sibmedСибирский научный медицинский журналСибирский научный медицинский журнал2410-25122410-2520ИЦиГ СО РАН10.15372/SSMJ20200606sibmed-519Research ArticleМЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИBIOMEDICINEВлияние новых водорастворимых фенольных антиоксидантов на активность Nrf2-подконтрольных ферментов, систему глутатиона и транслокацию Nrf2 в ядроEffect of new water-soluble phenolic antioxidants on the activity of Nrf2-driven enzymes, glutathione system, and Nrf2 translocation into the nucleushttps://orcid.org/0000-0003-2367-0114МеньщиковаЕ. Б.MenshchikovaE. B.

Елена Брониславовна Меньщикова - доктор медицинских наук.

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Elena B. Menshchikova - doctor of medical.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

lemen@centercem.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1476-4098ЗенковН. К.ZenkovN. K.

Николай Константинович Зенков - доктор биологических наук.

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Nikolay K. Zenkov - doctor of biological sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

zenkovnk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9989-9778КожинП. М.KozhinP. M.

Пётр Михайлович Кожин - кандидат медицинских наук.

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Peter M. Kozhin - candidate of medical sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

kozhinpm@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0238-4533ЧечушковА. В.ChechushkovA. V.

Антон Владимирович Чечушков - кандидат медицинских наук.

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Anton V. Chechushkov - candidate of medical sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

achechushkov@gmail.comПавловВ. С.PavlovV. S.

Владислав Сергеевич Павлов

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Vladislav S. Pavlov

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

vspavlov@centercem.ruРомахЛ. П.RomakhL. P.

Лидия Петровна Ромах

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Lidia P. Romakh

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

lpromakh@centercem.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3397-8067ХраповаМ. В.KhrapovaM. V.

Марина Валерьевна Храпова - кандидат биологических наук.

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Marina V. Khrapova - candidate of biological sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

khrapova@centercem.ruСерыхА. Е.SerykhA. E.

Анастасия Евгеньевна Серых

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Anastasia E. Serykh

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

rasiel1996@yandex.ruГрицыкО. Б.GritsykO. B.

Оксана Борисовна Грицык - кандидат медицинских наук.

630117, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Oksana B. Gritsyk - candidate of medical sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

oks-gritsik@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6022-934XКандалинцеваН. В.KandalintsevaN. V.

Наталья Валерьевна Кандалинцева - доктор химических наук

630126, Новосибирск, ул. Вилюйская, 28

Natalya V. Kandalintseva - doctor of chemical sciences.

630126, Novosibirsk, Vilyuiskaya str., 28

aquaphenol@mail.ruФИЦ фундаментальной и трансляционной медициныРоссияFederal Research Center of Fundamental and Translational MedicineRussian FederationНовосибирский государственный педагогический университетРоссияNovosibirsk State Pedagogical UniversityRussian Federation2020261220204065869Copyright © Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Кожин П.М., Чечушков А.В., Павлов В.С., Ромах Л.П., Храпова М.В., Серых А.Е., Грицык О.Б., Кандалинцева Н.В., 20202020Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Кожин П.М., Чечушков А.В., Павлов В.С., Ромах Л.П., Храпова М.В., Серых А.Е., Грицык О.Б., Кандалинцева Н.В.Menshchikova E.B., Zenkov N.K., Kozhin P.M., Chechushkov A.V., Pavlov V.S., Romakh L.P., Khrapova M.V., Serykh A.E., Gritsyk O.B., Kandalintseva N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sibmed.elpub.ru/jour/article/view/519

Понимание роли активированных кислородных метаболитов в формировании эустресса (редокс-баланс) и дистресса (окислительный стресс) ставит перед биомедиками и фармакологами новые задачи в поиске соединений, способных не только обладать непосредственным антиоксидантным (антирадикальным) действием, но и влиять на редокс-чувствительные сигнальные пути, в первую очередь систему Keap1/Nrf2/ARE. Цель настоящего исследования состояла в изучении влияния синтезированных нами водорастворимых структурно-родственных монофенолов на систему Keap1/Nrf2/ARE по воздействию на ключевые элементы ее индукции (активность №£2-подконтрольных ферментов, состояние системы глутатиона и внутриклеточное перераспределение транскрипционного фактора Nrf2).

