sibmedСибирский научный медицинский журналСибирский научный медицинский журнал2410-25122410-2520ИЦиГ СО РАН10.18699/SSMJ20210303sibmed-598Research ArticleМЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИBIOMEDICINEПовышение экспрессии генов аутофагии и Nrf2-зависимого сигнального пути новыми монофенольными антиоксидантами зависит от их структурыIncreased expression of autophagy and Nrf2-dependent signaling pathway genes by new monophenolic antioxidants depends on their structureХраповС. Е.KhrapovS. E.

Семён Евгеньевич Храпов

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Semen E. Khrapov

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

semen.hrapov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9989-9778КожинП. М.KozhinP. M.

Пётр Михайлович Кожин - кандидат медицинских наук.

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Peter M. Kozhin - candidate of medical sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

kozhinpm@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3397-8067ХраповаМ. В.KhrapovaM. V.

Марина Валерьевна Храпова - кандидат биологических наук.

630060, 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

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Anastasia E. Serykh

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

rasiel1996@yandex.ruРомахЛ. П.RomakhL. P.

Лидия Петровна Ромах

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Lidia P. Romakh

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

lpromakh@centercem.ruПавловВ. С.PavlovV. S.

Владислав Сергеевич Павлов

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Vladislav S. Pavlov

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

vspavlov@centercem.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0238-4533ЧечушковА. В.ChechushkovA. V.

Антон Владимирович Чечушков - кандидат медицинских наук.

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Anton V. Chechushkov - candidate of medical sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

achechushkov@gmail.comХольшинС. В.KholshinS. V.

Сергей Викторович Хольшин

630126, Новосибирск, ул. Вилюйская, 28

Sergey V. Kholshin

630126, Novosibirsk, Vilyuiskaya str., 28

s.kholshin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1476-4098ЗенковН. К.ZenkovN. K.

Николай Константинович Зенков - доктор биологических наук.

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Nikolay K. Zenkov - doctor of biological sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

zenkovnk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2367-0114МеньщиковаЕ. Б.MenshchikovaE. B.

Елена Брониславовна Меньщикова - доктор медицинских наук.

630060, Новосибирск, ул. Тимакова, 2

Elena B. Menshchikova - doctor of medical sciences.

630117, Novosibirsk, Timakov str., 2

lemen@centercem.ruФИЦ фундаментальной и трансляционной медициныРоссияFederal Research Center of Fundamental and Translational MedicineRussian FederationНовосибирский государственный педагогический университетРоссияNovosibirsk State Pedagogical UniversityRussian Federation2021160620214132531Copyright © Храпов С.Е., Кожин П.М., Храпова М.В., Серых А.Е., Ромах Л.П., Павлов В.С., Чечушков А.В., Хольшин С.В., Зенков Н.К., Меньщикова Е.Б., 20212021Храпов С.Е., Кожин П.М., Храпова М.В., Серых А.Е., Ромах Л.П., Павлов В.С., Чечушков А.В., Хольшин С.В., Зенков Н.К., Меньщикова Е.Б.Khrapov S.E., Kozhin P.M., Khrapova M.V., Serykh A.E., Romakh L.P., Pavlov V.S., Chechushkov A.V., Kholshin S.V., Zenkov N.K., Menshchikova E.B.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/598

В качестве потенциальных средств, применяемых для профилактики, лечения и поддерживающей терапии рака, а также преодоления химиорезистентности, в определенных условиях могут служить как активаторы, так и ингибиторы Nrf2-зависимого сигналинга и аутофагии. Нами разрабатывается панель структурно-родственных синтетических монофенольных соединений, помимо непосредственного антиоксидантного действия обладающих способностью воздействовать на внутриклеточные сигнальные пути и процессы, в том числе вышеуказанные. Целью настоящей работы послужило изучение зависимости между их структурой и способностью влиять на экспрессию генов аутофагии и Nrf2-опосредованных процессов.

