatt, R. L., Truett, A. A., Walker, J. A., and Warman, M. L. (2000) Preparation of PCR-quality mouse genomic DNA with hot sodium hydroxide and tris (HotSHOT), Biotechniques, 29, 52-54, doi: 10.2144/00291bm09.
24. Qiu, L.-Q., Lai, W. S., Stumpo, D. J., and Blackshear, P. J. (2016) Mouse embryonic fibroblast cell culture and stimulation, Bio Protoc., 6, e1859, doi: 10.21769/BioProtoc.1859.
25. Zinovkina, L. A., Galivondzhyan, M. K., Prikhodko, A. S., Galkin, I. I., and Zinovkin, R. A. (2020) Mitochondria-targeted triphenylphosphonium-based compounds do not affect estrogen receptor alpha, PeerJ, 8, e8803, doi: 10.7717/peerj.8803.
26. Zinovkin, R. A., Romaschenko, V. P., Galkin, I. I., Zakharova, V. V., Pletjushkina, O. Y., Chernyak, B. V., and Popova, E. N. (2014) Role of mitochondrial reactive oxygen species in age-related inflammatory activation of endothelium, Aging, 6, 661-674, doi: 10.18632/aging.100685.
27. Itoh, K., Wakabayashi, N., Katoh, Y., Ishii, T., Igarashi, K., Engel, J. D., and Yamamoto, M. (1999) Keap1 represses nuclear activation of antioxidant responsive elements by Nrf2 through binding to the amino-terminal Neh2 domain, Genes Dev., 13, 76-86, doi: 10.1101/gad.13.1.76.
28. Katoh, Y., Iida, K., Kang, M.-I., Kobayashi, A., Mizukami, M., Tong, K. I., McMahon, M., Hayes, J. D., Itoh, K., and Yamamoto, M. (2005) Evolutionary conserved N-terminal domain of Nrf2 is essential for the Keap1-mediated degradation of the protein by proteasome, Arch. Biochem. Biophys., 433, 342-350, doi: 10.1016/j.abb.2004.10.012.
29. Cho, H.-Y., Jedlicka, A. E., Reddy, S. P. M., Kensler, T. W., Yamamoto, M., Zhang, L.-Y., and Kleeberger, S. R. (2002) Role of NRF2 in protection against hyperoxic lung injury in mice, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 26, 175-182, doi: 10.1165/ajrcmb.26.2.4501.
30. Rangasamy, T., Cho, C. Y., Thimmulappa, R. K., Zhen, L., Srisuma, S. S., Kensler, T. W., Yamamoto, M., Petrache, I., Tuder, R. M., and Biswal, S. (2004) Genetic ablation of Nrf2 enhances susceptibility to cigarette smoke-induced emphysema in mice, J. Clin. Invest., 114, 1248-1259, doi: 10.1172/jci200421146.
31. Aoki, Y., Sato, H., Nishimura, N., Takahashi, S., Itoh, K., and Yamamoto, M. (2001) Accelerated DNA adduct formation in the lung of the Nrf2 knockout mouse exposed to diesel exhaust, Toxicol. Appl. Pharmacol., 173, 154-160, doi: 10.1006/taap.2001.9176.
32. Rangasamy, T., Guo, J., Mitzner, W. A., Roman, J., Singh, A., Fryer, A. D., Yamamoto, M., Kensler, T. W., Tuder, R. M., Georas, S. N., and Biswal, S. (2005) Disruption of Nrf2 enhances susceptibility to severe airway inflammation and asthma in mice, J. Exp. Med., 202, 47-59, doi: 10.1084/jem.20050538.
33. Thimmulappa, R. K., Lee, H., Rangasamy, T., Reddy, S. P., Yamamoto, M., Kensler, T. W., et al. (2016) Nrf2 is a critical regulator of the innate immune response and survival during experimental sepsis, J. Clin. Invest., 116, 984-995, doi: 10.1172/JCI25790.
