小分子脱氧尼博醌触发Keap1 Kelch结构域Cys489的烷基化和泛素化,激活Nrf2并用于炎症治疗

Small molecule deoxynyboquinone triggers alkylation and ubiquitination of Keap1 at Cys489 on Kelch domain for Nrf2 activation and inflammatory therapy.

作者信息Ke-Gang Linghu, Tian Zhang, Guang-Tao Zhang, Peng Lv, Wen-Jun Zhang, Guan-Ding Zhao, Shi-Hang Xiong, Qiu-Shuo Ma, Ming-Ming Zhao, Meiwan Chen, Yuan-Jia Hu, Chang-Sheng Zhang, Hua Yu
PMID38618249
发布时间2024-03
DOI10.1016/j.jpha.2023.07.009

实验完整度

研究包含体外细胞实验、体内小鼠模型、分子机制验证(突变体、Co-IP、泛素化分析)及靶点鉴定(LC-MS/MS),多个证据层级相互验证。

主要模型

RAW264.7巨噬细胞 BV2小胶质细胞 THP-1巨噬细胞 LPS诱导的急性炎症小鼠模型

重点核对

DNQ浓度(0.06–1 μM)及处理时间(6–12 h) LPS刺激浓度(2 mg/kg)及处理时间(4 h) Keap1 Cys489位点突变 Nrf2 shRNA敲低效率 DNQ给药途径(静脉注射)及剂量(0.25–2 mg/kg)

摘要

通过Kelch样ECH相关蛋白1(Keap1)烷基化激活核因子红细胞2相关因子2(Nrf2)在抗炎治疗中发挥核心作用。然而,通过烷基化Keap1-Kelch结构域激活Nrf2的激活剂尚未被发现。脱氧尼博醌(DNQ)是一种从海洋放线菌中发现的新型天然小分子。本研究旨在探究DNQ通过烷基化Keap1的抗炎作用及分子机制。DNQ在体内外均表现出显著的抗炎特性。通过DNQ与N-乙酰半胱氨酸的化学反应,确定DNQ抗炎活性的药效团为α,β-不饱和酰胺部分。DNQ通过激活Nrf2/ARE通路发挥抗炎作用。Keap1被证明是DNQ的直接靶点,并通过涉及烷基化的共轭加成反应与DNQ结合。通过合成的探针结合液相色谱-串联质谱法阐明了DNQ在Keap1上激活Nrf2的特定烷基化位点。DNQ通过烷基化Keap1-Kelch结构域上的半胱氨酸残基489(Cys489),触发Keap1的泛素化及随后的降解,最终使得Nrf2激活。我们的研究结果表明,DNQ通过α,β-不饱和酰胺活性基团特异性地激活Nrf2信号通路,该通路通过烷基化/泛素化Keap1-Kelch结构域发挥作用,从而展现出强效的抗炎能力,提示靶向Keap1-Kelch结构域Cys489的DNQ样小分子在炎症治疗中的潜在价值。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
DNQ是否通过烷基化Keap1-Kelch结构域的Cys489激活Nrf2,从而发挥抗炎作用?
核心机制
DNQ通过其α,β-不饱和酰胺部分与Keap1-Kelch结构域Cys489共价结合,导致Keap1与Nrf2解离并促进Keap1泛素化降解,从而激活Nrf2信号通路,上调HO-1等下游抗炎基因。
主要证据
体内外实验显示DNQ抑制LPS诱导的炎症;LC-MS/MS鉴定Cys489为烷基化位点;突变体实验证实Cys489不可或缺;Co-IP和泛素化实验证实DNQ破坏Keap1-Nrf2复合物并促进Keap1泛素化。
研究意义
本研究首次证明亲电体烷基化Keap1-Kelch结构域可触发Keap1泛素化并激活Nrf2,提示靶向Keap1 Cys489的DNQ样小分子在炎症治疗中具有潜在价值。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

