The topobiological behaviour of Nrf1 dictates its post-translational modification and its ability to transactivate target genes. Here, we have elucidated that topovectorial mechanisms control the juxtamembrane processing of Nrf1 on the cyto/nucleoplasmic side of endoplasmic reticulum (ER), whereupon it is cleaved and degraded to remove various lengths of its N-terminal domain (NTD, also refold into a UBL module) and acidic domain-1 (AD1) to yield multiple isoforms. Notably, an N-terminal ~12.5-kDa polypeptide of Nrf1 arises from selective cleavage at an NHB2-adjoining region within NTD, whilst other longer UBL-containing isoforms may arise from proteolytic processing of the protein within AD1 around PEST1 and Neh2L degrons. The susceptibility of Nrf1 to proteolysis is determined by dynamic repositioning of potential UBL-adjacent degrons and cleavage sites from the ER lumen through p97-driven retrotranslocation and -independent pathways into the cyto/nucleoplasm. These repositioned degrons and cleavage sites within NTD and AD1 of Nrf1 are coming into their bona fide functionality, thereby enabling it to be selectively processed by cytosolic DDI-1/2 proteases and also degraded via 26S proteasomes. The resultant proteolytic processing of Nrf1 gives rise to a mature ~85-kDa CNC-bZIP transcription factor, which regulates transcriptional expression of cognate target genes. Furthermore, putative ubiquitination of Nrf1 is not a prerequisite necessary for involvement of p97 in the client processing. Overall, the regulated juxtamembrane proteolysis (RJP) of Nrf1, though occurring in close proximity to the ER, is distinctive from the mechanism that regulates the intramembrane proteolytic (RIP) processing of ATF6 and SREBP1.

In an attempt to terminate the chaotic state of the literature on Nrf1/TCF11 with various confused molecular masses, we herein establish a generally acceptable criterion required for identification of its endogenous full-length proteins and derivative isoforms expressed differentially in distinct experimental cell lines. Further work has been focused on the molecular mechanisms that dictate the successive multistate post-translational modifications (i.e. glycosylation by OST, deglycosylation by NGLY, and ubiquitination by Hrd1) of this CNC-bZIP protein and its proteolytic processing to yield multiple isoforms. Several lines of experimental evidence have demonstrated that the nascent Nrf1α/TCF11 polypeptide (non-glycosylated) is transiently translocated into the endoplasmic reticulum (ER), in which it becomes an inactive glycoprotein-A, and also folded in a proper topology within and around membranes. Thereafter, dynamic repositioning of the ER-resident domains in Nrf1 glycoprotein is driven by p97-fueled retrotranslocation into extra-ER compartments. Therein, glycoprotein of Nrf1 is allowed for digestion into a deglycoprotein-B and then its progressive proteolytic processing by cytosolic DDI-1/2 and proteasomes to yield distinct proteoforms (i.e. protein-C/D). The processing is accompanied by removal of a major N-terminal ~12.5-kDa polypeptide from Nrf1α. Interestingly, our present study has further unraveled that coupled positive and negative feedback circuits exist between Nrf1 and its cognate target genes, including those encoding its regulators p97, Hrd1, DDI-1 and proteasomes. These key players are differentially or even oppositely involved in diverse cellular signalling responses to distinct extents of ER-derived proteotoxic and oxidative stresses induced by different concentrations of proteasomal inhibitors.

Transcription factor Nrf2 is a master regulator of antioxidant and/or electrophile response elements (AREs/EpREs)- driven genes involved in homeostasis, detoxification and adaptation to various stresses. The cytoprotective activity of Nrf2, though being oppositely involved in both cancer prevention and progression, is critically controlled by Keap1 (Kelch-like ECH-associated protein 1) as an adaptor subunit of Cullin 3-based E3 ubiquitin ligase, that is a key sensor for oxidative and electrophilic stresses. Now, we first report a novel naturally-occurring mutant of Keap1, designated Keap1ΔC, which lacks most of its C-terminal Nrf2-interacting domain essential for inhibition of the CNC-bZIP factor. This mutant Keap1ΔC is yielded by translation from an alternatively mRNA-spliced variant lacking the fourth and fifth exons, but their coding sequences are retained in the wild-type Keap1 locus (with no genomic deletions). Although this variant was found primarily in the human highly-metastatic hepatoma (MHCC97H) cells, it was widely expressed at very lower levels in all other cell lines examined. No matter whether Keap1ΔC retains less or no ability to inhibit Nrf2, it functions as a dominant-negative competitor of Keap1 against its inhibition of Nrf2-target genes. This is due to its antagonist effect on Keap1-mediated turnover of Nrf2 protein.

