Abstract Nrf2 (nuclear factor E2-related factor 2, encoded by Nfe2l2 ) acts as a master transcriptional regulator in mediating antioxidant, detoxification and cytoprotective responses against oxidative, electrophilic and metabolic stress, but also plays a crucial role in cancer metabolism and multiple oncogenic pathways, whereas the redox sensor Keap1 functions as a predominant inhibitor of Nrf2 and hence changes in its expression abundance directly affect the Nrf2 stability and transcriptional activity. However, nuanced functional isoforms of Keap1α and β have rarely been identified to date. Herein, we have established four distinct cell models stably expressing Keap1 -/- , Keap1β ( Keap1 Δ1-31 ), Keap1-Restored and Keap1α-Restored , aiming to gain a better understanding of similarities and differences of two Keap1 isoforms between their distinct regulatory profiles. Our experimental evidence revealed that although Keap1 and its isoforms are still localized in the cytoplasmic compartments, they elicited differential inhibitory effects on Nrf2 and its target HO-1. Furtherly, transcriptome sequencing unraveled that they possess similar but different functions. Such functions were further determined by multiple experiments in vivo (i.e. subcutaneous tumour formation in nude mice) and in vitro (e.g., cell cloning, infection, migration, wound healing, cell cycle, apoptosis, CAT enzymatic activity and intracellular GSH levels). Of note, the results obtained from tumorigenesis experiments in xenograft model mice were verified based on the prominent changes in the PTEN signaling to the PI3K-AKT-mTOR pathways, in addition to substantially aberrant expression patterns of those typical genes involved in the EMT (epithelial-mesenchymal transition), cell cycle and apoptosis.

Abstract Since Nrf1 and Nrf2 are essential for regulating the lipid metabolism pathways, their dysregulation has thus been shown to be critically involved in the non-controllable inflammatory transformation into cancer. Herein, we have explored the molecular mechanisms underlying their distinct regulation of lipid metabolism, by comparatively analyzing the changes in those lipid metabolism-related genes in Nrf1α –/– and/or Nrf2 –/– cell lines relative to wild-type controls. The results revealed that loss of Nrf1α leads to lipid metabolism disorders. That is, its lipid synthesis pathway was up-regulated by the JNK-Nrf2-AP1 signaling, while its lipid decomposition pathway was down-regulated by the nuclear receptor PPAR-PGC1 signaling, thereby resulting in severe accumulation of lipids as deposited in lipid droplets. By contrast, knockout of Nrf2 gave rise to decreases in lipid synthesis and uptake capacity. These demonstrate that Nrf1 and Nrf2 contribute to significant differences in the cellular lipid metabolism profiles and relevant pathological responses. Further experimental evidence unraveled that lipid deposition in Nrf1α –/– cells resulted from CD36 up-regulation by activating the PI3K-AKT-mTOR pathway, leading to abnormal activation of the inflammatory response. This was also accompanied by a series of adverse consequences, e.g., accumulation of reactive oxygen species (ROS) in Nrf1α –/– cells. Interestingly, treatment of Nrf1α –/– cells with 2-bromopalmitate (2BP) enabled the yield of lipid droplets to be strikingly alleviated, as accompanied by substantial abolishment of CD36 and critical inflammatory cytokines. Such Nrf1α –/– led inflammatory accumulation of lipids, as well as ROS, was significantly ameliorated by 2BP. Overall, this study provides a potential strategy for cancer prevention and treatment by precision targeting of Nrf1, Nrf2 alone or both.

Abstract Transcription factor Nrf2 (nuclear factor, erythroid 2-like 2, encoded by Nfe2l2 ) has been accepted as a key player in redox regulatory responses to oxidative or reductive stresses. However, it is less or not known about the potential role for Nrf1 (nuclear factor, erythroid 2-like 1, encoded by Nfe2l1 ) in the redox responses, particularly to reductive stress, albeit this ‘fossil-like’ factor is indispensable for cell homeostasis and organ integrity during life process. Here, we examine distinct roles of Nrf1 and Nrf2 in monitoring the defense response to 1,4–dithiothreitol (DTT, serving as a reductive stressor), concomitantly with unfolded protein response being induced by this chemical (also as an endoplasmic reticulum stressor). The results revealed that intracellular reactive oxygen species (ROS) were modestly increased in DTT-treated wild-type ( WT ) and Nrf1α –/– cell lines, but almost unaltered in Nrf2 –/–ΔTA or caNrf2 ΔN cell lines (with a genetic loss of its transactivation or N-terminal Keap1-binding domains, respectively). This chemical treatment also enabled the rate of oxidized to reduced glutathione (i.e., GSSG to GSH) to be amplified in WT and Nrf2 –/–ΔTA cells, but diminished in Nrf1α –/– cells, along with no changes in caNrf2 ΔN cells. Consequently, Nrf1α –/– , but not Nrf2 –/–ΔTA or caNrf2 ΔN , cell viability was reinforced by DTT against its cytotoxicity, as accompanied by decreased apoptosis. Further experiments unraveled that Nrf1 and Nrf2 differentially, and also synergistically, regulated DTT-inducible expression of critical genes for defending redox stress and endoplasmic reticulum stress. In addition, we have also identified that Cys342 and Cys640 of Nrf1 (as redox-sensing sites within its N-glycodomain and DNA-binding domain, respectively) are required for its protein stability and transcription activity.