体外抗炎活性评估

评估DNQ在LPS刺激的巨噬细胞中的抗炎作用

用不同浓度DNQ预处理RAW264.7、BV2和THP-1细胞,再用LPS刺激,检测炎症基因表达、NO释放、细胞因子分泌等。

2

药效团鉴定

鉴定DNQ抗炎活性的关键化学结构

通过DNQ与NAC反应,利用UPLC和NMR鉴定反应产物,并测试其抗炎活性。

3

Nrf2/ARE通路激活验证

验证DNQ是否通过激活Nrf2/ARE通路发挥抗炎作用

检测Nrf2核转位、ARE报告基因活性、下游基因表达及蛋白水平变化,并使用Nrf2 shRNA敲低进行功能验证。

4

靶点鉴定

确认DNQ直接靶向Keap1并确定结合位点

使用等温滴定量热法、细胞热位移分析、DNQ-L探针pulldown和LC-MS/MS鉴定DNQ与Keap1的结合及修饰位点。

5

关键位点功能验证

验证Cys489对DNQ激活Nrf2和抗炎作用的必要性

构建Keap1半胱氨酸突变体,检测DNQ与突变蛋白的结合、Nrf2激活及炎症相关基因表达。

6

机制解析:Keap1-Nrf2解离与泛素化

阐明DNQ烷基化Cys489后如何导致Keap1降解和Nrf2释放

通过Co-IP检测DNQ对Keap1-Nrf2相互作用的影响,使用MG132处理检测Keap1和Nrf2的泛素化水平。

7

体内抗炎效果评估

评估DNQ在LPS诱导的急性炎症小鼠模型中的治疗效果

给予小鼠不同剂量DNQ,然后腹腔注射LPS,检测体温、脾指数和血清细胞因子水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
RPMI-1640培养基Thermo Fisher Scientific--
DMEM培养基Thermo Fisher Scientific--
DMEM/F12培养基----
胎牛血清Thermo Fisher Scientific--
青霉素-链霉素Thermo Fisher Scientific--
脂多糖Sigma-Aldrich--
脱氧尼博醌文中未明确说明--
噻唑蓝Sigma-Aldrich--
LDH细胞毒性检测试剂盒Thermo Fisher Scientific88953
DAPIBeyotime--
抗Nrf2抗体Proteintech16396-1-AP
抗HO-1抗体Proteintech10701-1-AP
抗Keap1抗体Proteintech10503-2-AP
抗GCLM抗体Proteintech14241-1-AP
抗Nrf2抗体Proteintech16396-1-AP
抗泛素抗体Proteintech10201-2-AP
抗Flag抗体Proteintech66008-4-Ig
抗iNOS抗体Cell Signaling Technology13120
抗NLRP3抗体Cell Signaling Technology15101
抗Myc标签抗体Cell Signaling Technology2276
抗β-肌动蛋白抗体Cohesion BiosciencesCPA1009
TRIzol试剂Thermo Fisher Scientific--
PrimeScript逆转录试剂盒TakaraRR047A
TB Green预混Ex TaqTakaraRR420A
ARE报告基因试剂盒BioScience60514
双荧光素酶报告基因检测系统PromegaE1910
RIPA裂解液Beyotime--
蛋白酶抑制剂混合物Thermo Fisher Scientific--
Pierce BCA蛋白定量试剂盒Thermo Fisher Scientific--
Lipofectamine 3000转染试剂Thermo Fisher Scientific--
Opti-MEM I减血清培养基Thermo Fisher Scientific--
质粒提取试剂盒QIAGEN12163
生物素-PEG3-叠氮化物GreenChem--
亲和素琼脂糖Thermo Fisher Scientific--
DNQ-Linker探针文中未明确说明--
二甲基亚砜Sigma-Aldrich--
聚乙二醇400----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
体外抗炎实验
细胞类型(RAW264.7、BV2、THP-1等)、DNQ浓度(0.06–1 μM)、LPS浓度(常为1 μg/mL或未明确)、处理时间(12 h)
阅读提示:Materials and methods 2.2, 2.3, 2.5, 2.6, 2.7;Figure legends 1
药效团鉴定
NAC浓度(500 μM)、DNQ浓度(177.5 ng/mL)、反应时间(6 h或12 h)、培养基成分
阅读提示:Materials and methods 2.17;Figure legend 3
Nrf2/ARE通路验证
ARE报告基因实验中的细胞密度、转染量、DNQ处理时间(24 h)、下游基因检测时间(6 h)
阅读提示:Materials and methods 2.11;Figure legend 4
靶点鉴定
DNQ-L探针浓度(2 μM)、click chemistry反应条件、LC-MS/MS方法(蛋白酶、孵育条件)
阅读提示:Materials and methods 2.18, 2.19;Supplementary Methods 2-4
关键位点验证
Keap1突变体(C257A、C288A、C297A、C489A)、DNQ浓度(1 μM)、处理时间(6 h)
阅读提示:Materials and methods 2.14, 2.16;Figure legend 8
机制解析
DNQ浓度(1 μM)、MG132浓度(10 mM或5 μM)、处理时间(DNQ 12 h,MG132 4-5 h)、细胞系(RAW264.7、HEK293T)
阅读提示:Materials and methods 2.16;Figure legend 9
体内实验
小鼠品系(C57/BL6雄性,7-8周龄)、DNQ剂量(0.25、0.5、1、2 mg/kg)、给药途径(静脉注射或腹腔注射)、LPS剂量(2 mg/kg)、刺激时间(4 h)
阅读提示:Materials and methods 2.20;Figure legend 2