34. Osburn, W. O., Wakabayashi, N., Misra, V., Nilles, T., Biswal, S., Trush, M. A., et al. (2006) Nrf2 regulates an adaptive response protecting against oxidative damage following diquat-mediated formation of superoxide anion, Arch. Biochem. Biophys., 454, 7-15, doi: 10.1016/j.abb.2006.08.005.
35. Higgins, L. G., Kelleher, M. O., Eggleston, I. M., Itoh, K., Yamamoto, M., and Hayes, J. D. (2009) Transcription factor Nrf2 mediates an adaptive response to sulforaphane that protects fibroblasts in vitro against the cytotoxic effects of electrophiles, peroxides and redox-cycling agents, Toxicol. Appl. Pharmacol., 237, 267-280, doi: 10.1016/j.taap.2009.03.005.
36. Moi, P., Chan, K., Asunis, I., Cao, A., and Kan, Y. W. (1994) Isolation of NF-E2-related factor 2 (Nrf2), a NF-E2-like basic leucine zipper transcriptional activator that binds to the tandem NF-E2/AP1 repeat of the beta-globin locus control region, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91, 9926-9930, doi: 10.1073/pnas.91.21.9926.
37. Kerins, M. J., and Ooi, A. (2018) The roles of NRF2 in modulating cellular iron homeostasis, Antioxid. Redox Signal., 29, 1756-1773, doi: 10.1089/ars.2017.7176.
38. Gebel, S., Diehl, S., Pype, J., Friedrichs, B., Weiler, H., Schüller, J., Xu, H., Taguchi, K., Yamamoto, M., and Müller, T. (2010) The transcriptome of Nrf2–/– mice provides evidence for impaired cell cycle progression in the development of cigarette smoke-induced emphysematous changes, Toxicol. Sci., 115, 238-252, doi: 10.1093/toxsci/kfq039.
39. Muramatsu, H., Katsuoka, F., Toide, K., Shimizu, Y., Furusako, S., and Yamamoto, M. (2013) Nrf2 deficiency leads to behavioral, neurochemical and transcriptional changes in mice, Genes Cells, 18, 899-908, doi: 10.1111/gtc.12083.
40. Chartoumpekis, D. V., Ziros, P. G., Zaravinos, A., Iskrenova, R. P., Psyrogiannis, A. I., Kyriazopoulou, V. E., Sykiotis, G. P., and Habeos, I. G. (2013) Hepatic gene expression profiling in Nrf2 knockout mice after long-term high-fat diet-induced obesity, Oxid. Med. Cell Longev., 2013, 340731, doi: 10.1155/2013/340731.
41. Quiles, J. M., Narasimhan, M., Shanmugam, G., Milash, B., Hoidal, J. R., and Rajasekaran, N. S. (2017) Differential regulation of miRNA and mRNA expression in the myocardium of Nrf2 knockout mice, BMC Genomics, 18, 509, doi: 10.1186/s12864-017-3875-3.
42. Ahmed, S. M. U., Luo, L., Namani, A., Wang, X. J., and Tang, X. (2017) Nrf2 signaling pathway: pivotal roles in inflammation, Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis., 1863, 585-597, doi: 10.1016/j.bbadis.2016.11.005.
43. Zinovkin, R. A., and Grebenchikov, O. A. (2020) Transcription factor Nrf2 as a potential therapeutic target for prevention of cytokine storm in COVID-19 patients, Biochemistry (Moscow), 85, 833-837, doi: 10.1134/S0006297920070111.
44. Chen, X.-L., Dodd, G., Thomas, S., Zhang, X., Wasserman, M. A., Rovin, B. H., and Kunsch, C. (2006) Activation of Nrf2/ARE pathway protects endothelial cells from oxidant injury and inhibits inflammatory gene expression, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 290, H1862-H1870, doi: 10.1152/ajpheart.00651.2005.