• BioNyt – Videnskabens Verden om Nrf2

• Nrf2 – en reguleringsfaktor, der kræves til livprocesser

• Nrf2 og dets bindingspartner Keap1 er nødvendige for at cellen kan tilpasse sig ændringer i cellen og det omgivende miljø

• Fytokemikalier udøver via Nrf2 relativ mild stress på cellen og medvirker dermed til, at cellen oprustes til større stresspåvirkninger

• Forhøjet koncentration af Nrf2 kan uheldigvis fremme væksten af kræftceller

• En af de vigtigste livsfunktioner er evnen til at kunne klare oxidativt stress. Selv den enkleste organisme har et netværk af forskellige regulerings­faktorer for at være sikret, hvis nogle af reguleringsfaktorerne skulle svigte.

• Faktorer, der er så vigtige, udøver normalt deres virkning på DNA, hvorved syntesen af vigtige proteiner reguleres. Sådanne faktorer, der griber ind på DNA-niveau, kaldes transskriptionsfaktorer, idet de skal regulere transskriptionen af DNA (med efterfølgende translation af mRNA til frembringelse af protein).

• Der findes mange transskrip­tionsfaktorer til regulering af oxidativ stress(ref. 9356[år2010]). Men en særlig vigtig nøgle-transskriptionsfaktor er Nrf2.

• Nrf2 blev isoleret i 1994 (ref. 9372). Men først i midten af 1990’erne opdagede man, at Nrf2 ikke blot er en helt central faktor ved regulering af cellens antioxidationsforsvar og afgiftning af stoffer, men også ved regulering af mange andre cellebeskyttende funktioner, såsom DNA-reparation, hæm-metabolisme, quinon-reduktion og glutathion-syntese (ref. 9356).

• Nrf2 er vidt udbredt i mange celletyper og organer. Denne transskriptionsfaktor synes at have en central, styrende rolle over cellens "husholdningsenzymer"- enzymerne, der holder de basale funktioner i kroppen på et minimum, så der bruges så lidt energi som muligt.

• Menneskets Nrf2 er homolog med Nrf2 i høns og mus, Det har 6 meget velbevarede domæner. Det er tegn på, at Nrf2 er vigtig for organismens overlevelse. Reguleringen af Nrf2 Cellen skal kunne tilpasse sig ændringer i det omgivende miljø. Hertil får Nrf2 hjælp fra det såkaldte Keap1-protein, idet Nrf2 og Keap1 sammen danner et inaktivt kompleks i cellens cytoplasma. Keap1 styrer frigørelsen af Nrf2 fra dette kompleks – styringen af denne frigivelse sker i afhængighed af thiol-kemien (-SH), såvel inde i cellen som uden for cellen.

• Keap1 kan betragtes som et sanse­protein, som sanser thiol­status-tilstanden både inde i cellen og i det omgivende miljø.

• Keap1-proteinet indeholder 27 thiolgrupper (cysteiner) og er derfor meget redoxfølsomt (dvs. følsomt over for at få sit oxidations­trin ændret).

• Når thiolgrupperne bliver oxideret, ændres strukturen af Keap1. Dette medfører, at Nrf2 ikke mere kan fastholdes. Nrf2 kan så enten vandre ind i cellekernen eller alternativt blive nedbrudt.

• Reguleringen af denne frigørelse af Nrf2 fra Keap1 er en helt central proces i cellen. Kun når Nrf2 frigøres fra Keap1 og vandrer ind i cellekernen, kan Nrf2 udøve sin helt centrale rolle i cellens livsprocesser. Nrf2 skal virke i cellekernen.

• Til Keap1’s regulering af Nrf2 ­hører også, at Keap1 kan sende Nrf2 til nedbrydning i proteosom­komplekset – et proteinnedbry­dende kompleks. Denne nedbrydning er en konstantforløbende (konstitutiv) proces, der ikke kræver proteinsyntese (ref. 9371).