Материал и методы. В экспериментах на клетках линий U937 и J774 проведен сравнительный анализ способности структурно взаимосвязанного ряда пяти оригинальных гидрофильных монофенолов, отличающихся количеством трет-бутильных орто-заместителей, длиной пара-алкильного заместителя и наличием в нем атома двухвалентной серы или селена (в качестве препарата сравнения использовали феноксан, калиевую соль фенозан-кислоты), индуцировать синтез №£2-подконтрольных ферментов II фазы детоксикации ксенобиотиков и антиоксидантных ферментов ^А^Э(Р)Н:хиноноксидоредуктазы 1 (NQO1), глутатион S-трансфераз (GST), глутатионпероксидаз, глутатионредуктазы; биохимическими спектрофотометрическими методами изучали их активность после 24-часовой инкубации с клетками), а также влиять на состояние системы глутатиона (спектрофотометрия) и транслокацию транскрипционного фактора Nrf2 в ядро (иммунофлуоресцентное окрашивание, конфокальная микроскопия) (ключевые моменты активации сигнальной системы Keap1/Nrf2/ARE).

Результаты и их обсуждение. Установлено, что наиболее эффективным индуктором указанных ферментов в клетках U937 среди структурных аналогов является монофенол ТС-13, при этом для реализации данного эффекта важны строение пара-алкильного заместителя и степень экранирования ОН-группы; ТС-13 также эффективно усиливал импорт Nrf2 в ядро клеток J774. NQO1- и GST-индуцирующие способности тестируемых соединений тесно взаимосвязаны, что указывает на возможность координированной индукции данных ферментов и наличие общей регуляторной системы, обеспечивающей их активацию в ответ на обработку клеток фенольными антиоксидантами.

Understanding the role of reactive oxygen and nitrogen species in eustress (redox balance) and distress (oxidative stress) development poses new challenges for biomedical scientists and pharmacologists in the search for compounds that can not only have a direct antioxidant (antiradical) effect, but also affect redox-sensitive signaling pathways, primarily Keap1/Nrf2/ARE system. Aim of the study was to investigate the influence of novel water-soluble structurally related monophenols on key elements of Keap1/Nrf2/ARE system induction (activity of Nrf2-driven enzymes, the state of the glutathione system, and intracellular redistribution of transcription factor Nrf2).

Material and methods

Material and methods. Five original hydrophilic structurally related monophenols, differing in the number of tert-butyl ortho-substituents, the length of the para-alkyl substituent, and the presence of a divalent sulfur or selenium atom in it were investigated (phenoxane, the potassium salt of phenosan acid, was used as a reference compound). Cell lines U937 and J774 were cultured for 24 h in the presence of tested compounds, and comparative analysis was performed of its ability to induce the synthesis of Nrf2-driven enzymes of phase II xenobiotic detoxification pathway and antioxidant enzymes (NAD(P)H: quinone oxidoreductase 1 (NQO1), glutathione S-transferases (GST), glutathione peroxidases, glutathione reductase (biochemical spectrophotometric methods were used to study their activity), as well as to influence the state of glutathione system (spectrophotometry) and translocation of transcription factor Nrf2 into the nucleus (immunofluorescent staining, confocal microscopy) (key events of Keap1/Nrf2/ARE signaling system activation).

Results and discussion

Results and discussion. Monophenol TS-13 have found to be the most effective inducer of tested enzymes in U937 cells among the structural analogs, while the structure of the para-alkyl substituent and the degree of OH group hindrance are important for the implementation of this effect; TS-13 also effectively enhanced Nrf2 import into J774 cell nucleus. The NQO1- and GST-inducing abilities of structurally related monophenols are closely interrelated, which indicates the possibility of coordinated induction of these enzymes and the presence of a common regulatory system that ensures their activation in response to cell treatment with phenolic antioxidants.

