БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 3, с. 380–391

УДК 576.32.36

Изменение транскрипции генов, ассоциированных с реакцией на гипоксию, в мезенхимальных стромальных клетках при репликативном старении в условиях физиологического содержания кислорода

© 2019 А.Ю. Ратушный *, Ю.В. Рудимова, Л.Б. Буравкова

Институт медико-биологических проблем РАН, 123007 Москва, Россия; электронная почта: buravkova@imbp.ru

Поступила в редакцию 09.11.2018
После доработки 04.12.2018
Принята к публикации 04.12.2018

DOI: 10.1134/S0320972519030084

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мезенхимальные стромальные клетки, репликативное старение, уровень кислорода.

Аннотация

Мезенхимальные стромальные клетки (МСК) являются одной из популяций стволовых клеток взрослого организма, способной модулировать функциональный статус окружающих тканей. Однако при достижении состояния клеточного старения биологическая активность МСК изменяется, что может стать причиной изменения тканевого гомеостаза. Известно, что снижение уровня кислорода в условиях in vitro до физиологических значений, характерных для ниши данной популяции клеток, способствует смягчению некоторых морфофункциональных изменений, ассоциированных со старением. Целью данной работы являлось изучение экспрессии генов МСК, ассоциированных с реакцией на гипоксию, на модели репликативного старения с использованием физиологического (5%) и атмосферного (20%) уровней кислорода при культивировании. Согласно полученным данным, значимое снижение пролиферативных свойств МСК происходит после 20 пассажей, что составляет ~50 клеточных делений. Вне зависимости от уровня кислорода в сенесцентных клетках повышалась экспрессия генов PKM2, SERPINE1, VEGFA и снижалась экспрессия генов ANKRD37, DDIT4, HIF1A, TXNIP. Помимо этого в гипоксических условиях обнаружено уменьшение количества мРНК генов ADORA2B, BNIPL, CCNG2, EGLN1, MAP3K1, MXI1 и P4HA1. Влияние уровня кислорода как на клеточном, так и на транскрипци­онном уровнях оказалось более выраженным на ранних пассажах. Независимо от пассажа при гипоксии снижалась экспрессия генов ANGPTL4, GYS1, PKM2, SERPINE1 и TP53. При этом на ранних этапах культивирования дополнительно обнаружено уменьшение количества мРНК ADM, F10, HMOX1, P4HB, PFKL и SLC16A3, а на поздних — мРНК HK2. Повышение уровня экспрессии показано лишь для гена ANKRD37, причем и на ранних, и на поздних пассажах.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 16-04-01244-А).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей и использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Munoz-Espin, D., and Serrano, M. (2014) Cellular senescence: from physiology to pathology, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 15, 482–496, doi: 10.1038/nrm3823.

2. Lopez-Otin, C., Blasco, M.A., Partridge, L., Serrano, M., and Kroemer, G. (2013) The hallmarks of aging, Cell, 153, 1194–1217, doi: 10.1016/j.cell.2013.05.039.

3. McHugh, D., and Gil, J. (2018) Senescence and aging: causes, consequences, and therapeutic avenues, J. Cell Biol., 217, 65–77, doi: 10.1083/jcb.201708092.

4. Campisi, J., and d’Adda di Fagagna, F. (2007) Cellular senescence: when bad things happen to good cells, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 8, 729–740, doi: 10.1038/nrm2233.

5. Collado, M., Blasco, M.A., and Serrano, M. (2007) Cellular senescence in cancer and aging, Cell, 130, 223–233, doi: 10.1016/j.cell.2007.07.003.

6. Salama, R., Sadaie, M., Hoare, M., and Narita, M. (2014) Cellular senescence and its effector programs, Genes Dev., 28, 99–114, doi: 10.1101/gad.235184.113.

7. Watanabe, S., Kawamoto, S., Ohtani, N., and Hara, E. (2017) Impact of senescence-associated secretory phenotype and its potential as a therapeutic target for senescence-associated diseases, Cancer Sci., 108, 563–569, doi: 10.1111/cas.13184.

8. Kuilman, T., and Peeper, D.S. (2009) Senescence-messaging secretome: SMS-ing cellular stress, Nat. Rev. Cancer, 9, 81–94, doi: 10.1038/nrc2560.