Abstract The Keap1-Nrf2 signalling to transcriptionally regulate antioxidant response element (ARE)-driven target genes has been accepted as key redox-sensitive pathway governing a vast variety of cellular stresses during healthy survival and disease development. Herein, we identified two nuanced isoforms α and β of Keap1, arising from its first and another in-frame translation starting codons, respectively. In identifying those differential expression genes monitored by Keap1α and/or Keap1β, an unusual interaction of Keap1 with Smad2/3 was discovered by parsing transcriptome sequencing, Keap1-interacting protein profiling and relevant immunoprecipitation data. Further examination validated that Smad2/3 enable physical interaction with Keap1, as well as its isoforms α and β, by both EDGETSD and DLG motifs in the linker regions between their MH1 and MH2 domains, such that the stability of Smad2/3 and its transcriptional activity are enhanced with the prolonged half-lives and signalling responses from the cytoplasmic to nuclear compartments. The activation of Smad2/3 by Keap1, Keap1α or Keap1β was likely contributable to a coordinative or another competitive effect of Nrf2, particularly in distinct Keap1-based cellular responses to its cognate growth factor or redox stress. Overall, this discovery presents a novel functional bridge crossing both the Keap1-Nrf2 redox signalling and the TGF-β1-Smad2/3 pathways in healthy growth and development.

Abstract To defend a vast variety of challenges in the oxygenated environments, all life forms have been evolutionally established a set of antioxidant, detoxification and cytoprotective systems during natural selection and adaptive survival, in order to maintain cell redox homeostasis and organ integrity in the healthy development and growth. Such antioxidant defense systems are predominantly regulated by two key transcription factors Nrf1 and Nrf2, but the underlying mechanism(s) for their coordinated redox control remains elusive. Here, we found that loss of full-length Nrf1 led to a dramatic increase in reactive oxygen species (ROS) and oxidative damages in Nrf1α -/- cells, and this increase was not eliminated by drastic elevation of Nrf2, even though the antioxidant systems were also substantially enhanced by hyperactive Nrf2. Further studies revealed that the increased ROS production in Nrf1α -/- resulted from a striking impairment in the mitochondrial oxidative respiratory chain and its gene expression regulated by nuclear respiratory factors, called αPal NRF1 and GABP NRF2 . In addition to antioxidant capacity of cells, glycolysis was greatly augmented by aberrantly-elevated Nrf2, so to partially relieve the cellular energy demands, but aggravate its mitochondrial stress. The generation of ROS was also differentially regulated by Nrf1 and Nrf2 through miR-195 and/or mIR-497-mediated UCP2 pathway. Consequently, the epithelial-mesenchymal transformation (EMT) of Nrf1α -/- cells was activated by putative ROS-stimulated signaling via MAPK, HIF1α, NF-kB, PI3K and AKT, all players involved in cancer development and progression. Taken together, it is inferable that Nrf1 acts as a potent integrator of redox regulation by multi-hierarchical networks.

Abstract Nrf1 and Nrf2, as two principal CNC-bZIP transcription factors, regulate similar but different targets involved in a variety of biological functions for maintaining cell homeostasis and organ integrity. Of note, the unique topobiological behavior of Nrf1 makes its functions more complicated than Nrf2, because it is allowed for alternatively transcribing and selectively splicing to yield multiple isoforms (e.g., TCF11, Nrf1α). In order to gain a better understanding of their similarities and differences in distinct regulatory profiles, all four distinct cell models for stably expressing TCF11 , TCF11 ΔN , Nrf1α or Nrf2 have been herein established by an Flp-In™ T-REx™-293 system and then identified by transcriptomic sequencing. Further analysis revealed that Nrf1α and TCF11 have similar yet different regulatory profiles, although both contribute basically to positive regulation of their co-targets, which are disparate from those regulated by Nrf2. Such disparity in those gene regulation by Nrf1 and Nrf2 was further corroborated by scrutinizing comprehensive functional annotation of their specific and/or common target genes. Conversely, the mutant TCF11 ΔN , resulting from a deletion of the N-terminal amino acids 2-156 from TCF11, resembles Nrf2 with the largely consistent structure and function. Interestingly, our further experimental evidence demonstrates that TCF11 acts as a potent tumor-repressor relative to Nrf1α, albeit both isoforms possess a congruous capability to prevent malignant growth of tumor and upregulate those genes critical for improving the survival of patients with hepatocellular carcinoma.

