Nrf2 (NF-E2-related factor-2) transcription factor regulates oxidative/xenobiotic stress response and also represses inflammation. However, the mechanisms how Nrf2 alleviates inflammation are still unclear. Here, we demonstrate that Nrf2 interferes with lipopolysaccharide-induced transcriptional upregulation of proinflammatory cytokines, including IL-6 and IL-1β. Chromatin immunoprecipitation (ChIP)-seq and ChIP-qPCR analyses revealed that Nrf2 binds to the proximity of these genes in macrophages and inhibits RNA Pol II recruitment. Further, we found that Nrf2-mediated inhibition is independent of the Nrf2-binding motif and reactive oxygen species level. Murine inflammatory models further demonstrated that Nrf2 interferes with IL6 induction and inflammatory phenotypes in vivo. Thus, contrary to the widely accepted view that Nrf2 suppresses inflammation through redox control, we demonstrate here that Nrf2 opposes transcriptional upregulation of proinflammatory cytokine genes. This study identifies Nrf2 as the upstream regulator of cytokine production and establishes a molecular basis for an Nrf2-mediated anti-inflammation approach.

Abstract Oxidative and electrophilic stresses are sensed by Keap1, which activates Nrf2 to achieve cytoprotection by regulating the expression of drug-metabolizing and antioxidative stress enzymes/proteins. Because oxidative and electrophilic stresses cause many diseases, including cancer, we hypothesized that an abnormality in the Nrf2-Keap1 system may facilitate the growth of cancer cells. We sequenced the KEAP1 gene of 65 Japanese patients with lung cancer and identified five nonsynonymous somatic mutations at a frequency of 8%. We also identified two nonsynonymous somatic KEAP1 gene mutations and two lung cancer cell lines expressing KEAP1 at reduced levels. In lung cancer cells, low Keap1 activity (due to mutations or low-level expression) led to nuclear localization and constitutive activation of Nrf2. The latter resulted in constitutive expression of cytoprotective genes encoding multidrug resistance pumps, phase II detoxifying enzymes, and antioxidative stress enzymes/proteins. Up-regulation of these target genes in lung cancer cells led to cisplatin resistance. Nrf2 activation also stimulated growth of lung cancer–derived cell lines expressing KEAP1 at low levels and in mutant cell lines and in Keap1-null mouse embryonic fibroblasts under homeostatic conditions. Thus, inhibition of NRF2 may provide new therapeutic approaches in lung cancers with activation of Nrf2. [Cancer Res 2008;68(5):1303–9]

AbstractKeap1 and Cul3 constitute a unique ubiquitin E3 ligase that degrades Nrf2, a key activator of cytoprotective genes. Upon exposure to oxidants/electrophiles, the enzymatic activity of this ligase complex is inhibited and the complex fails to degrade Nrf2, resulting in the transcriptional activation of Nrf2 target genes. Keap1 possesses several reactive cysteine residues that covalently bond with electrophiles in vitro. To clarify the functional significance of each Keap1 cysteine residue under physiological conditions, we established a transgenic complementation rescue model. The transgenic expression of mutant Keap1(C273A) and/or Keap1(C288A) protein in Keap1 null mice failed to reverse constitutive Nrf2 activation, indicating that cysteine residues at positions 273 and 288 are essential for Keap1 to repress Nrf2 activity in vivo. In contrast, Keap1(C151S) retained repressor activity and mice expressing this molecule were viable. Mouse embryonic fibroblasts from Keap1(C151S) transgenic mice displayed decreased expression of Nrf2 target genes both before and after an electrophilic challenge, suggesting that Cys151 is important in facilitating Nrf2 activation. These results demonstrate critical roles of the cysteine residues in vivo in maintaining Keap1 function, such that Nrf2 is repressed under quiescent conditions and active in response to oxidants/electrophiles. ACKNOWLEDGMENTSWe are grateful to N. Wakabayashi and M. I. Kang for critical advice. We also thank N. Kaneko and M. Kimura for technical assistance.This work was supported by grants from JST-ERATO (M.Y.), the Ministry of Education, Science, Sports and Culture (A.K., H.M., and M.Y.), the Yamanouchi Foundation (H.M.), and the Uehara Memorial Foundation (H.M.).

Abstract p62/Sqstm1 is a multifunctional protein involved in cell survival, growth and death, that is degraded by autophagy. Amplification of the p62/Sqstm1 gene, and aberrant accumulation and phosphorylation of p62/Sqstm1, have been implicated in tumour development. Herein, we reveal the molecular mechanism of p62/Sqstm1-dependent malignant progression, and suggest that molecular targeting of p62/Sqstm1 represents a potential chemotherapeutic approach against hepatocellular carcinoma (HCC). Phosphorylation of p62/Sqstm1 at Ser349 directs glucose to the glucuronate pathway, and glutamine towards glutathione synthesis through activation of the transcription factor Nrf2. These changes provide HCC cells with tolerance to anti-cancer drugs and proliferation potency. Phosphorylated p62/Sqstm1 accumulates in tumour regions positive for hepatitis C virus (HCV). An inhibitor of phosphorylated p62-dependent Nrf2 activation suppresses the proliferation and anticancer agent tolerance of HCC. Our data indicate that this Nrf2 inhibitor could be used to make cancer cells less resistant to anticancer drugs, especially in HCV-positive HCC patients.

The Keap1-Nrf2 system plays a central role in cytoprotection against electrophilic/oxidative stresses. Although Cys151, Cys273, and Cys288 of Keap1 are major sensor cysteine residues for detecting these stresses, it has not been technically feasible to evaluate the functionality of Cys273 or Cys288, since Keap1 mutants that harbor substitutions in these residues and maintain the ability to repress Nrf2 accumulation do not exist. To overcome this problem, we systematically introduced amino acid substitutions into Cys273/Cys288 and finally identified Cys273Trp and Cys288Glu mutations that do not affect Keap1's ability to repress Nrf2 accumulation. Utilizing these Keap1 mutants, we generated stable murine embryonic fibroblast (MEF) cell lines and knock-in mouse lines. Our analyses with the MEFs and peritoneal macrophages from the knock-in mice revealed that three major cysteine residues, Cys151, Cys273, and Cys288, individually and/or redundantly act as sensors. Based on the functional necessity of these three cysteine residues, we categorized chemical inducers of Nrf2 into four classes. Class I and II utilizes Cys151 and Cys288, respectively, while class III requires all three residues (Cys151/Cys273/Cys288), while class IV inducers function independently of all three of these cysteine residues. This study thus demonstrates that Keap1 utilizes multiple cysteine residues specifically and/or collaboratively as sensors for the detection of a wide range of environmental stresses.

The Keap1-Nrf2 system plays a central role in the oxidative stress response; however, the identity of the reactive oxygen species sensor within Keap1 remains poorly understood. Here, we show that a Keap1 mutant lacking 11 cysteine residues retains the ability to target Nrf2 for degradation, but it is unable to respond to cysteine-reactive Nrf2 inducers. Of the 11 mutated cysteine residues, we find that 4 (Cys226/613/622/624) are important for sensing hydrogen peroxide. Our analyses of multiple mutant mice lines, complemented by MEFs expressing a series of Keap1 mutants, reveal that Keap1 uses the cysteine residues redundantly to set up an elaborate fail-safe mechanism in which specific combinations of these four cysteine residues can form a disulfide bond to sense hydrogen peroxide. This sensing mechanism is distinct from that used for electrophilic Nrf2 inducers, demonstrating that Keap1 is equipped with multiple cysteine-based sensors to detect various endogenous and exogenous stresses.