INDUCTORES DE NRF2EN LA ENFERMEDAD DE ALZHEIMER147.96.70.122/Web/TFG/TFG/Poster/LUCIA ABEAL...

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INDUCTORES DE NRF2 EN LA ENFERMEDAD DE ALZHEIMER Lucía Abeal Navarro. Tutor : Rafael León Martínez Facultad de Farmacia, Universidad Complutense de Madrid. Junio 2020 INTRODUCCIÓN La enfermedad de Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa del sistema nervioso central que actualmente supone la principal causa de demencia en personas mayores de 65 años. Se caracteriza por un conjunto de alteraciones cognitivas y neuropsiquiátricas que interfieren en la capacidad para pensar, recordar o razonar hasta el punto de interferir con la vida y las actividades diarias. . De momento, los tratamientos existentes para la enfermedad son limitados y se utilizan para proporcionar alivio sintomático, sin frenar el progreso de la enfermedad. Actualmente se desconoce la etiología de la EA, aunque se han propuesto diferentes hipótesis, entre las que destacan la perdida neuronal, la cascada amiloidea y la hiperfosforilación de la proteína tau pero además existen otras alteraciones histopatológicas como el daño oxidativo o la neuroinflamación que confirman la complejidad de esta enfermedad. Nrf2 (factor nuclear eritroide-2) pertenece a la familia de factores de transcripción con estructura de tipo cremallera básica de leucina (bZIP: basic región leucine zipper). Regula la expresión de genes precedidos por secuencias ARE ( elementos de respuesta antioxidante) estando implicado en proceso de respuesta antioxidantes y de inflamación. REGULACIÓN NRF2 OBJETIVOS METODOLOGÍA RESULTADOS Y DISCUSIÓN CONCLUSIÓN BIBLIOGRAFÍA Conocer y analizar Nrf2 como potencial diana terapéutica en la EA, su estructura y los mecanismos de regulación de la misma Recopilar y describir detalladamente los diferentes inductores de Nrf2 desde una perspectiva actual Revisión bibliográfica utilizando las bases de datos como NCBI-Pubmed, Neurología y SciFinder-Chemical. Además se realizó una búsqueda de ensayos clínicos en la página web “clinicaltrials.gov”. El programa Chemdraw fue utilizado para representar estructuras químicas. INDUCTORES NRF2 Modificadores de Keap1 Estructura CD (µM) ELECTRÓFILOS Ésteres de ácido fumárico Dimetilfumarato (DMF) Mecanismo de acción : modifican covalentemente Keap1 a través de la formación de aductos con C151 + activación de Nrf2 independiente de Keap1 Uso clínico : DMF exhibió un perfil favorable de seguridad y tolerabilidad 10 Compuestos polifenólicos Curcumina Resveratrol Galato de epigalocatequina. Extractos de Rosmarinus officinalis Uno de los inductores de Nrf2 polifenólicos más estudiados para el tratamiento de la EA es la curcumina: Mecanismo de acción : grupos carbonilo α,β-insaturados, capaces de reaccionar con nucleófilos como los grupos tiol de las cisteínas presentes en keap1 Uso clínico : limitados debido a su escasa biodisponibilidad por vía oral 2,7 Sulforafano (SFN) Mecanismo de acción : isotiocianato con potente carácter electrófilo Inestable a temperatura ambiente, mejora con encapsulación en ciclodextrina Híbrido de SFN y melatonina ITH12674 0,2 Triterpenoides Mecanismo de acción : grupos carbonilo α,β-insaturados reaccionan mediante adición de Michael con los grupos tiol presentes en residuos de cisteína de Keap1 Todavía no existen estudios clínicos con triterpenoides en la EA. 0,0033 Independiente de Keap1 Inhibidor GSK-3 Actividad excesiva en EA Regulación de Nrf2 a través de la fosforilación de residuos de Ser, lo que lleva a su degradación independiente de Keap1 Compuestos multidiana Capaces de inhibir GSK-3 e inducir Nrf2 9,37 Kelch domain Electrophiles PPI IVR BTB C613 C151 C151 C613 2 C288 C273 C226 C288 C273 C226 El daño oxidativo y la neuroinflamación da lugar al desarrollo de patologías severas como la EA. La inducción de Nrf2 es una estrategia interesante como diana terapéutica y/o preventiva. Los compuestos más estudiados son 1, 2 y sus derivados para una mejora de la biodisponibilidad. A pesar de los buenos resultados y aunque muchos de los compuestos ya presentan estudios clínicos, actualmente ninguno de estos compuestos se ha aprobado para la EA. 1. Fao, L.; Mota, S.I.; Rego, A.C. Shaping the Nrf2-ARE-related pathways in Alzheimer´s and Parkinson´s diseases. Ageing Res. Rev. 2019, 54, 100942. 2. Buendia, I.; Michalska, P.; Navarro, E.; Gameiro, I.; Egea, J.; León, R. Nrf2-ARE pathway: an emerging target against oxidative stress and neuroinflammation in neurodegenerative diseases. Pharmacol. Therapeut. 2016, 157, 84-104. 3. Cuadrado, A.; Rojo, A.I.; Wells, G.; Hayes, J.D.; Cousin, S.P.; Rumsey, W.L. et al. Therapeutic targeting of the Nrf2 and Keap1 partnership in chronic diseases. Nat. Rev. Drug Discov. 2019, 18(4), 295-317. Nrf2 HS HS HS SH SH SH Ub Proteasome Degradation A) Normal conditions Keap1 dimer Proteasome 26S Nrf2 Ub Cul3 BTB BTB Nrf2 HS HS HS SH SH SH Ub CuI3 BTB BTB B) Oxidative conditions Nrf2 S HS HS SH SH BTB BTB Nrf2 HS HS HS SH SH SH BTB BTB STRESORS Electrophiles ROS Heavy metals Direct Nrf2-Keap1 inhibitors R Hinge and latch mechanism D) Chronic inflammation GSK3β Fyn Nrf2 P CuI3 KEAP1 La proteína Keap1 es el principal represor de Nrf2, que actúa como sensor de estrés oxidativo en el interior de la célula.