Abstract The membrane-bound transcription factor Nrf1 (i.e., encoded by Nfe2l1 ) is activated by sensing glucose deprivation, cholesterol excess, proteasomal inhibition and oxidative stress, and then mediates distinct signaling responses in order to maintain cellular homeostasis. Herein, we found that Nrf1 stability and transactivity are both enhanced by USP19, a ubiquitin-specific protease tail-anchored in the endoplasmic reticulum (ER) through its C-terminal transmembrane domain. Further experiments revealed that USP19 directly interacts with Nrf1 in proximity to the ER and topologically acts as a deubiquitinating enzyme to remove ubiquitin moieties from this protein, and hence allows it to circumvent the potential proteasomal degradation. Such USP19-mediated effect takes place only after Nrf1 is retrotranslocated by p97 out of ER membranes to dislocate the cytoplasmic side. Conversely, knockout of USP19 causes significant decreases in the Nrf1 abundance and its active isoform entering the nucleus, resulting in down-regulation of its target proteasomal subunits. This led to a modest reduction of USP19 −/− -derived tumor growth in xenograft mice, when compared with wild-type controls. Altogether, these demonstrate that USP19 serves as a novel mechanistic modulator of Nrf1, but not Nrf2, enabling Nrf1 to be rescued from putative ubiquitin-directed ER-associated degradation pathway. In turn, our additional experimental evidence has unraveled that transcriptional expression of endogenous USP19 and its promoter-driven reporter genes is differentially regulated by Nrf2, as well by Nrf1, at distinct layers within a complex hierarchical regulatory network.

All living organisms have undergone the evolutionary selection under the changing natural environments to survive as diverse life forms. All life processes including normal homeostatic development and growth into organismic bodies with distinct cellular identifications, as well as their adaptive responses to various intracellular and environmental stresses, are tightly controlled by signaling of transcriptional networks towards regulation of cognate genes by many different transcription factors. Amongst them, one of the most conserved is the basic-region leucine zipper (bZIP) family. They play vital roles essential for cell proliferation, differentiation and maintenance in complex multicellular organisms. Notably, an unresolved divergence on the evolution of bZIP proteins is addressed here. By a combination of bioinformatics with genomics and molecular biology, we have demonstrated that two of the most ancestral family members classified into BATF and Jun subgroups are originated from viruses, albeit expansion and diversification of the bZIP superfamily occur in different vertebrates. Interestingly, a specific ancestral subfamily of bZIP proteins is identified and also designated Nach (Nrf and CNC homology) on account of their highly conservativity with NF-E2 p45 subunit-related factors Nrf1/2. Further experimental evidence reveals that Nach1/2 from the marine bacteria exerts distinctive functions from Nrf1/2 in the transcriptional ability to regulate antioxidant response element (ARE)-driven cytoprotective genes. Collectively, an insight into Nach/CNC-bZIP proteins provides a better understanding of distinct biological functions between these factors selected during evolution from the marine bacteria to human.

Amongst multiple distinct isoforms, Nrf1D is synthesized from translation of an alternatively-spliced transcript of Nrf1 mRNA, with a naturally-occurring deletion of its stop codon-flanking 1466 nucleotides. This molecular event leads to the reading frameshift mutation, which results in a constitutive substitution of the intact Nrf1's C-terminal 72 amino acids (aa, covering the second half of the leucine zipper motif to C-terminal Neh3L domain) by an additional extended 80-aa stretch to generate a unique variant Nrf1D. The C-terminal extra 80-aa region of Nrf1D was identified to fold into a redox-sensitive transmembrane domain that enables it to be tightly integrated within the endoplasmic reticulum (ER) membranes. Notably, the salient feature of Nrf1D confers it to be distinguishable from prototypic Nrf1, such that Nrf1D is endowed with only a less ability than wild-type Nrf1 at mediating target gene expression. Further evidence has been presented revealing that both mRNA and protein levels of Nrf1D were detected to varying extents in somatic tissues. Surprisingly, we also found the existence of Nrf1D-derived isoforms in the blood plasma, implying that it is a candidate secretory transcription factor, although its precursor acts as an integral transmembrane-bound CNC-bZIP protein that entails dynamic topologies, before being unleashed from the ER to enter the blood plasma.

Abstract Nuclear factor erythroid-derived 2-like 1 (Nrf1, encoded by Nfe2l1 ), an essential transcription factor of the cap’n’collar basic-region leucine zipper (CNC-bZIP) family, is highly conserved with its homologous Nuclear factor erythroid-derived 2-like 2 (Nrf2, encoded by Nfe2l2 ). Of note, Nrf1 possesses a remarkable anti-senescence potential, but it has not been comprehensively characterized to date. Conversely, Nrf1 α −/− cells undergoing senescence display hallmarks of senescence, comprising heightened activity of senescence-associated β-galactosidase, decreased cell vitality, cell growth arrest, and increased expression of the senescence-associated secretory phenotype. Further investigation showed cellular senescence in Nrf1 α −/− cells is not a consequence of Nrf2 accumulation. On the contrary, Nrf2 could alleviate, but not halt or reverse, senescence of Nrf1 α −/− cells. This is predominantly attributable to the fact that, different from Nrf2, the deficiency of Nrf1 brings about activation of both p21 and RB pathways independently of p53, but disrupts STAG2- and SMC3-dependent chromosomal homeostasis so to drive cell senescence. Here, we discover the significant anti-senescence capacity of Nrf1 and highlight two mechanisms underlying the protective function of Nrf1, which stem from its response to stress and its role in maintaining cellular homeostasis.