• Keap1 er med­virkende til, at det Nrf2, der skal nedbrydes, bliver "dødsmærket" med ubiquitin. Det proteinnedbrydende proteosom­kompleks kender denne dødsmærkning og nedbryder derfor proteinet.

• Nrf2 har en halveringstid på kun ca. 20 minutter (dvs. at halvdelen bliver nedbrudt i løbet af 20 minutter) (ref.9356). Denne nedbrydning er vigtigt for reguleringen af Nrf2, og for at Nrf2-koncentrationen bliver holdt inden for fysiologiske grænser. Færre Nrf2/Keap1-komplekser i et reducerende miljø Vi kan nu vende tilbage til diskussionen om antioxidant-tilskud og indtagelse af frugt & grønt, som omtaltes i en tidligere artikel i dette nummer af BioNyt.

• For store mængder af enkelte antioxidanter, såsom store mængder C-vitamin og E-vitamin, vil ganske vist sænke niveauet af reaktive iltforbindelser og frie radikaler i cellens cytoplasma, men følgevirkningen af disse vitaminer direkte antioxidant-virkning er et mere reducerende miljø i cytoplasmaet. Herved holdes Keap1-molekyler i den reducerende konfiguration, der ikke kan binde Nrf2.

• Når der i cellen er færre oxiderede Keap1-molekyler med tilknyttet Nrf2, vil der være færre Nrf2-molekyler i det hele taget.

• Et fald i Nrf2-mængden vil betyde nedsat produktion af cellens egne enzymer i antioxidations­systemet.

• Daglig indtagelse af store mængder antioxidanter kan således føre til en formindsket kapacitet af cellens eget antioxidantsystem. Cellens afgiftningssystem svækkes derved eller sættes måske helt ud af kraft.

• Det må på denne baggrund frarådes, at der indtages store mængder anti­oxidant-tilskud, såsom C-vitamin og E. Hvordan virker Nrf2? Når Nrf2 kommer ind i cellekernen, danner Nrf2 en heterodimer med proteinet sMaf, før denne heterodimer bindes til ARE (anti­oxidant-respons-element), der er et meget vigtigt bindingsmotiv for Nrf2 i promoter-området af de gener, der koder for anti­oxidant-enzymerne(ref. 9395). Promoterområder er bindingssteder for de regulatorer og enzymer, der skal udføre transskriptionen.

• Som hjælp til afklaringen af Nrf2’s rolle har man brugt mus, der er defekte i Nrf2. Det kunne derved påvises, at Nrf2 er helt central for antioxidationssystemet i cellerne. Uden Nrf2 er cellerne meget mere følsomme overfor miljø­påvirkninger og oxidativt stress. Nrf2’s centrale rolle I nyere forskningslitteratur er resveratrol beskrevet som den faktor, der regulerer komplekse cellulære processer ved at fremme celleoverlevelse, opretholde cellens energisystem og hæmme virkningen af oxidativ stress (ref. 9420).

• En gruppe forskere med Zoltan Ungvari i spidsen (ref. 9421[år2010]) har sandsynliggjort, at resveratrol ofte udøver sin funktion via Nrf2. I dyrkede humane hjertearterie-endothelceller forøger resveratrol transskriptionsaktiviteten af Nrf2, hvorved flere målgener for Nrf2 opreguleres (bl.a. NAD(P)H:quinon-oxidoreduktase 1, glutamylcysteinsyntetase og hæmoxygenase-1).

• Resveratrol har sandsynligvis også funktioner, som ikke formidles via Nrf2. Det er således blevet rapporteret, at resveratrol direkte inducerer endothelial nitrogensyntetase, hvorved mængden af nitrogenoxid (NO) øges. Det er også rapporteret, at resveratrol nedregulerer NAD(H)P-oxidaser, hvilket medvirker til res­veratrols karbeskyttende virkning ved type-2-diabetes (ref. 9421).

