znaczenie pro-utleniających właściwości flawonoidów w indukcji

znaczenie pro-utleniających właściwości flawonoidów w indukcji

Znaczenie pro-utleniających właściwości flawonoidów w indukcji
ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne
Małgorzata Muzolf-Panek1
Bożena Tyrakowska
2,*
Katedra Zarządzania Jakością Żywności,
Wydział Nauk o Żywności i Żywieniu, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Poznań
2
Katedra Instrumentalnych Metod Oceny Jakości, Wydział Towaroznawstwa, Uniwersytet
Ekonomiczny w Poznaniu, Poznań
1
Katedra Instrumentalnych Metod Oceny
Jakości, Wydział Towaroznawstwa, Uniwer­
sytet Ekonomiczny w Poznaniu; 61-875
Poznań, ul. Niepodległości 10, tel.: (61) 856
93 83, faks: (61) 854 39 93, e-mail: bozena.
[email protected]
*
Artykuł otrzymano 4 marca 2010 r.
Artykuł zaakceptowano 9 marca 2010 r.
Słowa kluczowe: chinony, enzymy detoksykacyjne, EpRE, flawonoidy, właściwości proutleniające
Wykaz skrótów: EpRE (ang. Electrophile-Responsive Element) — element kontrolujący
ekspresję genów kodujących enzymy detoksykacyjne; Keap1 (ang. Kelch-like erythroid-cellderived protein with CNC homology-associating
protein 1) — białko represorowe, Nrf2 (ang.
Nuclear erythroid 2-related factor) — czynnik
jądrowy, NQO1 — oksydoreduktaza NAD(P)
H:chinon 1
Streszczenie
F
lawonoidy są jednym z głównych składników codziennej diety człowieka. W ostatnich
kilkudziesięciu latach obserwuje się rosnące zainteresowanie tą grupą związków, ze
względu na ich korzystny wpływ na organizm. Pro-zdrowotne właściwości flawonoidów
przypisuje się głównie ich aktywności przeciwutleniającej. Jednakże coraz częściej pojawiają się wyniki badań wskazujące, że właściwości pro-utleniające flawonoidów, uznawane dotychczas za niekorzystne dla organizmu, mogą prowadzić do korzystnych, pro-zdrowotnych
efektów, poprzez indukcję ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne. W niniejszym artykule przedstawiono stan najnowszej wiedzy na temat indukcji ekspresji genu
kodującego ważny enzym detoksykacyjny — oksydoreduktazę NAD(P)H:chinon 1 przez
flawonoidy (flawonole, flawony i flawan-3-ole). Zaprezentowano również wyniki badań potwierdzające rolę właściwości pro-utleniających flawonoidów w mechanizmie tej indukcji.
Wprowadzenie
Flawonoidy są najliczniejszą grupą związków polifenolowych. Charakterystyczną cechą ich struktury jest szkielet difenylopropanoidowy (C6C3C6) [1]. W
obrębie tej grupy wyróżnia się kilka klas związków różniących się stopniem
utlenienia pierścienia γ-piranowego m. in. flawony, flawonole, flawan-3-ole
(katechiny), antocyjany (Ryc. 1). Ze względu na rozpowszechnienie w świecie
roślin flawonoidy stanowią ważny składnik codziennej diety człowieka. Obecnie szacuje się, że ilość spożywanych flawonoidów wynosi średnio 189,7 mg
dziennie, z czego aż 83,5% stanowią flawan-3-ole (katechiny), flawanony 7,6%,
flawonole 6,8%, a antocyjany 1,6% [2]. Bogatym źródłem flawonoidów są owoce
i warzywa, a także czekolada, wino i herbata [3,4].
Znamienną cechą flawonoidów jest ich wysoka aktywność przeciwutleniająca [1]. Korzystne działanie flawonoidów w mechanizmie obronnym organizmu
przeciwko tzw. chorobom cywilizacyjnym o podłożu wolnorodnikowym (jak np.
choroba niedokrwienna serca, nowotwory, choroby neurodegeneracyjne) przypisuje się głównie ich właściwościom przeciwutleniającym. Jednakże, związki te
mogą, w zależności od stężenia oraz warunków środowiska (obecności jonów
metali przejściowych, tlenu cząsteczkowego i enzymów) wykazywać działanie
pro-utleniające. Właściwości pro-utleniające związków polifenolowych uważano dotychczas za niekorzystne dla organizmu człowieka, ponieważ powstające
w reakcjach utleniania polifenoli silnie elektrofilowe chinony oraz reaktywne
formy tlenu mogą uszkadzać makrocząsteczki komórek, co stanowi istotny
element w powstawaniu
i rozwoju wielu chorób
tzw. cywilizacyjnych.