9. Coppe, J.P., Desprez, P.Y., Krtolica, A., and Campisi, J. (2010) The senescence-associated secretory phenotype: the dark side of tumor suppression, Annu. Rev. Pathol., 5, 99–118, doi: 10.1146/annurev-pathol-121808-102144.

10. Minieri, V., Saviozzi, S., Gambarotta, G., Lo Iacono, M., Accomasso, L., Cibrario Rocchietti, E., Gallina, C., Turinetto, V., and Giachino, C. (2015) Persistent DNA damage-induced premature senescence alters the functional features of human bone marrow mesenchymal stem cells, J. Cell Mol. Med., 19, 734–743, doi: 10.1111/jcmm.12387.

11. Turinetto, V., Vitale, E., and Giachino, C. (2016) Senescence in human mesenchymal stem cells: functional changes and implications in stem cell-based therapy, Int. J. Mol. Sci., 17, 1164, doi: 10.3390/ijms17071164.

12. Wei, F., Qu, C., Song, T., Ding, G., Fan, Z., Liu, D., Liu, Y., Zhang, C., Shi, S., and Wang, S. (2012) Vitamin C treatment promotes mesenchymal stem cell sheet formation and tissue regeneration by elevating telomerase activity, J. Cell Physiol., 227, 3216–3224, doi: 10.1002/jcp.24012.

13. Lin, T.M., Tsai, J.L., Lin, S.D., Lai, C.S., and Chang, C.C. (2005) Accelerated growth and prolonged lifespan of adipose tissue-derived human mesenchymal stem cells in a medium using reduced calcium and antioxidants, Stem Cells Dev., 14, 92–102, doi: 10.1089/scd.2005.14.92.

14. Skulachev, V.P. (2013) Cationic antioxidants as a powerful tool against mitochondrial oxidative stress, Biochem. Biophys. Res. Commun., 441, 275–279, doi: 10.1016/j.bbrc.2013.10.063.

15. Skulachev, M.V., and Skulachev, V.P. (2017) Programmed aging of mammals: proof of concept and prospects of biochemical approaches for anti-aging therapy, Biochemistry (Moscow), 82, 1403–1422, doi: 10.1134/S000629791712001X.

16. Fehrer, C., Brunauer, R., Laschober, G., Unterluggauer, H., Reitinger, S., Kloss, F., Gully, C., Gassner, R., and Lepperdinger, G. (2007) Reduced oxygen tension attenuates differentiation capacity of human mesenchymal stem cells and prolongs their lifespan, Aging Cell, 6, 745–757, doi: 10.1111/j.1474-9726.2007.00336.x.

17. Choi, J.R., Pingguan-Murphy, B., Wan Abas, W.A., Yong, K.W., Poon, C.T., Noor Azmi, M.A., Omar, S.Z., Chua, K.H., Xu, F., and Wan Safwani, W.K. (2015) In situ normoxia enhances survival and proliferation rate of human adipose tissue-derived stromal cells without increasing the risk of tumourigenesis, PLoS One, 10, e0115034, doi: 10.1371/journal.pone.0115034.

18. Buravkova, L.B., Andreeva, E.R., Gogvadze, V., and Zhivotovsky, B. (2014) Mesenchymal stem cells and hypoxia: where are we? Mitochondrion, 19, 105–112, doi: 10.1016/j.mito.2014.07.005.

19. Lobanova, M.V., Ratushnyy, A.Y., and Buravkova, L.B. (2016) Expression of senescence-associated genes in multipotent mesenchymal stromal cells during long-term cultivation at various hypoxic levels, Dokl. Biochem. Biophys., 470, 326–328, doi: 10.1134/S1607672916050057.

20. Ratushnyy, A., Lobanova, M., and Buravkova, L.B. (2017) Expansion of adipose tissue-derived stromal cells at «physiologic» hypoxia attenuates replicative senescence, Cell Biochem. Funct., 35, 232–243, doi: 10.1002/cbf.3267.

21. Semenza, G.L. (2007) Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) pathway, Sci. STKE, 2007, cm8, doi: 10.1126/stke.4072007cm8.

22. Zuk, P.A., Zhu, M., Mizuno, H., Huang, J., Futrell, J.W., Katz, A.J., Benhaim, P., Lorenz, H.P., and Hedrick, M.H. (2001) Multilineage cells from human adipose tissue: implications for cell-based therapies, Tissue Eng., 7, 211–228, doi: 10.1089/107632701300062859.