• I normale mus, der får det samme foder, udøver resveratrol sin beskyttende virkning via Nrf2. Relationen mellem resveratrol og Nrf2-faktoren kan studeres i mus af en type, som mangler en aktiv Nrf2-faktor ("Nrf2-knockout mus"). Hvis sådanne mus gives foder med et højt fedtindhold, vil der opstå problemer i blodkarrene. Hos sådanne mus kan resveratrol ikke udøve sin normale beskyttende virkning, fordi Nrf2 ikke fungerer (ref. 9421). Hvad påvirker frigørelsen af Nrf2 fra Keap1? Det er velkendt, at visse stoffer fra planter kan aktivere Nrf2 ved at frigøre Nrf2 fra komplekset mellem Nrf2 og Keap1. Det gælder f.eks. plantestofferne sulfora­phane, kaffeinsyre-phen-ethylester og curcumin.

• Sulforaphane (sulforafan) findes i korsblomstrede planter, f.eks. broccoli (man taler ligefrem om en "broccoli-effekt").

• I 2002 beskrev Albena Dinkova-Kostova m.fl. (ref. 9394) dannelsen af Nrf2 og Keap1-komplekser, som gik fra hinanden ved tilstedeværelse af sulphoraphane. Sulphora­phane reagerede med cysteingrupper på Keap1.

• Kaffeinsyre-phen-ethylester findes i mange planter og virker via Nrf2/Keap1-komplekser.

• Curcumin findes i gurkemeje og virker ligeledes via Nrf2/Keap1-komplekser. (ref. 9394).

• Sådanne indirekte antioxidanter (modsat f.eks. C-vitamin, der virker direkte) sætter cellen i stand til selv at styre reaktionen på udefrakommende stoffer (ref. 9471).

• Relativt milde oxidative stress­påvirkninger, såsom tilførsel af fytokemikalier, opruster cellen til at klare større stresspåvirkninger. Måske kan passende mængder Nrf2-frigørende fytokemikalier sætte cellen i stand til at bekæmpe kræftrelaterede processer.

• Men balancen synes at være hårfin. Celler, der er omdannet til kræftceller, har faktisk fordel af et aktivt antioxidationssystem til at bekæmpe frie radikaler og endog til at gøre cellen ufølsom overfor kemoterapi (ref. 9470, ref. 9355, ref. 9339). Denne viden vil i øvrigt måske kunne udnyttes til kunstigt at gøre cellen følsom overfor kemoterapi, hvis der samtidig med kemoterapi indgives en hæmmer af Nrf2 (ref. 9355, ref. 9339).

• Resveratrol-hjulpet aktivering af Nrf2 kan modvirkes af C-vitamin Efterhånden som der fremkommer mere viden om fytokemikalier og andre antioxidanter, kan hypoteser om virkningsmekanismer afprøves ved at undersøge, hvordan flere forbindelser sammen påvirker cellen.

• C-vitamin er en vandopløselig antioxidant, der kan indfange frie radikaler i cellers cytoplasma. Forskere (ref. 9395) ønskede nu at undersøge, hvordan C-vitamin og resveratrol virker på aktiveringen af de gener, der koder for antioxidant­systemet.

• Som enzymeksempler blev valgt hem-oxygenase-1 og paraoxonase-1. De gener, der koder for hem-oxygenase-1 og paraoxonase-1, har et meget forskelligt antal ARE-bindingssteder i promoterområdet (ref. 9395).

• Forsøgene blev udført med HUH7

• -leverkræftceller fra mennesker. Det viste sig, at resveratrols aktivering af hem-oxygenase-1 blev modvirket af C-vitamin.

• Den faldende mængde hem-oxygenase-1-mRNA og hem-oxygenase-1-protein kan skyldes, at C-vitamin udøver sin virkning i cytosolen (ref. 9395). I lyset af dette var det overraskende, at C-vitamin ikke nedsatte paraoxonase-1-mRNA og paraoxonase-1-protein. Én af forskellene mellem hem­oxygenase-1 og paraoxonase-1 er, at hemoxygenase i højere grad end paraoxonase-1 reguleres af Nrf2. Dette skyldes, at der er mange flere Nrf2/ARE-bindingssteder i promoter-området af det gen, der koder for hemoxygenase, end der er i promoterområdet for det gen, der koder for paraoxonase-1.