There is hitherto no literature available for explaining two distinct, but confused Nrf1 transcription factors, because they shared the same abbreviations from nuclear factor erythroid 2-related factor 1 (also called Nfe2l1) and nuclear respiratory factor (originally designated α-Pal). Thus, we have here identified that Nfe2l1Nrf1 and α-PalNRF1 exert synergistic and antagonistic roles in integrative regulation of the nuclear-to-mitochondrial respiratory and antioxidant transcription profiles. In mouse embryonic fibroblasts (MEFs), knockout of Nfe2l1-/- leads to substantial decreases in expression levels of α-PalNRF1 and Nfe2l2, together with TFAM (mitochondrial transcription factor A) and other target genes. Similar inhibitory results were determined in Nfe2l2-/- MEFs, with an exception that GSTa1 and Aldh1a1 were distinguishably up-regulated in Nfe2l1-/- MEFs. Such synergistic contributions of Nfe2l1 and Nfe2l2 to the positive regulation of lower α-PalNRF1 and TFAM were validated in Keap1-/- MEFs. However, human α-PalNRF1 expression was unaltered by hNfe2l1 α-/-, hNfe2l2-/- δTA or even hNfe2l1 α-/- +siNrf2, albeit TFAM was activated by Nfe2l1 but inhibited by Nfe2l2; such an antagonism occured in HepG2 cells. Conversely, almost all of mouse Nfe2l1, Nfe2l2 and co-target genes were down-expressed in α-PalNRF1+/- MEFs. On the contrary, up-regulation of human Nfe2l1, Nfe2l2 and relevant reporter genes took place after silencing of α-PalNRF1, but their down-regulation occurred upon ectopic expression of α-PalNRF1. Furtherly, Pitx2 (pituitary homeobox 2) was also identified as a direct upstream regulator of Nfe2l1 and TFAM, besides α-PalNRF1. Overall, these across-talks amongst Nfe2l1, Nfe2l2 and α-PalNRF1, along with Pitx2, are integrated from the endoplasmic reticulum to the nuclear-to-mitochondrial communication for targeting TFAM, in order to finely tune the cellular respiratory and antioxidant gene transcription networks, albeit they differ between the mouse and the human.

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.

Our previous work revealed that Nrf1α exerts a tumor-repressing effect because its genomic loss (to yield Nrf1α-/-) results in oncogenic activation of Nrf2 and target genes. Interestingly, β-catenin is concurrently activated by loss of Nrf1α in a way similar to β-catenin-driven liver tumor. However, a presumable relationship between Nrf1 and β-catenin is not as yet established. Here, we demonstrate that Nrf1 enhanced ubiquitination of β-catenin for targeting to proteasomal degradation. Conversely, knockdown of Nrf1 by its short-hairpin RNA (shNrf1) caused accumulation of β-catenin so as to translocate the nucleus, allowing activation of a subset of Wnt-β-catenin signaling responsive genes, which leads to the epithelial-mesenchymal transition (EMT) and related cellular processes. Such silencing of Nrf1 resulted in malgrowth of human hepatocellular carcinoma, along with malignant invasion and metastasis to the lung and liver in xenograft model mice. Further transcriptomic sequencing unraveled significant differences in the expression of both Wnt/β-catenin-dependent and -independent responsive genes implicated in the cell process, shape and behavior of the shNrf1-expressing tumor. Notably, we identified that β-catenin is not a target gene of Nrf1, but this CNC-bZIP factor contributes to differential or opposing expression of other critical genes, such as CDH1, Wnt5A, Wnt11A, FZD10, LEF, TCF4, SMAD4, MMP9, PTEN, PI3K, JUN and p53, each of which depends on the positioning of distinct cis-regulatory sequences (e.g., ARE and/or AP-1 binding sites) in the gene promoter contexts. In addition, altered expression profiles of some Wntt-β-catenin signaling proteins were context-dependent, as accompanied by decreased abundances of Nrf1 in the clinic human hepatomas with distinct differentiation. Together, these results corroborate the rationale that Nrf1 acts as a bona fide dominant tumor-repressor, by its intrinsic inhibition of Wnt-β-catenin signaling and relevant independent networks in cancer development and malignant progression.

Metabolic reprogramming exists in a variety of cancer cells, with the most relevance to glucose as a source of energy and carbon for survival and proliferation. Of note, Nrf1 was shown to be essential for regulating glycolysis pathway, but it is unknown whether it plays a role in cancer metabolic reprogramming, particularly in response to glucose starvation. Herein, we discover that Nrf1α-/--derived hepatoma cells are sensitive to rapid death induced by glucose deprivation, such cell death appears to be rescued by Nrf2 interference, but Nrf1/2+/+ or Nrf2-/--derived cells are roughly unaffected by glucose starvation. Further evidence revealed that Nrf1α-/- cell death is resulted from severe oxidative stress arising from abberrant redox metabolism. Strikingly, altered gluconeogenesis pathway was aggravated by glucose starvation of Nrf1α-/- cells, as also accompanied by weakened pentose phosphate pathway, dysfunction of serine-to-glutathione synthesis, and accumulation of reactive oxygen species (ROS) and damages, such that the intracellular GSH and NADPH were exhausted. These demonstrate that glucose starvation leads to acute death of Nrf1α-/-, rather than Nrf2-/-, cells resulting from its fatal defects in the redox metabolism reprogramming. This is owing to distinct requirements of Nrf1 and Nrf2 for regulating key genes involved in the redox metabolic reprogramming. Altogether, this work substantiates the preventive and therapeutic strategies against Nrf1α-deficient cancer by limiting its glucose and energy demands. Key words: Nrf1, Nrf2, glucose starvation, redox, metabolic reprogramming, cancer metabolism

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.