23. Буравкова Л.Б., Гринаковская О.С., Андреева Е.Р., Жамбалова А.П., Козионова М.П. (2009) Характеристика мезенхимных стромальных клеток из липоаспирата человека, культивируемых при пониженном содержании кислорода, Цитология, 51, 5–11, doi: 10.1134/S1990519X09010039.

24. Dominici, M., Le Blanc, K., Mueller, I., Slaper-Cortenbach, I., Marini, F., Krause, D., Deans, R., Keating, A., Prockop, D.J., and Horwitz, E. (2006) Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement, Cytotherapy, 8, 315–317, doi: 10.1080/14653240600855905.

25. Greenwood, S.K., Hill, R.B., Sun, J.T., Armstrong, M.J., Johnson, T.E., Gara, J.P., and Galloway, S.M. (2004) Population doubling: a simple and more accurate estimation of cell growth suppression in the in vitro assay for chromosomal aberrations that reduces irrelevant positive results, Environ. Mol. Mutagen., 43, 36–44, doi: 10.1002/em.10207.

26. Livak, K.J. and Schmittgen, T.D. (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCT method, Methods, 25, 402–408, doi: 10.1006/meth.2001.1262.

27. McLeod, C.M., and Mauck, R.L. (2017) On the origin and impact of mesenchymal stem cell heterogeneity: new insights and emerging tools for single cell analysis, Eur. Cell Mater., 34, 217–231, doi: 10.22203/eCM.v034a14.

28. Gonzalez-Cruz, R.D., Fonseca, V.C., and Darling, E.M. (2012) Cellular mechanical properties reflect the differentiation potential of adipose-derived mesenchymal stem cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, E1523–E1529, doi: 10.1073/pnas.1120349109.

29. Dimri, G.P., Lee, X., Basile, G., Acosta, M., Scott, G., Roskelley, C., Medrano, E.E., Linskens, M., Rubelj, I., Pereira-Smith, O., Peacocke, M., and Campisi, J. (1995) A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, 9363–9367.

30. Xu, L.N., Lin, N., Xu, B.N., Li, J.B., and Chen, S.Q. (2015) Effect of human umbilical cord mesenchymal stem cells on endometriotic cell proliferation and apoptosis, Genet. Mol. Res., 14, 16553–16561, doi: 10.4238/2015.December.11.2.

31. Bakkenist, C.J., and Kastan, M.B. (2004) Phosphatases join kinases in DNA-damage response pathways, Trends Cell Biol., 14, 339–341, doi: 10.1016/j.tcb.2004.05.001.

32. Zhan, H., Suzuki, T., Aizawa, K., Miyagawa, K., and Nagai, R. (2010) Ataxia telangiectasia mutated (ATM)-mediated DNA damage response in oxidative stress-induced vascular endothelial cell senescence, J. Biol. Chem., 285, 29662–29670, doi: 10.1074/jbc.M110.125138.

33. Buscemi, G., Perego, P., Carenini, N., Nakanishi, M., Chessa, L., Chen, J., Khanna, K., and Delia, D. (2004) Activation of ATM and Chk2 kinases in relation to the amount of DNA strand breaks, Oncogene, 23, 7691–7700, doi: 10.1038/sj.onc.1207986.

34. Lukas, C., Falck, J., Bartkova, J., Bartek, J., and Lukas, J. (2003) Distinct spatiotemporal dynamics of mammalian checkpoint regulators induced by DNA damage, Nat. Cell Biol., 5, 255–260, doi: 10.1038/ncb945.

35. Von Zglinicki, T., Saretzki, G., Ladhoff, J., d’Adda di Fagagna, F., and Jackson, S.P. (2005) Human cell senescence as a DNA damage response, Mech. Ageing Dev., 126, 111–117, doi: 10.1016/j.mad.2004.09.034.

36. Sofer, A., Lei, K., Johannessen, C.M., and Ellisen, L.W. (2005) Regulation of mTOR and cell growth in response to energy stress by REDD1, Mol. Cell Biol., 25, 5834–5845, doi: 10.1128/MCB.25.14.5834-5845.2005.