Rycina 1. Wzory strukturalne różnych klas flawonoidów.
284
Badania ostatnich kilkunastu lat dostarczają
jednak coraz więcej dowodów na pozytywną
rolę
pro-utleniających
właściwości
flawonoidów. Dzięki właściwościom pro-utleniającym
flawonoidy mogą wpływać na wiele procesów
zachodzących w komórce
poprzez regulację czynników transkrypcyjnych,
szlaków sygnalizujących
a także regulację cyklu
komórkowego i apoptowww.postepybiochemii.pl
zy [5-7]. Stres oksydacyjny indukowany przez flawonoidy,
uznawany dotychczas za objaw lub przyczynę występowania stanów patologicznych w organizmie, może również
aktywować geny kodujące enzymy II fazy biotransformacji
(enzymy detoksykacyjne) [8,9].
W niniejszym artykule omówiono wyniki najnowszych
badań dotyczące indukcji ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne takie jak np. oksydoreduktaza NAD(P)
H:chinon 1 przez flawonoidy ze szczególnym uwzględnieniem znaczącej roli właściwości pro-utleniających flawonoidów w mechanizmie tej indukcji.
Mechanizm ekspresji genów kodujących
enzymy detoksykacyjne
Indukcja ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne zachodzi za pośrednictwem elementu kontrolującego EpRE (ang. Electrophile-Responsive Element), znanego
wcześniej jako ARE (ang. Antioxidant-Responsive Element),
który znajduje się w regionach promotorowych genów kodujących enzymy detoksykacyjne [10]. Ponadto w regulacji
ekspresji tych genów biorą udział dwa czynniki białkowe:
czynnik transkrypcyjny Nrf2, wiążący się z EpRE oraz białko represorowe Keap1 (Ryc. 2) [11-13].
Rycina 2. Mechanizm ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne za
pośrednictwem elementu kontrolującego EpRE . Pozostałe oznaczenia na rycinie:
Ser40 — reszta seryny 40, Cy273 i Cy288 — reszty cysteiny 273 i 288, Keap1 —
białko represorowe, PKC — kinaza białkowa C, PERK — kinaza białkowa siateczki śródplazmatycznej, MAPK — kinazy białkowe aktywowane mitogenami.
Kluczowym regulatorem ekspresji genów jest czynnik
transkrypcyjny Nrf2 (ang. Nuclear erythroid 2-related factor),
który reguluje ekspresję ponad 200 genów kodujących enzymy II fazy biotransformacji, katalizujące reakcje sprzęgania chroniące organizm przed działaniem toksycznych
metabolitów oraz reaktywnych form tlenu. Do enzymów
tych zaliczane są między innymi: oksygenaza hemowa, Stransferaza glutationowa, katalaza, dehydrogenaza aldehydowa, dehydrogenaza leukotrienu B4, reduktaza tioredoksyny i oksydoreduktaza NAD(P)H:chinon 1 [11,12,14-16].
W neutralnych warunkach aktywność Nrf2 jest blokowana
przez białko represorowe Keap1 (ang. Kelch-like erythroidcell-derived protein with CNC homology-associating protein
1) bogate w reszty cysteiny, które tworzy w cytoplazmie
kompleks z czynnikiem Nrf2 (Ryc. 2). Kompleks białkowy
Postępy Biochemii 56 (3) 2010
jest odpowiedzialny za utrzymanie Nrf2 w cytoplazmie na
stałym poziomie, a nadmiar Nrf2 jest kierowany do ubikwityno-zależnej proteolizy. Decydującym etapem aktywacji ekspresji genów zawierających EpRE jest uwolnienie
Nrf2 z kompleksu z Keap1, które może nastąpić między
innymi na skutek bezpośredniej reakcji elektrofilowego induktora z białkiem Keap1 powodując powstanie mostka
disiarczkowego w Keap1 (Cy273-Cy288). Pod wpływem
reakcji induktora (cząsteczki elektrofilowe lub reaktywne
formy tlenu) z białkiem represorowym (Keap1), zmianie
ulega konformacja Keap1 i czynnik Nrf2 zostaje uwolniony z kompleksu, przemieszcza się do jądra komórkowego,
gdzie wiąże się z elementem EpRE promotora, w wyniku
czego następuje transkrypcja genu kodującego dany enzym. Uwolnienie Nrf2 z kompleksu Keap1-Nrf2 może nastąpić również na skutek fosforylacji czynnika Nrf2 (Ser40)
przez specyficzne kinazy biorące udział w przekazywaniu
sygnału w komórce (Ryc. 2).
Flawonoidy jako induktory ekspresji genów
Do związków, które pełnią rolę induktorów genów kodujących enzymy detoksykacyjne należy wiele substancji
naturalnie występujących w diecie człowieka. Zalicza się
do nich np. indolo-3-karbinol, iberynę czy izotiocyjaniany
[16-18].