Материал и методы. Синтезированы пять оригинальных гидрофильных фенольных соединений структурно взаимосвязанного ряда, препаратом сравнения послужил прототипический индуктор системы Keap1/Nrf2/ARE, монозамещенный фенол трет -бутилгидрохинон (tBHQ). В работе использовали культуры мышиных клеток карциномы легких Льюис (LLC) и аденокарциномы молочной железы человека MCF-7, с исследуемыми соединениями в концентрации 20 мкМ клетки инкубировали в течение 24 часов. Изменение экспрессии мРНК генов Nrf2, Nqo1, LC3b и Sqstm1, кодирующих соответственно Nrf2, NAD(P)H:хиноноксидоредуктазу-1, LC3B, p62/секвестосому-1, определяли методом TaqMan ПЦР в режиме реального времени.

Результаты и их обсуждение. Структурно-родственные синтетические монофенолы эффективно индуцировали систему Keap1/Nrf2/ARE в клетках LLC и MCF-7, увеличивая экспрессию №0-подконтрольного гена Nqo1, и неоднозначно воздействовали на транскрипцию генов белков, опосредующих аутофагию: содержание мРНК белка LC3B не изменялось, в то время как экспрессия мРНК белка p62, влияющего на работу обеих систем (процессов), увеличивалась лишь под действием орто-монозамещенного фенола с атомом «активной» серы в пара-пропильном заместителе ТС-13 и его структурного аналога ТС-12 с укороченным на одно метиленовое звено пара-заместителем. Можно предположить, что обнаруженный эффект либо свидетельствует о способности ТС-13 и ТС-12 как индуцировать систему Keap1/Nrf2/ ARE, так и стимулировать аутофагию, либо отражает опосредованную соединениями взаимно усиливающую перекрестную активацию данных процессов.

Under certain conditions, both activators and inhibitors of Nrf2-dependent signaling and autophagy can serve as potential agents for the prevention, treatment, and maintenance therapy of cancer, as well as overcoming chemoresistance. We are developing a panel of structurally related synthetic monophenolic compounds, in addition to a direct antioxidant effect, having the ability to affect intracellular signaling pathways and processes, including the above mentioned. Aim of the study was to investigate the relationship between its structure and the ability to influence the expression of autophagy and Nrf2 pathway genes.

Material and methods

Material and methods. Five original hydrophilic phenolic structurally related compounds were synthesized; the prototypical inductor of the Keap1/Nrf2/ARE system, monosubstituted phenol tert-butylhydro-quinone (tBHQ), served as a reference substance. We used cultures of murine Lewis lung carcinoma (LLC) and human breast adenocarcinoma MCF-7 cells, with the test compounds at a concentration of 20 gM cells were incubated for 24 hours. Changes in mRNA expression of Nrf2, Nqo1, LC3b, and Sqstm1 genes encoding Nrf2, NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1, LC3B, p62/sequestosome-1, respectively, were determined by TaqMan real-time PCR.

Results and discussion

Results and discussion. Structurally related synthetic monophenols effectively induced the Keap1/Nrf2/ARE system in LLC and MCF-7 cells, increasing the expression of the Nrf2-driven Nqo1 gene, and ambiguously affected the transcription of genes of proteins mediating autophagy: the content of mRNA of the LC3B protein did not change, while the expression of mRNA of the p62 protein, which affects the operation of both systems (processes), is increased only by the action of ortho-monosubstituted phenol with an «active» sulfur atom in the para-propyl substituent TS-13 and its structural analogue TS-12 with a para-substituent shortened by one methylene. It can be assumed that the observed effect either indicates the ability of TS-13 and TS-12 both to induce the Keap1/Nrf2/ARE system and to stimulate autophagy, or reflects a compound-mediated mutually reinforcing cross-activation of these processes.

