Transcription factor NRF2 regulates the expression of autophagy genes

Abstract

Cells control the quality of the proteome through an integrative network of mechanisms that include protein degradation by autophagy. The regulation of this process by signaling pathways has been intensively studied but less is known about its transcriptional control. Because this degradative pathway has an essential cytoprotective role, especially under stress conditions, in this thesis we have analyzed the regulation of autophagy by the transcription factor Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (NRF2), which is considered a master regulator of cellular homeostastis. NRF2 controls the expression of a wide battery of cytoprotective genes that have a tremendous impact on physiological responses such as inflammation, senescence or metabolism. However, its relevance in proteostasis is just starting to be unveiled. Therefore, we focused our study on the transcriptional regulation of two types of autophagy, i.e. macroautophagy and chaperone mediated autophagy (CMA). We have identified NRF2 enhancer sequences, termed antioxidant response elements (AREs), in the promoter region of 9 genes involved in different steps of macroautophagy and CMA. Consequently, we show that genetic and pharmacological manipulation of NRF2 results in the modulation of autophagy gene expression and activity. The role of NRF2 in the regulation of macroautophagy may have a significant relevance upon stressful conditions, including proteotoxic stress. To address the functional relevance of NRF2 in proteinopathy, we have generated a new mouse model of Alzheimer’s disease (AD) that reproduces the amyloid and TAU pathology in the presence or absence of NRF2 expression. NRF2 deficiency worsens some of the main hallmarks of AD, including low-grade chronic oxidative and inflammatory stress as well as exacerbated proteinopathy due, at least in part, to impaired macroautophagy. Moreover, our results reflect a positive correlation between the expression of NRF2 and macroautophagy in AD patients. We have also established the role of NRF2 in the basal and inducible regulation of CMA, based on the transcriptional regulation of the lysosomal receptor LAMP2A. This novel NRF2/LAMP2A axis may have important implications in the physiological response to stress and, consequently, be of interest for human pathology. In fact, data mining of The Cancer Genome Atlas showed a positive correlation between NRF2 an LAMP2 expression in gliomas and glioblastomas. Overall, this thesis describes a novel role of NRF2 in the regulation of macroautophagy and CMA, suggesting a new strategy to combat proteinopathies.

Las células controlan la calidad del proteoma mediante una compleja red que integra diversos mecanismos, incluida la degradación de proteínas mediante autofagia. La regulación de este proceso a través de vías de señalización ha sido ampliamente estudiada, pero su control transcripcional es aún poco conocido. Debido a que esta vía de degradación tiene un papel citoprotector fundamental, especialmente en condiciones de estrés, en esta tesis hemos analizado la regulación de la autofagia por el factor de transcripción NRF2 (Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2), considerado un regulador maestro de la homeostasis celular. NRF2 controla la expresión de una extensa batería de genes citoprotectores con un importante impacto en respuestas fisiológicas como la inflamación, la senescencia o el metabolismo. Sin embargo, su papel en proteostasis está aún comenzando a comprenderse. Por todo ello, hemos centrado nuestro estudio en la regulación transcripcional de dos tipos de autofagia, la macroautofagia y la autofagia mediada por chaperonas (CMA). Hemos identificado elementos de respuesta a NRF2, llamados elementos de respuesta antioxidante (ARE), en la región promotora de 9 genes involucrados en diferentes pasos de la macroautofagia y la CMA. En consecuencia, mostramos que la manipulación genética y farmacológica de NRF2 resulta en la modulación de la expresión génica y la actividad de la autofagia. El papel del factor de transcripción NRF2 en la regulación de la macroautofagia podría ser importante en condiciones de estrés, incluido el estrés proteotóxico. Para analizar la relevancia funcional de NRF2 en proteinopatía, hemos generado un nuevo modelo animal de la Enfermedad de Alzheimer (EA) que reproduce la amiloidopatía y tauopatía en presencia o ausencia de NRF2. La deficiencia en NRF2 agrava algunos eventos característicos de la EA, como el estrés oxidativo e inflamatorio crónico de bajo grado, así como la proteinopatía debido, al menos en parte, a una desregulación de la macroautofagia. Además, nuestros resultados reflejan una correlación positiva entre NRF2 y marcadores de macroautofagia en muestras de EA. Hemos establecido también un papel de NRF2 en la regulación basal e inducible de la CMA, basado en la regulación transcripcional del receptor lisosomal LAMP2A. Este nuevo eje NRF2/LAMP2A podría tener implicaciones relevantes para patologías humanas. De hecho, el análisis de datos obtenidos de The Cancer Genome Atlas mostró una correlación positiva en la expresión de NRF2 y LAMP2 en gliomas y glioblastomas. Con todo ello, esta tesis describe un nuevo papel de NRF2 en la regulación de la macroautofagia y la CMA, sugiriendo una nueva diana para combatir proteinopatías.