Najnowsze wyniki badań wskazują na istotną rolę flawonoidów jako induktorów ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne [19-24]. W Tabeli 1 przedstawiono maksymalne wartości współczynników indukcji ekspresji genu
oksydoreduktazy NAD(P)H:chinon 1 (NQO1) w komórkach EpRE-LUX (komórki wątrobowe myszy Hepa-1c1c7,
do których wprowadzono gen reporterowy, kodujący lucyferazę, zawierający w regionie promotorowym element
EpRE genu NQO1 człowieka) wyznaczone dla różnych klas
flawonoidów. Wyniki zawarte w Tabeli 1 wskazują, że spośród badanych flawonoidów najlepszymi induktorami ekspresji genu NQO1 są flawonole [10,21]. Najwyższy poziom
indukcji ekspresji genu kodującego NQO1, wyrażony jako
współczynnik indukcji, wykazują kwercetyna, mirycetyna,
moryna i fisetyna (Tabela 1). Maksymalne wartości współczynników indukcji tych związków zawierają się miedzy
8,0 a 10,0. Autorzy badań stwierdzili, że wysoka aktywność
flawonoli jako induktorów zależy w dużym stopniu od
obecności w cząsteczkach tych związków grupy hydroksylowej w pozycji C3. Wniosek ten wysunięto na podstawie
porównania poziomu indukcji flawonoli (np. kwercetyny) z
poziomem indukcji flawonów (np. luteoliny), które nie posiadają w swej strukturze ugrupowania C3-OH.
Spośród flawonów najbardziej skutecznym induktorem
ekspresji genu NQO1 za pośrednictwem EpRE jest luteolina, której współczynnik indukcji wynosi 3,0 [21]. Pozostałe
flawony charakteryzują się niższymi współczynnikami indukcji (Tabela 1). Lee-Hilz i współpracownicy [21] wykazali, że zablokowanie grupy hydroksylowej w pozycji C7, w
wyniku jej metylacji, znacznie zwiększa aktywność flawonów jako induktorów. Pochodna metylowa apigeniny charakteryzuje się współczynnikiem indukcji 5,0 a metylowa
pochodna chryzyny współczynnikiem 4,4 [21]. Maksymalne poziomy indukcji wyznaczone dla flawonoli i flawonów,
285
Tabela 1. Maksymalne wartości współczynników indukcji ekspresji genu oksydoreduktazy NAD(P)H:chinon 1 (NQO1) wyznaczone dla flawonoidów w komórkach EpRE-LUX (komórki wątrobowe myszy Hepa1c1c7, do których wprowadzono gen reporterowy, kodujący lucyferazę, zawierający w regionie promotorowym element EpRE genu NQO1 człowieka) [21,22]. Współczynnik indukcji definiuje się jako zdolność
związku do indukowania ekspresji genu lucyferazy w odniesieniu do próbki kontrolnej [10].
Flawonoid
flawonole [21]:
kwercetyna
mirycetyna
moryna
fisetyna
kampferol
resokampferol
galangina
flawony [21]:
luteolina
bajkaleina
chryzyna
apigenina
flawan-3-ole (katechiny) [22]:
galusan epigalokatechiny
galusan galokatechiny
epigalokatechina
galokatechina
galusan epikatechiny
epikatechina
Miejsce podstawienia
grupy OH
Reszta kwasu Współczynnik
galusowego
indukcji
R3, R5, R7, R3’, R4’
R3, R5, R7, R3’, R4’, R5’
R3, R5, R7, R2’, R4’
R3, R7, R3’, R4’
R3, R5, R7, R4’
R3, R7, R4’
R3, R5, R7
–
–
–
–
–
–
–
R5, R7, R3’, R4’
R5, R6, R7
R5, R7
R5, R6, R4’
–
–
–
–
R5, R7, R3’, R4’, R5’
R5, R7, R3’, R4’, R5’
R3, R5, R7, R3’, R4’, R5’
R3, R5, R7, R3’, R4’, R5’
R5, R7, R3’, R4’
R5, R7, R3’, R4’
R3
R3
–
–
R3
–
przedstawione w Tabeli 1, obserwowano w zakresie stężeń
10-20 μM.