антиоксидантысигнальная система Keap1/Nrf2/AREаутофагияNrf2Nqo1LC3bSqstm1antioxidantsKeap1/Nrf2/ARE signaling systemNAD(P)H:quinone oxidoreductase-1Nrf2Nqo1LC3bSqstm1Исследование выполнено по Государственному заданию в рамках бюджетной темы № АААА-А20-120013090021-1 с использованием оборудования ЦКП «Современные оптические системы»The study was carried out under the state assignment within the framework of the budget theme No. АААА-А20-120013090021-1 using the equipment from CCU «Modern optical systems»ReferencesЗенков Н.К., Кожин П.М., Чечушков А.В., Мартинович Г.Г., Кандалинцева Н.В., Меньщикова Е.Б. Лабиринты регуляции Nrf2. Биохимия. 2017; 82 (5): 757-767.Zenkov N.K., Kozhin P.M., Chechushkov A.V., Martinovich G.G., Kandalintseva N.V., Menshchiko-va E.B. Mazes of Nrf2 regulation. Biokhimiya = Biochemistry (Biochemistry (Mosc.)). 2017; 82 (5): 556-564. doi10.1134/S0006297917050030Зенков Н.К., Кожин П.М., Вчерашняя А.В., Мартинович Г.Г., Кандалинцева Н.В., Меньщикова Е.Б. Особенности редокс-регуляции в опухолевых клетках. Сиб. науч. мед. ж. 2019; 39 (2): 11-26. doi: 10.15372/SSMJ20190202Zenkov N.K., Kozhin P.M., Vcherashnyaya A.V., Martinovich G.G., Kandalintseva N.V., Menshchiko-va E.B. Features of redox regulation in tumor cells. Sibirskiy nauchnyy medtsinskiy zhurnal = Siberian Scientific Medical Journal. 2019; 39 (2): 11-26. [In Russian]. https://doi.org/10.15372/SSMJ20190202Kang J.S., Nam L.B., Yoo O.K., Keum Y.S. Molecular mechanisms and systemic targeting of NRF2 dysregulation in cancer. Biochem. Pharmacol. 2020; 177: 114002. doi: 10.1016/j.bcp.2020.114002Kang J.S., Nam L.B., Yoo O.K., Keum Y.S. Molecular mechanisms and systemic targeting of NRF2 dysregulation in cancer. Biochem. Pharmacol. 2020; 177: 114002. doi: 10.1016/j.bcp.2020.114002Taguchi K., Yamamoto M. The KEAP1-NRF2 system as a molecular target of cancer treatment. Cancers. 2020; 13 (1): 46. doi: 10.3390/cancers13010046Taguchi K., Yamamoto M. The KEAP1-NRF2 system as a molecular target of cancer treatment. Cancers. 2020; 13 (1): 46. doi: 10.3390/cancers13010046Hayashi M., Kuga A., Suzuki M., Panda H., Kitamura H., Motohashi H., Yamamoto M. Microenvironmental activation of Nrf2 restricts the progression of Nrf2-activated malignant tumors. Cancer Res. 2020; 80 (16): 3331-3344. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-19-2888Hayashi M., Kuga A., Suzuki M., Panda H., Kitamura H., Motohashi H., Yamamoto M. Microenvironmental activation of Nrf2 restricts the progression of Nrf2-activated malignant tumors. Cancer Res. 2020; 80 (16): 3331-3344. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-19-2888Verma A.K., Bharti P.S., Rafat S., Bhatt D., Goyal Y., Pandey K.K., Ranjan S., Almatroodi S.A., Alsahli M.A., Rahmani A.H., Almatroudi A., Dev K. Autophagy paradox of cancer: Role, regulation, and duality. Oxid. Med. Cell. Longev. 2021; 2021: 8832541. doi: 10.1155/2021/8832541Verma A.K., Bharti P.S., Rafat S., Bhatt D., Goyal Y., Pandey K.K., Ranjan S., Almatroodi S.A., Alsahli M.A., Rahmani A.H., Almatroudi A., Dev K. Autophagy paradox of cancer: Role, regulation, and duality. Oxid. Med. Cell. Longev. 2021; 2021: 8832541. doi: 10.1155/2021/8832541Emanuele S., Lauricella M., D’Anneo A., Carlisi D., de Blasio A., di Liberto D., Giuliano M. p62: friend or foe? Evidences for oncoJanus and neuroJanus roles. Int. J. Mol. Sci. 2020; 21 (14): 5029. doi: 10.3390/ijms21145029Emanuele S., Lauricella M., D’Anneo A., Carlisi D., de Blasio A., di Liberto D., Giuliano M. p62: friend or foe? Evidences for oncoJanus and neuroJanus roles. Int. J. Mol. Sci. 2020; 21 (14): 5029. doi: 10.3390/ijms21145029Marinkovic M., Sprung M., Buljubasic M., Novak I. Autophagy modulation in cancer: Current knowledge on action and therapy. Oxid. Med. Cell. Longev. 