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Page 1: INDUCTORES DE NRF2EN LA ENFERMEDAD DE ALZHEIMER147.96.70.122/Web/TFG/TFG/Poster/LUCIA ABEAL NAVARRO.pdfits activation by the unfolded protein response 42,43 and its ability to regulate

INDUCTORES DE NRF2 EN LA ENFERMEDAD DE ALZHEIMERLucía Abeal Navarro. Tutor : Rafael León Martínez Facultad de Farmacia, Universidad Complutense de Madrid. Junio 2020

INTRODUCCIÓNLa enfermedad de Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa del sistema nerviosocentral que actualmente supone la principal causa de demencia en personas mayores de 65 años. Secaracteriza por un conjunto de alteraciones cognitivas y neuropsiquiátricas que interfieren en lacapacidad para pensar, recordar o razonar hasta el punto de interferir con la vida y las actividadesdiarias.. De momento, los tratamientos existentes para la enfermedad son limitados y se utilizan paraproporcionar alivio sintomático, sin frenar el progreso de la enfermedad.

Actualmente se desconoce la etiología de la EA, aunque se han propuesto diferentes hipótesis, entrelas que destacan la perdida neuronal, la cascada amiloidea y la hiperfosforilación de la proteína taupero además existen otras alteraciones histopatológicas como el daño oxidativo o laneuroinflamación que confirman la complejidad de esta enfermedad.

Nrf2 (factor nuclear eritroide-2) pertenece a la familia de factores de transcripción con estructura detipo cremallera básica de leucina (bZIP: basic región leucine zipper). Regula la expresión de genesprecedidos por secuencias ARE ( elementos de respuesta antioxidante) estando implicado en procesode respuesta antioxidantes y de inflamación.

REGULACIÓN NRF2

OBJETIVOS

METODOLOGÍA

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

CONCLUSIÓN BIBLIOGRAFÍA

• Conocer y analizar Nrf2 como potencial diana terapéuticaen la EA, su estructura y los mecanismos de regulación dela misma

• Recopilar y describir detalladamente los diferentesinductores de Nrf2 desde una perspectiva actual

•Revisión bibliográfica utilizando las bases de datos como NCBI-Pubmed, Neurología y SciFinder-Chemical. Además se realizó una búsqueda de ensayos clínicos en la página web “clinicaltrials.gov”.• El programa Chemdraw fue utilizado para representar estructuras químicas.

