Mechanisms of Mild Cellular Stress Response

Abstract

Polyphenols, historically known as “vegetable tannins”, feature health- beneficial effects [14]. The phytoalexin trans-resveratrol (RSV) was originally isolated from Veratrum grandiflorum O. Loes [30] and is ascertained to naturally occur in approximately 72 plant species [19]. The “French paradox” [16] and early reports of cancer chemo-preventive properties [19] contributed to the growing popularity of RSV [24, 388, 389]. The human skin is the largest organ of our body [2] and challenged by oxidative and environmental stressors on a daily basis [390–392]. The use of RSV in a skin context is a cutting-edge topic [19, 329] as epidermal keratinocytes are a prime target for RSV-based lotions and emollients. However, the mechanism of action of RSV remains largely elusive and controversially discussed. In this study, neonatal normal human epidermal keratinocyte (NHEK) cells are used as a primary cellular model to investigate the mechanism of action of RSV. We demonstrate that RSV is unstable under physiologically relevant conditions, resulting in the generation of oxidation products and reactive oxygen species (ROS). In addition, RSV increases the cellular viability at “low”, hormetic doses (≤ 50 μM) in representative cell models. The application of ROS scavengers truncates these beneficial effects. Moreover, Nrf2-dependent gene expression is initiated by RSV. A 1.3-fold increase of endogenous glutathione (GSH) is sufficient to cause a quantitative reduction of the cellular redox environment. Consequently, RSV pre-treated cells are more resistant to ethanol-induced oxidative stress and generate 24% less ROS. We propose that the major effect of RSV is to induce a mild oxidative stress resulting in hormetic shifting of cellular metabolism towards a more reductive state.

Polyphenole wurden anfänglich als Tannine zur Herstellung von Leder verwendet und sind heutzutage vor allem für ihre gesundheitsfördernden Eigenschaften bekannt [14]. Das Phytoalexin trans-Resveratrol (RSV) wurde ursprünglich aus Veratrum grandiflorum O. Loes isoliert [30] und wurde bisher in ca. 72 verschiedenen Pflanzen nachgewiesen [19]. Besonders das sogenannte französische Paradoxon [16] sowie Berichte über chemo-preventive Eigenschaften [19] rückten RSV in den Fokus der Forschung [24,388,389]. Die Haut ist das größte Organ unseres Körpers [2] und tagtäglich verschiedenen oxidativen und umweltbedingten Stressfaktoren ausgesetzt [390–392]. Die Anwendung von RSV im Hautkontext ist ein hochaktueller Themenbereich, insbesondere, da die epidermalen Keratinozyten ein Hauptziel für RSV-basierte Lotionen darstellen. Ungeachtet dessen ist der Reaktionsmechanismus von RSV weitestgehend unbekannt und wird heftig diskutiert. In dieser Arbeit werden vor allem neonatale normale humane epidermale Keratinozyten (NHEK) verwendet, um den Wirkmechanismus von RSV zu untersuchen. Wir zeigen, dass RSV unter physiologischen Bedingungen instabil ist und dass der Zerfall von RSV die Entstehung von Oxidationsprodukten und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) nach sich zieht. Darüber hinaus erhöht die Anwendung von RSV in kleinen, hormetischen Konzentrationen (≤ 50 μM) die zelluläre Viabilität in diversen Zellmodellen. Eine gleichzeitige Anwendung von Radikalfängern beseitigt diese Viabilitätssteigerung vollständig. Zusätzlich initiiert RSV die Expression von Zielgenen über den Transkriptionsfaktor Nrf2. Eine vergleichsweise kleine, 1,3-fache Steigerung des endogenen Glutathiongehalts (GSH) führt zu einer messbaren, quantitativen Verringerung der zellulären Redoxumgebung. Dementsprechend sind mit RSV vorbehandelte Zellen resistenter gegen bspw. Ethanol-induzierten oxidativen Stress und produzieren 24% weniger ROS. Wir schlagen einen Wirkmechanismus vor, der vor allem auf der Induktion von mildem oxidativen Stress beruht und letzten Endes zu einer hormetischen Verschiebung der zellulären Redoxumgebung führt.