2018; 2018: 1-18. doi: 10.1155/2018/8023821Marinkovic M., Sprung M., Buljubasic M., Novak I. Autophagy modulation in cancer: Current knowledge on action and therapy. Oxid. Med. Cell. Longev. 2018; 2018: 1-18. doi: 10.1155/2018/8023821Ichimura Y., Komatsu M. Activation of p62/ SQSTM1-Keap1-Nuclear Factor Erythroid 2-Related Factor 2 pathway in cancer. Front. Oncol. 2018; 8: 210. doi: 10.3389/fonc.2018.00210Ichimura Y., Komatsu M. Activation of p62/ SQSTM1-Keap1-Nuclear Factor Erythroid 2-Related Factor 2 pathway in cancer. Front. Oncol. 2018; 8: 210. doi: 10.3389/fonc.2018.00210Takamura A., Komatsu M., Hara T., Sakamoto A., Kishi C., Waguri S., Eishi Y., Hino O., Tanaka K., Mizushima N. Autophagy-deficient mice develop multiple liver tumors. Genes Dev. 2011; 25 (8): 795-800. doi: 10.1101/gad.2016211Takamura A., Komatsu M., Hara T., Sakamoto A., Kishi C., Waguri S., Eishi Y., Hino O., Tanaka K., Mizushima N. Autophagy-deficient mice develop multiple liver tumors. Genes Dev. 2011; 25 (8): 795-800. doi: 10.1101/gad.2016211Desantis V., Saltarella I., Lamanuzzi A., Marig-gio M.A., Racanelli V, Vacca A., Frassanito M.A. Au-tophagy: A new mechanism of prosurvival and drug resistance in multiple myeloma. Transl. Oncol. 2018; 11 (6): 1350-1357. doi: 10.1016/j.tranon.2018.08.014Desantis V., Saltarella I., Lamanuzzi A., Marig-gio M.A., Racanelli V, Vacca A., Frassanito M.A. Au-tophagy: A new mechanism of prosurvival and drug resistance in multiple myeloma. Transl. Oncol. 2018; 11 (6): 1350-1357. doi: 10.1016/j.tranon.2018.08.014Гайнутдинов 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. ж. 2018; 38 (1): 22-31. doi: 10.15372/SSMJ20180104Gaynutdinov 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]. https://doi.org/10.15372/SSMJ20180104Menshchikova 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 Tissue Biol. 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 Tissue Biol. 2019; 13 (2): 85-92. doi: 10.1134/S1990519X1902007XОлейник 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. АН. Сер. хим. 2007; (6): 1094-1101.Oleinik A.S., Kuprina T.S., Pevneva N.Yu., Markov A.F., Kandalintseva N.V., Prosenko A.E., Grigoriev I.A. Synthesis and antioxidant properties of sodium S-[3-(hydroxyaryl) propyl] thiosulfates and [3-(hydroxyaryl) propane]-1-sulfonates. Izvestiya Ak-ademii nauk. Seriya khimicheskaya = Bulletin of the Russian Academy of Sciences, Division of Chemical Science. 2007; (6): 1094-1101. [In Russian].Heid C.A., Stevens J., Livak K.J., Williams P.M. Real time quantitative PCR. Genome Res. 1996; 6 (10): 986-994. doi: 10.1101/gr.6.10.986Heid C.A., Stevens J., Livak K.J., Williams P.M. Real time quantitative PCR. Genome Res. 1996; 6 (10): 986-994. doi: 10.1101/gr.6.10.986Gureev A.P., Sadovnikova I.S., Starkov N.N., Starkov A.A., Popov V.N. p62-Nrf2-p62 mitophagy regulatory loop as a target for preventive therapy of neurodegenerative diseases. Brain Sci. 2020; 10 (11): 847. doi: 10.3390/brainsci10110847Gureev A.P., Sadovnikova I.S., Starkov N.N., Starkov A.A., Popov V.N. p62-Nrf2-p62 mitophagy regulatory loop as a target for preventive therapy of neurodegenerative diseases. Brain Sci. 2020; 10 (11): 847. doi: 10.3390/brainsci10110847

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