INDUCTORES NRF2Modificadores de Keap1 Estructura CD (µM)

ELEC

TRÓ

FILO

S

Ésteres de ácido fumáricoDimetilfumarato (DMF)

• Mecanismo de acción : modifican covalentemente Keap1 a través de laformación de aductos con C151 + activación de Nrf2 independiente de Keap1

• Uso clínico : DMF exhibió un perfil favorable de seguridad y tolerabilidad

10

Compuestos polifenólicos CurcuminaResveratrolGalato de

epigalocatequina. Extractos de Rosmarinus

officinalis

Uno de los inductores de Nrf2 polifenólicos más estudiados para el tratamiento dela EA es la curcumina:• Mecanismo de acción : grupos carbonilo α,β-insaturados, capaces de

reaccionar con nucleófilos como los grupos tiol de las cisteínas presentes enkeap1

• Uso clínico : limitados debido a su escasa biodisponibilidad por vía oral

2,7

Sulforafano (SFN)• Mecanismo de acción : isotiocianato con potente carácter electrófilo• Inestable a temperatura ambiente, mejora con encapsulación en ciclodextrina• Híbrido de SFN y melatonina ITH12674

0,2

Triterpenoides

• Mecanismo de acción : grupos carbonilo α,β-insaturados reaccionan medianteadición de Michael con los grupos tiol presentes en residuos de cisteína deKeap1

• Todavía no existen estudios clínicos con triterpenoides en la EA.

0,0033

Independiente de Keap1

Inhibidor GSK-3𝛽• Actividad excesiva en EA• Regulación de Nrf2 a través de la fosforilación de residuos de Ser, lo que lleva

a su degradación independiente de Keap1

Compuestos multidianaCapaces de inhibir GSK-3𝛽 e inducir Nrf2

9,37

and sulfiredoxin, are all regulated by NRF2 and pro-vide compartmentalized sensing and signal transduc-tion of regional production of reactive oxygen species (ROS; that is, hydrogen peroxide (H2O2), the hydroxyl radical and the superoxide radical)27–29. In addition to these direct effects on redox status, NRF2 regulates genes encoding enzymes that prevent quinones from participating in redox cycling reactions and glutathione depletion (by NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 (NQO1)) or that are involved in the indirect production of bilirubin (haem oxygenase 1 (HMOX1) and biliverdin reductase (BVR)), which is the most potent nonpolar physiological antioxidant30. Finally, through crosstalk with the pentose phosphate pathway and glycolysis, NRF2 affects intermediary metabolism and increases the availability of substrates and reducing equivalents for the mitochondrial respiratory chain31 as well as for maintaining integrity of mitochondrial DNA (mtDNA)32.

NRF2 participates in the clearance of oxidized, or oth-erwise damaged, proteins and organelles during redox alterations or nutritional starvation. Thus, the autophagy transporter ubiquitin- binding protein p62 (encoded by SQSTM1), which interacts with ubiquitylated cargo via its ubiquitin association (UBA) domain and recruits them into the autophagosome via its LC3-interacting motif, is an NRF2 transcriptional target33,34. In addition, KEAP1 binds to p62 (REFS33,35), and a recent study has found that KEAP1–CULLIN 3 (CUL3) ubiquitylates p62 at K420 within its UBA domain, thereby facilitating the seques-tration activity of p62 (REF.36). Within its primary struc-ture, p62 contains an ETGE- like motif, STGE, which upon phosphorylation by mTORC1 generates the recog-nition site for docking to KEAP1 (REF.37). Then, KEAP1 is transported to the autophagosome for degradation, thus allowing accumulation of NRF2 (REF.38). Moreover, sev-eral autophagy genes appear to contain ARE sequences

in their promoter regions, and it has been reported that NRF2 activates both chaperone- mediated autophagy39 and macroautophagy40,41. Other roles of NRF2 in proteo-stasis under oxidative conditions are demonstrated by its activation by the unfolded protein response42,43 and its ability to regulate proteasome subunit expression44,45.

At least in brain and blood, the abundance of mRNA encoding NRF2 is higher than that for KEAP1 (FIG. 2); by contrast, the half- life of the KEAP1 protein is longer than that of NRF2 (TABLE 2). These observations highlight the different turnover rates of the two proteins — slow for KEAP1 and fast for NRF2. Moreover, although NRF2 and KEAP1 are ubiquitously expressed, specific cell types are predominantly in charge of homeostatic adaptations and present different levels of expression (FIG. 2). Thus, mono-cytes and neutrophils exhibit the highest levels of NRF2 among blood cells, suggesting an immunomodulatory effect of the innate immune system (see below). In the brain, crosstalk between astrocytes and neurons couples intermediate metabolism with redox homeostasis, at least in part through NRF2 (REF.46). Moreover, glutamatergic neurotransmission in neurons leads to production of ROS that are controlled by the neuronal GSH pool. When this pool is low, neighbouring astrocytes contribute to its res-toration by providing neurons with the GSH precursors glycine, glutamate/glutamine and cysteine47. Not surpris-ingly, NRF2 levels are high in astrocytes (FIG. 2). Moreover, microglia as part of the monocyte lineage express high levels of NRF2 compared with neurons.