активированные кислородные метаболитыантиоксидантысигнальная система Keap1/ Nrf2/ARENAD(P)H:хиноноксидоредуктаза 1глутатион S-трансферазаглутатионпероксидазаглутатионре-дуктазасистема глутатионаreactive oxygen and nitrogen speciesantioxidantsKeap1/Nrf2/ARE signaling systemNAD(P) H:quinone oxidoreductase 1glutathione S-transferaseglutathione peroxidaseglutathione reductaseglutathione systemИсследование выполнено с использованием оборудования ЦКП «Современные оптические системы»Equipment from CCU «Modern optical systems» was used in the studyReferencesNiki E. Oxidative stress and antioxidants: Distress or eustress? Arch. Biochem. Biophys. 2016; 595: 19-24. doi: 10.1016/j.abb.2015.11.017Niki E. Oxidative stress and antioxidants: Distress or eustress? Arch. Biochem. Biophys. 2016; 595: 19-24. doi: 10.1016/j.abb.2015.11.017Sies H. Hydrogen peroxide as a central redox signaling molecule in physiological oxidative stress: Oxidative eustress. Redox Biol. 2017; 11: 613-619. doi: 10.1016/j.redox.2016.12.035Sies H. Hydrogen peroxide as a central redox signaling molecule in physiological oxidative stress: Oxidative eustress. Redox Biol. 2017; 11: 613-619. doi: 10.1016/j.redox.2016.12.035Rolt A., Cox L.S. Structural basis of the antiageing effects of polyphenolics: mitigation of oxide tive stress. BMC Chem. 2020; 14 (1): 50. doi: 10.1186/s13065-020-00696-0Rolt A., Cox L.S. Structural basis of the antiageing effects of polyphenolics: mitigation of oxide tive stress. BMC Chem. 2020; 14 (1): 50. doi: 10.1186/s13065-020-00696-0Sies H. Oxidative stress: concept and some practical aspects. Antioxidants (Basel). 2020; 9 (9). doi: 10.3390/antiox9090852Sies H. Oxidative stress: concept and some practical aspects. Antioxidants (Basel). 2020; 9 (9). doi: 10.3390/antiox9090852Tungmunnithum D., Thongboonyou A., Pholboon A., Yangsabai A. Flavonoids and other phenolic compounds from medicinal plants for pharmaceutical and medical aspects: an overview. Medicines (Basel). 2018; 5 (3). doi: 10.3390/medicines5030093Tungmunnithum D., Thongboonyou A., Pholboon A., Yangsabai A. Flavonoids and other phenolic compounds from medicinal plants for pharmaceutical and medical aspects: an overview. Medicines (Basel). 2018; 5 (3). doi: 10.3390/medicines5030093Jafari H., Bernaerts K.V., Dodi G., Shavandi A. Chitooligosaccharides for wound healing biomaterials engineering. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2020; 117: 111266. doi: 10.1016/j.msec.2020.111266Jafari H., Bernaerts K.V., Dodi G., Shavandi A. Chitooligosaccharides for wound healing biomaterials engineering. Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2020; 117: 111266. doi: 10.1016/j.msec.2020.111266Zhou Y.X., Gong X.H., Zhang H., Peng C. A review on the pharmacokinetics of paeoniflorin and its anti-inflammatory and immunomodulatory effects. Biomed. Pharmacother. 2020; 130: 110505. doi: 10.1016/j.biopha.2020.110505Zhou Y.X., Gong X.H., Zhang H., Peng C. A review on the pharmacokinetics of paeoniflorin and its anti-inflammatory and immunomodulatory effects. Biomed. Pharmacother. 2020; 130: 110505. doi: 10.1016/j.biopha.2020.110505Zenkov N.K., Kozhin P.M., Chechushkov A.V., Martinovich G.G., Kandalintseva N.V., Men-shchikova E.B. Mazes of Nrf2 regulation. Biochemistry (Mosc.). 