Ekspresję genów zawierających w regionach promotorowych element EpRE aktywują transkrypcyjnie także niektóre katechiny [22,24]. Muzolf-Panek i wsp. [22]
wykazali, że największą skuteczność wśród katechin
jako induktora ekspresji genu kodującego enzym NQO1
wykazuje galusan epigalokatechiny (Tabela 1). Dobrymi
induktorami ekspresji genu kodującego NQO1 są, poza
galusanem epigalokatechiny, również epigalokatechina, galokatechina i galusan galokatechiny. Maksymalne
wartości współczynników indukcji tych związków, wyznaczone w zakresie stężeń 100–200 μM, zawierają się w
przedziale 3,2–5,0 (Tabela 1). Galusan epikatechiny oraz
epikatechina i jej izomer katechina nie aktywują ekspresji genu kodującego NQO1. Na podstawie uzyskanych
wyników autorzy stwierdzili, że zdolność do indukcji
wykazują jedynie katechiny posiadające ugrupowanie
pirogalolowe w cząsteczce [22]. Odmienne wyniki badań
uzyskali Chen i wsp. [24], którzy stwierdzili, że najsilniejszymi induktorami ekspresji genu reporterowego EpRElucyferaza w grupie badanych katechin są galusan epigalokatechiny oraz galusan epikatechiny. Epigalokatechina
oraz epikatechina charakteryzują się ponad czterokrotnie
niższymi współczynnikami indukcji w porównaniu do
ich galusanów. Katechina natomiast nie indukuje ekspresji genów zawierających w regionach promotorowych
element EpRE. Ponieważ najwyższy poziom indukcji
ekspresji genu reporterowego EpRE-lucyferaza wykazują
jedynie katechiny zawierające resztę kwasu galusowego,
Chen i wsp. [24] wysunęli wniosek, że zdolność katechin do indukcji jest wynikiem obecności reszty kwasu
286
galusowego w ich cząsteczkach. Wyniki badań Muzolf-Panek i wsp. [22] nie
potwierdziły tego wniosku, ponieważ
galusan epikatechiny nie indukuje ekspresji genu NQO1.
Indukcję ekspresji genu kodującego reduktazę chinonową przez flawonoidy w
komórkach Hepa-1c1c7 badali Yang i Liu
10,0
[25].
Wyniki tych badań przedstawiono
9,0
w Tabeli 2. Autorzy wykazali, że spo8,4
śród badanych flawonoidów, najlepszym
8,0
induktorem ekspresji genu reduktazy
7,1
chinonowej
jest kwercetyna (flawonol)
6,5
z
maksymalnym
współczynnikiem in4,0
dukcji 3,5 (dla stężenia 30 μM). Dobrym
induktorem jest również genisteina (izo3,0
flawon), której maksymalny współczyn2,5
nik indukcji wynosi 2,8 (dla stężenia 50
2,1
μM). Pozostałe flawonoidy: delfinidyna,
2,0
malwidyna (antocyjany), katechiny i rutyna (flawonol) wykazują słabą induk5,0
cję ekspresji genu kodującego reduktazę
4,2
chinonową. Uda i współpracownicy [26]
3,8
wykazali, że w zakresie stężeń 0–100 μM
3,2
najbardziej aktywnym flawonoidem jest
1,1
galangina (flawonol). Kampferol, kwer1,0
cetyna, mirycetyna (flawonole) oraz apigenina (flawon) również aktywują indukcję tego genu. Maksymalne współczynniki indukcji dla tych związków są jednak znacznie niższe i
mieszczą się w zakresie 1,6–2,8 (Tabela 2). Na podstawie
uzyskanych wyników autorzy stwierdzili, że istotnym
elementem struktury flawonoidów odpowiadającym za
ich zdolność do indukcji genu reduktazy chinonowej jest
obecność podwójnego wiązania między atomami węgla
C2-C3 [25,26]. Ponadto, grupa hydroksylowa w pozycji
C3 zwiększa aktywność związku jako induktora [26], co
jest zgodne z cytowanymi wcześniej wynikami badań LeeHilz i wsp. [21].
Rola właściwości pro-utleniających flawonoidów w indukcji ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne Wyniki badań wskazują, że flawonoidy indukują ekspresję genów kodujących enzymy detoksykacyjne za pośrednictwem EpRE. Związki te nie mają jednak charakteru elektrofilowego, który jest kluczowy dla mechanizmu indukcji
(Ryc. 2). Znane są raczej jako antyoksydanty zdolne do oddawania elektronu. Charakter elektrofilowy, konieczny do
aktywacji transkrypcyjnej genu zawierającego w regionie
promotorowym sekwencję EpRE, posiadają natomiast metabolity flawonoidów o strukturze chinonów, które powstają na skutek utleniania (chemicznego lub enzymatycznego)
tych związków.