Resolution of inflammation. NRF2 is abundant in mono-cytes and granulocytes (FIG. 2), suggesting its involvement in immune responses driven by these cell types. NRF2-knockout mice are hypersensitive to septic shock48 and display persistent inflammation during wound heal-ing49,50, whereas genetic or pharmacological activation

Thio

l mod

ifica

tions

in se

nsiti

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ns

Electrophilicity with increasingredox potential

Cytotoxic

Cytoprotective

No effect

ba

Kelc

h do

mai

n

Elec

trop

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sPP

I

IVR

BTB

KEAP1

C613

C151C151

C613

NRF2NH2

31 82

COOH29 79

KEAP1C288

C273C226

C288C273

C226

DLG ETGE

Fig. 1 | Regulation of NRF2 by KEAP1 and its pharmacological targeting. a | Representation of a single- particle electron microscopy image of the Kelch- like ECH- associated protein 1 (KEAP1) dimer (grey surface)13 with the crystal structures of the BTB domain (red ribbons; Protein Data Bank identifier: 5NLB) and Kelch- repeat domains (green ribbons; PDB ID: 1ZGK)241 inserted for illustrative purposes. The reactive cysteines C151 and C613 are shown as blue spheres. The precise positions of C226, C278 and C288 are not known, but they are all located in the intervening region (IVR) domain of KEAP1. The KEAP1 homodimer binds to transcription factor NF- E2 p45-related factor 2 (NRF2) at two motifs with low affinity (29-DLG-31) and high affinity (79-ETGE-82) and targets this transcription factor for ubiquitylation and proteasomal degradation. Current strategies to disrupt this interaction include electrophiles that chemically modify sulfhydryl groups of at least cysteines C151, C273 and C288 in KEAP1 and protein–protein interaction inhibitors that alter the docking of NRF2 to KEAP1. b | Electrophiles modify cysteine residues in sensitive proteins. Because KEAP1 is very sensitive to thiol reaction, electrophilic compounds easily induce KEAP1 modification. The window that allows therapeutic KEAP1 modification in the absence of nonspecific thiol modifications within other proteins is represented in the pink area. COOH, carboxy- terminal domain; NH2, amino- terminal domain.

AutophagosomeA spherical double- layer membrane structure within the cell. The autophagosome is the key structure in macroautophagy, a type of intracellular degradation process.

NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY

R E V I E W S

• El daño oxidativo y la neuroinflamación da lugar al desarrollo depatologías severas como la EA. La inducción de Nrf2 es una estrategiainteresante como diana terapéutica y/o preventiva.

• Los compuestos más estudiados son 1, 2 y sus derivados para unamejora de la biodisponibilidad. A pesar de los buenos resultados yaunque muchos de los compuestos ya presentan estudios clínicos,actualmente ninguno de estos compuestos se ha aprobado para la EA.

1. Fao,L.;Mota,S.I.;Rego,A.C.ShapingtheNrf2-ARE-relatedpathwaysinAlzheimer´sandParkinson´sdiseases.AgeingRes.Rev.2019,54,100942.

2. Buendia,I.;Michalska,P.;Navarro,E.;Gameiro,I.;Egea,J.;León,R.Nrf2-AREpathway:anemergingtargetagainstoxidativestressandneuroinflammationinneurodegenerativediseases.Pharmacol.Therapeut.2016,157,84-104.

3. Cuadrado,A.;Rojo,A.I.;Wells,G.;Hayes,J.D.;Cousin,S.P.;Rumsey,W.L.etal.TherapeutictargetingoftheNrf2andKeap1partnershipinchronicdiseases.Nat.Rev.DrugDiscov. 2019,18(4),295-317.

cells. It is regulated by the transcription factor Nrf2, a member of thecap‘n’collar family of basic region-leucine zipper transcription factors.Nrf2 is responsible for both, constitutive and inducible expression ofEpRE-regulated genes, such as NAD(P)H quinone oxidoreductase-1(NQO1), heme oxygenase-1 (HO-1), thioredoxins (Trxs), glutathioneS-transferase (GST), microsomal GSTs (mGST1 and mGST2), γ-glutamylcysteine synthetase (γ-GCS) modifier subunit (GCLm) andcatalytic subunit (GCLc), glutathione reductase (GR), superoxidedismutase-1 (SOD1), glutathione peroxidase (GPx) and other phaseI, II, and III enzymes that conjugate drug metabolites or xenobiotics(Thimmulappa et al., 2002).

