Phenylpropanoid glycosides from plant cell cultures induce heme oxygenase 1 gene expression in a human keratinocyte cell line by affecting the balance of nrf2/bach1 transcription factors

L’identificazione di antiossidanti naturali per un’efficace fotoprotezione e per la soppressione di reazioni infiammatorie nella pelle è oggi uno dei principali interessi dell’indagine dermatologica. I presenti risultati suggeriscono fortemente che i fenilpropanoidi glicosidi (PPGs), forsythoside B, echinacoside, verbascoside e parzialmente anche campneoside I, possano rappresentare sostanze naturali di particolare interesse per la dermatologia per la protezione della pelle contro lo stress ossidativo indotto dall’ambiente e contro gli insulti infiammatori. Infatti, mediante PCR real time, è emerso che, in una linea cellulare di cheratinociti umani (HaCaT), questi composti inducono l’espressione di un importante gene detossificante di fase II, l’eme ossigenasi-1 (HO-1), in maniera dose e tempo dipendente. Per aumentare l’espressione del gene HO-1 erano necessarie 24 ore di trattamento con i PPGs. Una singola somministrazione di verbascoside, forsythoside B ed echinacoside (200 µM) alle colture cellulari causava un ulteriore aumento nella quantità di trascritto per l’HO-1 dopo 48 e 72 ore, mostrando che questi PPGs presentavano effetti con un inizio tardivo ma che perduravano a lungo. Inoltre, abbiamo dimostrato, mediante analisi di western blot, che l’aumento dell’mRNA per l’HO-1 da parte dei PPGs potrebbe dipendere dall’aumento dei livelli proteici nucleari dell’attivatore trascrizionale Nrf2 e dalla riduzione di quelli del repressore Bach1. In più, evidenze sperimentali suggeriscono che l’idrossitirosolo potrebbe essere il pricipale gruppo bioattivo dei PPGs dal momento che abbiamo dimostrato che l’idrossitirosolo, aggiunto da solo alle colture cellulari in quantità equimolari ai PPGs, era in grado sia di aumentare l’espressione genica dell’HO-1 sia di influire sui livelli proteici nucleari di Nrf2 e Bach1. La comprensione dei loro meccanismi molecolari sull’espressione dell’HO-1 potrebbe promuovere l’uso innovativo di questi composti in dermatologia per rallentare l’invecchiamento della pelle o alleviare malattie in cui lo stress ossidativo è una causa primaria.

The identification of natural antioxidants for effective photoprotection and suppression of inflammatory reactions in the skin is now a major concern for investigative dermatology. The present results strongly suggest that the phenylpropanoid glycosides (PPGs), forsythoside B, echinacoside, verbascoside and partially campneoside I, may represent natural substances of special dermatological interest for the protection of the skin from environmental induced oxidative stress and inflammatory insults. Indeed, using real time PCR, we found that, in a human keratinocytes cell line (HaCaT), these compounds induce the expression of an important detoxifying phase II gene, heme oxygenase-1 (HO-1), in a dose- and time-dependent manner. 24 hours of treatment with PPGs was required to increase HO-1 gene expression. A single administration of verbascoside, forsythoside B and echinacoside (200 µM) to cell cultures caused a further increase in the amount of HO-1 mRNA after 48 and 72 hours, showing that these PPGs had late onset but long lasting effects. Furthermore, we demonstrated, by western blot analyses, that the increase of HO-1 mRNA by PPGs might be dependent on the increase of Nrf2 transcription activator and the reduction of nuclear protein levels of Bach1 repressor. Moreover, experimental evidences suggest that hydroxytyrosol could be the major bioactive moiety of PPGs since we demonstrated that hydroxytyrosol, added alone to cell cultures in equimolar amounts to PPGs, was able to both increase HO-1 gene expression and affect Nrf2 and Bach1 nuclear protein levels. The understanding of their molecular mechanism on HO-1 expression could promote the innovative use of these compounds in dermatology to slow down aging or alleviate diseases in which oxidative stress is a primary cause.