2017; 82 (5): 556-564. doi: 10.1134/s0006297917050030Zenkov N.K., Kozhin P.M., Chechushkov A.V., Martinovich G.G., Kandalintseva N.V., Menshchikova E.B. Mazes of Nrf2 regulation. Biochemistry (Mosc.). 2017; 82 (5): 556-564. doi: 10.1134/s0006297917050030Олейник А.С., Куприна Т.С., Певнева Н.Ю., Марков А.Ф., Кандалинцева Н.В., Просенко А.Е., Григорьев И.А. Синтез и антиоксидантные свойства S -[3-(гидроксиарил)пропил]тиосульфатов и [3-(гидроксиарил)пропан]-1-сульфонатов натрия. Изв. РАН. Сер. хим. 2007; (6): 1094-1101.Oleynik A.S., Kuprina T.S., Pevneva N.Yu., Markov A.F., Kandalintseva N.V., Prosenko A.E., Grigorev I.A. Synthesis and antioxidant properties of sodium S-[3-(hydroxyaryl)propyl] thiosulfates and [3-(hydroxyaryl)propane]-1-sulfonates. Russ. Chem. Bull. 2007. 56 (6). 1135-1143.Гайнутдинов П.И., Кожин П.М., Чечушков А.В., Мартинович Г.Г., Хольшин С.В., Кандалинцева Н.В., Зенков Н.К., Меньщикова Е.Б. Обратная зависимость между антиоксидантной активностью синтетических монофенолов структурно взаимосвязанного ряда и их токсичностью в отношении опухолевых клеток. Сиб. науч. мед. журн. 2018; 38 (1): 22-31. doi: 10.15372/SSMJ20180104Gainutdinov P.I., Kozhin P.M., Chechushkov A.V., Martinovich G.G., Kholshin S.V., Kandalintseva N.V., Zenkov N.K., Menshchikova E.B. Inverse relationship between the antioxidant activity of structurally related synthetic monophenols and their toxicity in tumor cells. Sibirskiy nauchnyy meditsinskiy zhurnal = Siberian Scientific Medical Journal. 2018; 38 (1): 22-31. [In Russian].Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 1976; 72: 248-254. doi: 10.1006/abio.1976.9999Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of proteindye binding. Anal. Biochem. 1976; 72: 248-254. doi: 10.1006/abio.1976.9999Siegel D., Kepa J.K., Ross D. Biochemical and genetic analysis of NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 (NQO1). Curr. Protoc. Toxicol. 2007; Chapter 4: Unit4 22. doi: 10.1002/0471140856.tx0422s32Siegel D., Kepa J.K., Ross D. Biochemical and genetic analysis of NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 (NQO1). Curr. Protoc. Toxicol. 2007; Chapter 4: Unit4 22. doi: 10.1002/0471140856.tx0422s32Mannervik B., Jemth P. Measurement of glutathione transferases. Curr. Protoc. Toxicol. 2001; Chapter 6: Unit6 4. doi: 10.1002/0471140856.tx0604s01Mannervik B., Jemth P. Measurement of glutathione transferases. Curr. Protoc. Toxicol. 2001; Chapter 6: Unit6 4. doi: 10.1002/0471140856.tx0604s01Li S., Yan T., Yang J.Q., Oberley T.D., Oberley L.W. The role of cellular glutathione peroxidase redox regulation in the suppression of tumor cell growth by manganese superoxide dismutase. Cancer Res. 2000; 60 (14): 3927-3939.Li S., Yan T., Yang J.Q., Oberley T.D., Oberley L.W. The role of cellular glutathione peroxidase redox regulation in the suppression of tumor cell growth by manganese superoxide dismutase. Cancer Res. 2000; 60 (14): 3927-3939.Rahman I., Kode A., Biswas S.K. Assay for quantitative determination of glutathione and glutathione disulfide levels using enzymatic recycling method. Nat. Protoc. 2006; 1 (6): 3159-3165. doi: 10.1038/nprot.2006.378Rahman I., Kode A., Biswas S.K. Assay for quantitative determination of glutathione and glutathione disulfide levels using enzymatic recycling method. Nat. Protoc. 