Powstawanie chinonów flawonoidów jest dobrze udokumentowane w literaturze [22,27-33]. Utlenianie flawonoidów z utworzeniem chinonów może zachodzić bądź w
obecności jonów metali przejściowych, bądź w obecności
enzymów utleniających takich jak peroksydaza lub tyrozynaza, niezależnie od obecności jonów metali przejściowych.
www.postepybiochemii.pl
ką aktywnością jako induktory
genu kodującego NQO1 (kwercetyna, luteolina, fisetyna, kampferol, galusan epigalokatechiny
i epigalokatechina) są zdolne do
tworzenia chinonów [22,27,3234]. Chinony wykryto drogą pośrednią poprzez identyfikację ich
koniugatów z glutationem.
Bezpośrednim dowodem na
to, że indukcja genów kodujących
enzymy detoksykacyjne jest wynikiem aktywności pro-utleniającej flawonoidów, wynikającej z
Rycina 3. Reakcja utleniania flawonoidów na przykładzie galusanu epigalokatechiny (EGCG). Oznaczenia: SQ EGCG ich zdolności do tworzenia chi— semichinon galusanu epigalokatechiny, Q EGCG — chinon galusanu epigalokatechiny, RFT — reaktywne formy
nonów, są wyniki badań ich aktlenu.
tywności jako induktorów genu
kodującego NQO1 w komórkach
Powstawanie chinonów flawonoidów jest wynikiem
z modulowanym poziomem wewnątrzkomórkowego glu2-elektronowej reakcji utleniania flawonoidów przebiegatationu.
jącej w jednym lub dwóch etapach (Ryc. 3). Produktami
pośrednimi reakcji utleniania flawonoidów do chinonów
Zarówno Lee-Hilz i wsp. [21] jak i Muzolf-Panek i wsp.
są rodniki fenoksylowe. Formy chinonowe są wysoce tok[22] stwierdzili, że ekspresja genu NQO1 za pośrednictwem
syczne, co wynika z ich dużej reaktywności. Ze względu
EpRE jest osłabiona w komórkach EpRE-LUX z podwyżna silnie elektrofilowy charakter, chinony mogą wiązać się
szonym poziomem wewnątrzkomórkowego glutationu
kowalentnie z makrocząsteczkami komórek, powodując
i podwyższona w komórkach z obniżonym poziomem
zmiany ich struktury i funkcji, co w konsekwencji prowadzi
glutationu (Ryc. 4). Im wyższy poziom wewnątrzkomórdo powstawania i rozwoju wielu chorób degeneracyjnych.
kowego glutationu, tym większa ilość związków elektrofiPonadto, zarówno rodniki fenoksylowe jak i chinony mogą
lowych (chinonów) ulega sprzęganiu z glutationem i tym
uczestniczyć w cyklu redoks, generując duże ilości reaktywniższy poziom indukcji. Zmniejszenie poziomu glutationu
nych form tlenu takich jak np. nadtlenek wodoru i rodnik
powoduje zachwianie homeostazy i sprawia, że komórki
hydroksylowy (Ryc. 3).
stają się bardziej wrażliwe na stres oksydacyjny czyli obserwuje się wyższy poziom indukcji. Zatem zaobserwowane
Istotną rolę chinonów flawonoidów, powstających w
zmiany wartości współczynników indukcji flawonoidów,
wyniku ich działania pro-utleniającego, w mechanizmie intakich jak kwercetyna, kampferol, fisetyna, epigalokatedukcji ekspresji genu kodującego NQO1 za pośrednictwem
china, galokatechina, galusan epigalokatechiny i galusan
EpRE potwierdzono różnymi drogami [21,22]. Udowodniogalokatechiny, w komórkach EpRE-LUX z obniżonym lub
no przy zastosowaniu metody in vitro (utlenianie flawonopodwyższonym poziomem glutationu wskazują na istotną
idów w obecności tyrozynazy i glutationu, ang. glutathionerolę chinonów tych flawonoidów, powstających w wyniku
trapping method), że flawonoidy charakteryzujące się wysoich działania pro-utleniającego, w mechanizmie tej indukcji (Ryc. 4). Autorzy wyjaśnili, że utworzone
w wyniku utleniania flawonoidów chinony
lub reaktywne formy tlenu powstające w cyklu redoks, oddziałują z grupami tiolowymi
białka represorowego Keap1, w wyniku czego
następuje uwolnienie Nrf2 z kompleksu Keap1-Nrf2. Białko Nrf2 przemieszcza się do jądra
komórkowego, gdzie łączy się z elementem
EpRE genu kodującego NQO1 i włącza transkrypcyjnie jego ekspresję [21,22].