Under normal conditions, the Nrf2–EpRE system keeps the Nrf2protein at low levels. This is achieved by constitutive synthesis and deg-radation of Nrf2. The repressor protein Kelch-like ECH-associatedprotein-1 (Keap1), which is mainly present in the cytoplasm, tightly

regulates this process. Keap1 binds to an E3 ubiquitin ligase complex(Rbx-1) via cullin-3, a protein adaptor (Kobayashi et al., 2004). Thiscomplex promotes Nrf2 ubiquitination and 26S proteasome degrada-tion (Fig. 1A) (Dhakshinamoorthy & Jaiswal, 2001).

Keap1 is an excellent redox sensor of xenobiotics and oxidativestress inside the cells. It has three cysteine residues (Cys151, Cys273and Cys288), which are crucial for Keap1-dependent ubiquitination ofNrf2 (Zhang & Hannink, 2003). Under cellular stress, like ROS or envi-ronmental chemicals, oxidative/electrophilicmoleculesmodify cysteineresidues of Keap1. Thesemodifications result in conformational changesof Keap1 to release Nrf2. As result, the Cullin3/Rbx1-dependent poly-ubiquitination of Nrf2 assisted by Keap1 is blocked, Nrf2 is liberatedand rapidly translocates into the nucleus. Once in the nucleus, Nrf2heterodimerizes with small MAF or JUN proteins and the complexbinds to a cis acting element present in the promoter of its target

Nrf2

HS

HS

HS

SH

SH

SH

Ub

Proteasome Degradation

EpRE

Maf

Gene transcription

A) Normal conditions

Phase II Antioxidant genes- Direct antioxidant enzymes: HO-1- Glutation homeostasis: GCLc, GCLm- Detoxifiying enzymes: GST, NQO1- Thiol homeostasis: Txn, TrxR1, Srx1- Inhibition of inflammation: HO-1

Keap1

dimer

Proteasome 26S

Nrf2Ub

Cul3

BTB BTB

Nrf2

HS

HS

HS

SH

SH

SH

Ub

CuI3

BTB BTB

B) Oxidative conditions

Nrf2

S

HS

HS

SH

SH

BTB BTB

Nrf2

HS

HS

HS

SH

SH

SH

BTB BTB

C) Receptor modulation

STRESORS

Electrophiles

ROS

Heavy metals

Direct

Nrf2-Keap1

inhibitors

R

Hinge and latch mechanism

D) Chronic inflammation

AKT

P38

GSK3β

HDAC

Fyn Nrf2P

CuI3

nAChR- α7 MT 1/2 recptors

PI3K

Jak2

GSK3β

Nrf2

Nrf2

Nrf2

ERK

Prolongedinflammation

Fig. 1. Summary of the activation/regulation processes of the Nrf2–EpRE pathway. A) Under normal conditions, Nrf2 is sequestered in the cytosol by the repressor protein Keap1. Keap1facilitates Nrf2 ubiquitination by Cul3 leading to degradation through the 26S proteasome pathway. B) Under oxidative stress conditions, electrophiles or ROS/RNS might react withcysteines present at Keap1, inducing a conformational change that liberates Nrf2, therefore abolishing its degradation (hinge and latch mechanism). Nrf2 can also be liberated by directinhibition of the interaction Nrf2–Keap1 by small molecules. Thereafter, Nrf2 translocates into the nucleus and subsequently binds to the EpRE elements, forming heterodimerswith smallMaf protein and starting the transcription of phase II genes. C) nAChR-mediated activation of Nrf2–EpRE pathway. nAChR activation leads to the activation of PI3K that leads to theactivation of Akt, a kinase that is able to phosphorylate GSK3β, thus inhibiting its action. GSK3β act as a negative regulator of Nrf2 by several mechanisms. The first one is the directphosphorylation of Nrf2 to directly induce its degradation, thus by inhibiting GSK3β, Nrf2 translocates into the nucleus to induce the EpRE sequences. Nrf2 can also be activated byERK that is also activated by nAChR signalling. D) Under chronic inflammation conditions many kinases are continuously activated as the case of GSK3β and P38. In these conditions,GSK3β directly activates Fyn that, in turn, phosphorylates Nrf2, that is then excluded from the nucleus, stopping the expression of phase II genes.

86 I. Buendia et al. / Pharmacology & Therapeutics 157 (2016) 84–104

KEAP1

La proteína Keap1 es el principalrepresor de Nrf2, que actúa comosensor de estrés oxidativo en elinterior de la célula.