Signal amplification in the KEAP1-NRF2-ARE antioxidant response pathway

KEAP1型 信号转导 氧化应激 DNA损伤 生物 细胞生物学 计算生物学 DNA 基因 遗传学 生物化学 转录因子
作者
Shengnan Liu,Jingbo Pi,Qiang Zhang
出处
期刊:Redox biology [Elsevier]
卷期号:54: 102389-102389 被引量:128
标识
DOI:10.1016/j.redox.2022.102389
摘要

The KEAP1-NRF2-ARE signaling pathway plays a central role in mediating the adaptive cellular stress response to oxidative and electrophilic chemicals. This canonical pathway has been extensively studied and reviewed in the past two decades, but rarely was it looked at from a quantitative signaling perspective. Signal amplification, i.e., ultrasensitivity, is crucially important for robust induction of antioxidant genes to appropriate levels that can adequately counteract the stresses. In this review article, we examined a number of well-known molecular events in the KEAP1-NRF2-ARE pathway from a quantitative perspective with a focus on how signal amplification can be achieved. We illustrated, by using a series of mathematical models, that redox-regulated protein sequestration, stabilization, translation, nuclear trafficking, DNA promoter binding, and transcriptional induction – which are embedded in the molecular network comprising KEAP1, NRF2, sMaf, p62, and BACH1 – may generate highly ultrasensitive NRF2 activation and antioxidant gene induction. The emergence and degree of ultrasensitivity depend on the strengths of protein-protein and protein-DNA interaction and protein abundances. A unique, quantitative understanding of signal amplification in the KEAP1-NRF2-ARE pathway will help to identify sensitive targets for the prevention and therapeutics of oxidative stress-related diseases and develop quantitative adverse outcome pathway models to facilitate the health risk assessment of oxidative chemicals.
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