2006; 1 (6): 3159-3165. doi: 10.1038/nprot.2006.378Satoh T., McKercher S.R., Lipton S.A. Nrf2/ ARE-mediated antioxidant actions of pro-electrophilic drugs. Free Radic. Biol. Med. 2013; 65: 645-657. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2013.07.022Satoh T., McKercher S.R., Lipton S.A. Nrf2/ ARE-mediated antioxidant actions of proelectrophilic drugs. Free Radic. Biol. Med. 2013; 65: 645-657. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2013.07.022Лемза А.Е., Ткачев В.О., Зенков Н.К., Кандалинцева Н.В., Хольшин С.В., Меньщикова Е.Б. Структурно-функциональные особенности влияния новых водорастворимых фенольных антиоксидантов на жизнеспособность клеток. Сиб. науч. мед. журн. 2015; (2): 16-22.Lemza A.E., Tkachev V.O., Zenkov N.K., Kandalintseva N.V., Kholshin S.V., Men’shchikova E.B. Effect of novel water-soluble phenolic antioxidants on cell viability: structure-activity relationships. Si-birskiy nauchnyy meditsinskiy zhurnal = Siberian Scientific Medical Journal. 2015; (2): 16-22. [In Russian].Kanner J. Polyphenols by generating H2O2, affect cell redox signaling, inhibit PTPs and activate Nrf2 axis for adaptation and cell surviving: in vitro, in vivo and human health. Antioxidants (Basel). 2020; 9 (9) doi: 10.3390/antiox9090797Kanner J. Polyphenols by generating H2O2, affect cell redox signaling, inhibit PTPs and activate Nrf2 axis for adaptation and cell surviving: in vitro, in vivo and human health. Antioxidants (Basel). 2020; 9 (9) doi: 10.3390/antiox9090797Zenkov N.K., Menshchikova E.B., Kandalintseva N.V., Oleynik A.S., Prosenko A.E., Gusachen-ko O.N., Shklyaeva O.A., Vavilin V.A., Lyakhovich V.V. Antioxidant and antiinflammatory activity of new water-soluble sulfur-containing phenolic compounds. Biochemistry (Mosc.). 2007; 72 (6): 644-651.Zenkov N.K., Menshchikova E.B., Kandalintseva N.V., Oleynik A.S., Prosenko A.E., Gusachenko O.N., Shklyaeva O.A., Vavilin V.A., Lyakhovich V.V. Antioxidant and antiinflammatory activity of new water-soluble sulfur-containing phenolic compounds. Biochemistry (Mosc.). 2007; 72 (6): 644-651.Menshchikova E.B., Chechushkov A.V., Kozhin P.M., Kholshin S.V., Kandalintseva N.V., Martinovich G.G., Zenkov N.K. Activation of autophagy and Nrf2 signaling in human breast adenocarcinoma MCF-7 cells by novel monophenolic antioxidants. Cell and Tissue Biology. 2019; 13 (2): 85-92. doi: 10.1134/s1990519x1902007xMenshchikova E.B., Chechushkov A.V., Kozhin P.M., Kholshin S.V., Kandalintseva N.V., Martinovich G.G., Zenkov N.K. Activation of autophagy and Nrf2 signaling in human breast adenocarcinoma MCF-7 cells by novel monophenolic antioxidants. Cell and Tissue Biology. 2019; 13 (2): 85-92. doi: 10.1134/s1990519x1902007xMenshchikova E., Tkachev V., Lemza A., Sharkova T., Kandalintseva N., Vavilin V., Safronova O., Zenkov N. Water-soluble phenol TS-13 combats acute but not chronic inflammation. Inflamm. Res. 2014; 63 (9): 729-740. doi: 10.1007/s00011-014-0746-0Menshchikova E., Tkachev V., Lemza A., Sharkova T., Kandalintseva N., Vavilin V., Safronova O., Zenkov N. Water-soluble phenol TS-13 combats acute but not chronic inflammation. Inflamm. Res. 2014; 63 (9): 729-740. doi: 10.1007/s00011-014-0746-0

The authors declare that there are no conflicts of interest present.