Rycina 4. Poziom indukcji ekspresji genu kodującego NQO1 przez flawonoidy oraz próbkę kontrolną (0,5% DMSO) w komórkach EpRE-LUX z niezmienionym (0 mM NAC lub 0 μM BSO), podwyższonym (40 mM NAC) lub obniżonym (100 μM BSO) poziomem glutationu [21,22]. Badane flawonoidy oznaczono następującymi skrótami: Q — kwercetyna, Kpf –kampferol, F — fisetyna, EGC
— epigalokatechina, GC — galokatechina, GCG — galusan galokatechiny i EGCG — galusan epigalokatechiny. Pozostałe oznaczenia na rycinie: NAC — N-acetylo-L-cysteina, BSO — DL-butionino[S,R]-sulfoksyimina.
Postępy Biochemii 56 (3) 2010
Dodatkowym potwierdzeniem istotnej roli
właściwości pro-utleniających flawonoidów w
mechanizmie indukcji ekspresji genów kodujących enzymy detoksykacyjne, takie jak NQO1,
są stwierdzone zależności pomiędzy parametrami charakteryzującymi łatwość utleniania flawonoidów a wyznaczonymi doświadczalnie dla tych związków współczynnikami
indukcji. Lee-Hilz i wsp. [21] podobnie jak
wcześniej Zoete i wsp. [35] wykazali, że war-
287
Tabela 2. Maksymalne wartości współczynników indukcji ekspresji genu reduktazy chinonowej wyznaczone dla flawonoidów w komórkach Hepa-1c1c7 [25,26].
Flawonoid
Miejsce podstawienia grupy OH
Współczynnik
indukcji
Piśmiennictwo
flawonole:
R3, R5, R7
R3, R5, R7, R4’
R3, R5, R7, R3’, R4’, R5’
3,5
2,1
3,6
2,8
1,6
[25]
[26]
[26]
[26]
[26]
R5, R7, R4’
2,8
[25]
R5, R6, R4’
1,6
[26]
kwercetyna
R3, R5, R7, R3’, R4’
galangina
kampferol
mirycetyna
izoflawon:
genisteina
flawon:
apigenina
tości parametru Ehomo 21 flawonoidów, odzwierciedlające
łatwość oddawania elektronu przez cząsteczkę, korelują z
wartościami współczynników indukcji wyznaczonymi dla
tych związków. Z kolei Muzolf-Panek i wsp. [22] stwierdzili, że katechiny będące dobrymi induktorami ekspresji genu
NQO1 charakteryzują się jednocześnie niskimi wartościami
potencjału utleniania — parametru odzwierciedlającego łatwość oddawania elektronu przez cząsteczkę, jak i niskimi
wartościami różnicy ciepła tworzenia chinonu — parametru wyrażającego energię potrzebną do utworzenia chinonu katechiny. Wyniki te potwierdzają hipotezę, że zdolność
flawonoidów do indukcji ekspresji genu kodującego NQO1
wynika z łatwości utleniania tych związków, czyli ich zdolności do tworzenia chinonów, będącej wynikiem działania
pro-utleniającego związków.
Podsumowanie
Właściwości pro-utleniające flawonoidów, a więc ich
zdolność do tworzenia wysoce reaktywnych chinonów
uznawano dotychczas za niekorzystne dla organizmu. Jednakże, w ostatnich latach ujawniono, że powstające w wyniku utleniania związków polifenolowych silnie elektrofilowe
chinony mogą wykazywać pozytywny wpływ na organizm
człowieka poprzez aktywację ekspresji genów kodujących
enzymy detoksykacyjne.
Z punktu widzenia ochronnego działania składników
żywności na organizm człowieka potencjalna zdolność
flawonoidów do indukcji ekspresji genów kodujących
enzymy detoksykacyjne zasługuje na szczególną uwagę.
Selektywna indukcja ekspresji tych genów przez flawonoidy występujące w żywności może stanowić skuteczną
ochronę komórek organizmu przed toksycznym działaniem ksenobiotyków i reaktywnych form tlenu. Indukcja
enzymów detoksykacyjnych przez flawonoidy może być
wykorzystana jako strategia zapobiegania nowotworom
oraz innym schorzeniom jak choroby neurodegeneracyjne
i układu krążenia [16]. Podsumowując flawonoidy mogą
wykazywać efekt pro-zdrowotny nie tylko jako przeciwutleniacze ale również jako pro-utleniacze indukując ekspresję genów kodujących enzymy detoksykacyjne.
288
Piśmiennictwo
1. Rice-Evans CA, Miller NJ, Paganga G (1996) Structure-antioxidant activity relationships of flavonoids
and phenolic acids. Free Radic Biol Med 20: 933-956
2. Chun OK, Chung SJ, Song WO (2007) Estimated dietary flavonoid intake and major food sources of U.S.
adults. J Nutr 137: 1244-1252
3. Arts IC, van de Putte B, Hollman PC (2000) Catechin
contents of foods commonly consumed in The Netherlands. 1. Fruits, vegetables, staple foods, and processed
foods. J Agric Food Chem 48: 1746-1751
4. Arts IC, van de Putte B, Hollman PC (2000) Catechin
contents of foods commonly consumed in The Netherlands. 2. Tea, wine, fruit juices, and chocolate milk. J
Agric Food Chem 48: 1752-1757
5. Chen C, Shen G, Hebber V, Hu R, Owuor ED, Kong
A-NT (2003) Epigallocatechin-3-gallate-induced stress
signals in HT-29 human colon adenocarcinoma cells.