• Tilsætningen af C-vitamin (1 mmol/liter medium) resulterer i dannelsen af signifikante niveauer af hydrogenperoxid, og dette forestiller forskerne sig fører til en direkte afbrydelse af Nrf2-signaleringen og nedsat dannelse af hemoxygenase (ref.9395).

• Tilsætning af resveratrol til dyrkningsmediet fremkaldte lave niveauer af hydrogenperoxid, hvilket kunne være et positivt "hormetisk redoxsignal" for Nrf2-afhængig genekspression, hvormed der sker en øget produktion af hemoxgenase.

• I modsætning hertil frembragte tilsætningen af C-vitamin høje niveauer af hydrogenperoxid, hvilket kan betragtes som et "cellulært stresssignal", som interfererer med Nrf2-signalkaskaden og modvirker aktiveringen af hemoxygenase.

• Det skal bemærkes, at forsøget er udført med cellekulturer, og at de tilførte koncentrationer af C-vitamin, henholdsvis resveratrol, er meget høje. Mange forskningsartikler om Nrf2 Et specielt nummer af Toxicology Applied Pharmacology (nr. 244 fra april 2010) var forbeholdt oversigtsartikler om den nyeste forskning om Nrf2 (ref. 9337). I alt 12 artikler havde fokus på forskellige aspekter af Nrf2. Herunder bl.a. evolution og de hormetiske virkninger af Nrf2 (ref. 9356), reguleringen af Keap1 (ref. 9371), Nrf2-signalering og celleoverlevelse (ref. 9370), at Nrf2 beskytter mod sygdomme i luftvejene (ref. 9353), effekt i leveren (ref. 9369), og Nrf2 ved kemoterapi (ref. 9368). Nrf2 hæmmer inflammation Nrf2 spiller en rolle ved inflammatoriske sygdomme, såsom autoimmune sygdomme, rheumatoid arthritis, astma, emphysem, gastritis, colitis og åreforkalkning(ref.9357).

• Ved formindsket funktion af Nrf2 opstår der ikke blot en forøget følsomhed overfor oxidativ stress og elektrofil stress, men også overfor betændelsesskader i væv.

• Under den tidlige fase af inflammationsbetinget skade på væv, formodes det, at en aktivering af Nrf2-systemet hæmmer produktionen af tidlige inflammatoriske hjælpestoffer, herunder cytokiner og chemokiner.

• Det synes sandsynligt, at den cellebeskyttende funktion af gener, der reguleres via Nrf2-systemet, tilsammen regulerer det medfødte immunsvar og undertrykker aktiveringen af pro-inflammatoriske gener (ref. 9357). Nrf2 kan være forhøjet i kræftceller Det er blevet konstateret, at Nrf2 kan være opreguleret i talrige kræfttyper (ref.9470 [år2011]). Det kan bl.a. skyldes mutationer i Keap1 eller Nrf2 i de sekvenser, der har betydning for, at disse to proteiner bindes til hinanden.

• Denne opregulering af Nrf2 og deraf medfølgende forøgelse af cellens forsvarsenzymer, giver kræftceller en fordel, idet kemo­terapeutiske stoffer i højere grad kan uskadeliggøres, så kræftcellen kan fortsætte sin aggressive vækst. Nrf2 påvirker en række biokemiske reaktionsveje Det har vist sig, at Nrf2 ikke blot regulerer antioxidationsenzymerne, så cellen beskyttes mod oxidative stoffer, men at Nrf2 også spiller en rolle i en række andre biokemiske reaktionsveje, f.eks. når ødelagt væv skal reetablere sig eller ved p62-medieret autofagi ­eller ved NF-kappaB-signalering (ref. 9470 [år2011]). Nrf2 som et lægemiddelmål Med den vigtige rolle, som Nrf2 spiller, er det oplagt at forsøge at finde nogle lægemidler, som kan virke via Nrf2. Men problemet er her, at Nrf2 spiller en så central rolle for mange af cellens funktioner, at det er vanskeligt at ændre koncentrationen af Nrf2 uden at flere processer påvirkes.