Carcinogenesis 24: 1369-1378
6. Sang S, Hou Z, Lambert JD, Yang CS (2005a) Redox properties of tea
polyphenols and related biological activities. Antiox Redox Signal 7:
1704-1714
7. Yamamoto T, Hs S, Lewis J, Wataha J, Dickinson D, Sinhg B, Bollag
WB, Lockwood P, Ueta E, Osaki T, Schuster G (2003) Green tea polyphenols causes differential oxidative environments in tumor versus
normal epithelial cells. J Pharmacol Exp Ther 307: 230-236
8. Halliwell B (2008) Are polyphenols antioxidants or pro-oxidants?
What do we learn from cell culture and in vivo studies? Arch Biochem
Biophys 476: 107-112
9. Williams RJ, Spencer JPE, Rice-Evans C (2004) Flavonoids: antioxidants or signaling molecules? Free Radic Biol Med 36: 838-849
10.Boerboom AMJF, Vermeulen M, van der Woude H, Bremer BI, Lee-Hilz YY, Kampmand E, van Bladeren PJ, Rietjens IMCM, Aarts
JMMJG (2006) Newly constructed stable reporter cell lines for mechanistic studies on electrophile-responsive element-mediated gene
expression reveal a role for flavonoid planarity. Biochem Pharmacol
72: 217–226
11.Dinkova-Kostova AT, Holtzclaw DW, Cole RN, Itoh K, Wakabayashi
N, Katoh Y, Yamamoto M, Talalay P (2002) Direct evidence that sulfhydryl groups of Keap1 are the sensors regulating induction of phase
2 enzymes that protect against carcinogens and oxidants. Proc Natl
Acad Sci USA 99: 11908–11913
12.Itoh K, Tong KI, Yamamoto M (2004) Molecular mechanism activating
Nrf2-Keap1 pathway in regulation of adaptive response to electrophiles. Free Radic Biol Med 36: 1208–1213
13.Kobayashi M, Yamamoto M (2006) Nrf2-Keap1 regulation of cellular
defense mechanisms against electrophiles and reactive oxygen species. Adv Enzyme Regul 46: 113-140
14.Dinkova-Kostova AT, Holtzclaw DW, Wakabayashi N (2005) Keap1,
the sensor for electrophiles and oxidants that regulates the phase 2 response, is a zinc metalloprotein. Biochemistry 44: 6889-6899
15.Dinkova-Kostova AT, Holtzclaw DW, Kensler TW (2005) The role of
Keap1 in cellular protective responses. Chem Res Toxicol 18: 17791791
16.Krajka-Kuźniak V (2007) Indukcja enzymów II fazy jako strategia chemioprewencji nowotworów i innych schorzeń degeneracyjnych. Postępy Hig Med Dośw 61: 627-638
17.Chen C, Kong AN (2004) Dietary chemopreventive compounds and
ARE/EpRE signaling. Free Radic Biol Med 36: 1505-1516
18.Śmiechowska A, Bartoszek A, Namieśniak J (2008) Przeciwrakowe
właściwości glukozylanów zawartych w kapuście (Brassica oleracea
var. capitata) oraz produktów ich rozpadu. Postępy Hig Med Dośw 62:
125-140
www.postepybiochemii.pl
19.Chou F-P, Chu Y-C, Hsu J-D, Chiang H-C, Wang C-J (2000) Specific
induction of glutathione S-transferase GSTM2 subunit expression by
epigallocatechin gallate in rat liver. Biochem Pharmacol 60: 643-650
20.Yang S-P, Wilson K, Kawa A, Raner GM (2006) Effects of green tea
extracts on gene expression in HepG2 and Cal-27 cells. Food Chem
Toxicol 44: 1075-1081
21.Lee-Hilz YY, Boerboom AM, Westphal AH, Berkel WJ, Aarts JM, Rietjens IM (2006) Pro-oxidant activity of flavonoids induces EpRE-mediated gene expression. Chem Res Toxicol 19: 1499–1505
22.Muzolf-Panek M, Gliszczyńska-Świgło A, de Haan L, Aarts JMMJG,
Szymusiak H, Vervoort JM, Tyrakowska B, Rietjens IMCM (2008) Role
of catechin quinones in the induction of EpRE-mediated gene expression. Chem Res Toxicol 21: 2352-2360
23.Ogborne RM, Rushworth SA, O’Connell MA (2008) Epigallocatechin
activates heam oxygenase-1 expression via protein kinase Cδ and Nrf2.
Biochem Biophys Res Commun 373: 584-588
24.Chen C, Yu R, Owuor ED, Kong A-N (2000) Activation of antioxidantresponse element (ARE), mitogen-activated protein kinases (MAPKs)
and caspases by major green tea polyphenol components during cell
survival. Arch Pharm Res 23: 605–621
25.Yang J, Liu RH (2009) Induction of phase II enzyme, quinone reductase, in murine hepatoma cells in vitro by grape extracts and selected
phytochemicals. Food Chem 114: 898-904
26.Uda Y, Price KR, Williamson G, Rhodes MJC (1997) Induction of the
anticarcinogenic marker enzyme, quinone reductase, in murine hepatoma cells in vitro by flavonoids. Cancer Lett 120: 213-216
27.Awad HM, Boersma MG, Vervoort J, Rietjens IMCM (2000) Peroxidase-catalyzed formation of quercetin quinone methide-glutathione
adducts. Arch Biochem Biophys 378: 224-233
28.Awad HM, Boersma MG, Boeren S, van der Woude H, van Zanden
J, van Bladeren PJ, Vervoort J, Rietjens IMCM (2002) Identification of
o-quinone/quinone methide metabolites of quercetin in a cellular in
vitro system. FEBS Lett 520: 30-34
29.Awad HM, Boersma G, Boeren S, van Bladeren PJ, Vervoort J, Rietjens
IMCM (2002) The regioselectivity of glutathione adduct formation
with flavonoid quinone/quinone methides is pH-dependent. Chem
Res Toxicol 15: 343-351
30.Boersma MG, Vervoort J, Szymusiak H, Lemańska K, Tyrakowska B,
Cenas N, Segura-Aguilar J, Rietjens IMCM (2000) Regioselectivity and
reversibility of the glutathione conjugation of quercetin quinone methide. Chem Res Toxicol 13: 185-191
31.Boots AW, Balk JM, Bast A, Haenen GRMM (2005) The reversibility of
the glutathionyl-quercetin adduct spread oxidixed quercetin-induced
toxicity. Biochem Biophys Res Commun 338: 93-929
32.Galati G, Moridiani MY, Chan T, O’Brien PJ (2001) Peroxidative metabolism of apigenin and naringenin versus luteolin and quercetin: glutathione oxidation and conjugation. Free Radic Biol Med 30: 370-382
33.Galati G, Sabzervari O, Wilson JX, O’Brien PJ (2002) Prooxidant activity and cellular effects of the phenoxyl radicals of dietary flavonoids
and other polyphenolics. Toxicology 177: 91-104
34.Sang S, Lambert JD, Hong J, Tian S, Lee M-J, Stark RE, Ho C-T, Yang
CS (2005) Synthesis and structure identification of thiol conjugates of
(-)-epigallocatechin gallate and their urinary levels in mice. Chem Res
Toxicol 18: 1762-1769
35.Zoete V, Rougee M, Dinkova-Kostova AT, Talalay P, Bensasson RV
(2004) Redox ranking of inducers of a cancer-protective enzyme via
the energy of their highest occupied molecular orbital. Free Radic Biol
Med 36: 1418-1423
Role of pro-oxidant properties of flavonoids in the
induction of detoxifying enzymes gene expression
Małgorzata Muzolf-Panek1, Bożena Tyrakowska2,*
Department of Food Quality Management, Faculty of Food Science and Nutrition, Poznan University of Life Science, 31 Wojska Polskiego St.,
60-624 Poznan, Poland
1
Chair of Instrumental Analysis, Faculty of Commodity Science, Poznan University of Economics, 10 Niepodleglosci St., 61-875 Poznan,
Poland
2
*
e-mail: [email protected]
Key words: quinone, detoxifying enzyme, EpRE, flavonoids, pro-oxidant properties
Abstract
Flavonoids are one of the most important components of human daily diet. In recent years flavonoids have became the subject of extensive
investigations mostly due to their heath-promoting properties. Beneficial health effects of flavonoids are mainly ascribed to their antioxidant
activity. However, there is increasing evidence of the positive role of pro-oxidant properties of flavonoids, considered previously as highly
unfavorable, through the induction of detoxifying enzymes gene expression. The article discusses recent reports on the EpRE-mediated induction of NQO1 (NAD(P)H: quinone oxidoreductase) gene expression by the flavonoids (flavonols, flavones and flavan-3-oles) and the role
of pro-oxidant properties of the flavonoids in the mechanism of this induction.
Postępy Biochemii 56 (3) 2010
289