• Den organiske svovlforbindelse oltipraz (en dithiolthion med formlen 4-methyl-5-pyrazinyl-3H-1,2-dithiol-3-thion), der er en Nrf2-aktivator, har vist sig at hæmme kræft i mange organer hos gnavere (herunder i urinblæren, blod, tyktarm, nyre, lever, lunge, bugspytkirtlen, maven, luftrøret, huden og brystkirtelvæv). Men ved afprøvningen af oltipraz i mennesker, opstod der betragtelige bivirkninger, uden at oltipraz havde en kræfthæmmende virkning, og afprøvningen blev stoppet (ref. 9368).

• En serie syntetiske Nrf2-aktivatorer er i klinisk afprøvning hos Reata Pharmaceuticals www.reatapharma.com i Texas (i samarbejde med Abbott Laboratories).

• Nrf2 styrer kroppens produktion af hundreder af antioxidanter, og Nrf2 vil potentielt kunne bruges mod nyresygdomme, kræft, hjerte/kar-sygdomme, sklerose, Alzheimer osv., hvor oxidativt stress eller inflammation er på færde.

• Den mest lovende kandidat, bardoxolonmethyl, er kommet igennem fase 2 i klinisk afprøvning til behandling af kronisk nyresygdom hos patienter med type 2 diabetes, og i placebostudiet, der omfattede 227 patienter, viste det sig, at bardoxolonmethyl giver en bedre nyrefunktion 24. juni 2011 The New England Journal of Medicine. Studiet af bardoxolone methyl fortsætter 2011 med et fase-III placebokontrol-studie med 1600 type-2 diabetespatienter med trin-4 kronisk nyresygdom ved 300 hospitaler rundt i verden (www.reatapharma.com) www.clinicaltrials.gov (clinical trial identifier: NCT01351675 Det er bemærkelsesværdigt, at et enkelt molekyle som Nrf2 kan beskytte mange forskellige organer i kroppen mod mange forskelllige giftstoffer(ref.9483).

• Nrf2 – “hot topic event" 2011 Den engelske Biokemiske Forening afholder 1. december 2011 en konference om Nrf2 i London. Baggrunden for konferencen er den store interesse, der har været for Nrf2 – såsom Nrf2 som nøglefaktoren i anti­oxidantforsvaret og som en vigtig faktor ved betændelse, nervecelle-degenerering, lipogenese (fedtdannelse), kræft og mange andre fysiologiske og patologiske processer.

• Emnerne på konferencen er: Regulering af Nrf2 og dets målgener; vekselvirkning med andre signaleringsveje; rolle ved kemoterapi og kræft; rolle ved nervecelle-degenerering (hjernen) og kroniske sygdomme; betydning i lipogenese og levertoksisitet og anvendelse af Nrf2 i sygdomsbehanding.

Tegn abonnement på

BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk) er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift for naturvidenskab. Det er det eneste blad af sin art i Danmark, som er helliget international forskning inden for livsvidenskaberne.

Bladet bringer aktuelle, spændende forskningsnyheder inden for biologi, medicin og andre naturvidenskabelige områder som f.eks. klimaændringer, nanoteknologi, partikelfysik, astronomi, seksualitet, biologiske våben, ecstasy, evolutionsbiologi, kloning, fedme, søvnforskning, muligheden for liv på mars, influenzaepidemier, livets opståen osv.

Artiklerne roses for at gøre vanskeligt stof forståeligt, uden at den videnskabelige holdbarhed tabes.