37. Shoshani, T., Faerman, A., Mett, I., Zelin, E., Tenne, T., Gorodin, S., Moshel, Y., Elbaz, S., Budanov, A., Chajut, A., Kalinski, H., Kamer, I., Rozen, A., Mor, O., Keshet, E., Leshkowitz, D., Einat, P., Skaliter, R., and Feinstein, E. (2002) Identification of a novel hypoxia-inducible factor 1-responsive gene, RTP801, involved in apoptosis, Mol. Cell. Biol., 22, 2283–2293, doi: 10.1128/MCB.22.7.2283-2293.2002.

38. Wolff, N.C., Vega-Rubin-de-Celis, S., Xie, X.J., Castrillon, D.H., Kabbani, W., and Brugarolas, J. (2011) Cell-type-dependent regulation of mTORC1 by REDD1 and the tumor suppressors TSC1/TSC2 and LKB1 in response to hypoxia, Mol. Cell. Biol., 31, 1870–1884, doi: 10.1128/MCB.01393-10.

39. Kucejova, B., Sunny, N.E., Nguyen, A.D., Hallac, R., Fu, X., Pena-Llopis, S., Mason, R.P., Deberardinis, R.J., Xie, X.J., Debose-Boyd, R., Kodibagkar, V.D., Burgess, S.C., and Brugarolas, J. (2011) Uncoupling hypoxia signaling from oxygen sensing in the liver results in hypoketotic hypoglycemic death, Oncogene, 30, 2147–2160, doi: 10.1038/onc.2010.587.

40. Benita, Y., Kikuchi, H., Smith, A.D., Zhang, M.Q., Chung, D.C., and Xavier, R.J. (2009) An integrative genomics approach identifies hypoxia inducible factor-1 (HIF-1)-target genes that form the core response to hypoxia, Nucleic Acids Res., 37, 4587–4602, doi: 10.1093/nar/gkp425.

41. Murakami, S., Terakura, M., Kamatani, T., Hashikawa, T., Saho, T., Shimabukuro, Y., and Okada, H. (2000) Adenosine regulates the production of interleukin-6 by human gingival fibroblasts via cyclic AMP/protein kinase A pathway, J. Periodont. Res., 35, 93–101.

42. Ray, R., Chen, G., Vande Velde, C., Cizeau, J., Park, J.H., Reed, J.C., Gietz, R.D., and Greenberg, A.H. (2000) BNIP3 heterodimerizes with Bcl-2/Bcl-X(L) and induces cell death independent of a Bcl-2 homology 3 (BH3) domain at both mitochondrial and nonmitochondrial sites, J. Biol. Chem., 275, 1439–1448.

43. Ahmed, S., Al-Saigh, S., and Matthews, J. (2012) FOXA1 is essential for aryl hydrocarbon receptor-dependent regulation of cyclin G2, Mol. Cancer Res., 10, 636–648, doi: 10.1158/1541-7786.MCR-11-0502.

44. Sun, G.G., Zhang, J., and Hu, W.N. (2014) CCNG2 expression is downregulated in colorectal carcinoma and its clinical significance, Tumour Biol., 35, 3339–3346, doi: 10.1007/s13277-013-1440-5.

45. Huang, H.Y., Chen, S.Z., Zhang, W.T., Wang, S.S., Liu, Y., Li, X., Sun, X., Li, Y.M., Wen, B., Lei, Q.Y., and Tang, Q.Q. (2013) Induction of EMT-like response by BMP4 via upregulation of lysyl oxidase is required for adipocyte lineage commitment, Stem Cell Res., 10, 278–287, doi: 10.1016/j.scr.2012.12.005.

46. Kortlever, R.M., Higgins, P.J., and Bernards, R. (2006) Plasminogen activator inhibitor-1 is a critical downstream target of p53 in the induction of replicative senescence, Nat. Cell Biol., 8, 877–884, doi: 10.1038/ncb1448.

47. Zhang, Y., Xu, Y., Ma, J., Pang, X., and Dong, M. (2017) Adrenomedullin promotes angiogenesis in epithelial ovarian cancer through upregulating hypoxia-inducible factor-1α and vascular endothelial growth factor, Sci. Rep., 7, 40524, doi: 10.1038/srep40524.

48. Chen, K., and Maines, M.D. (2000) Nitric oxide induces heme oxygenase-1 via mitogen-activated protein kinases ERK and p38, Cell Mol. Biol. (Noisy-le-grand), 46, 609–617.

49. Pescador, N., Villar, D., Cifuentes, D., Garcia-Rocha, M., Ortiz-Barahona, A., Vazquez, S., Ordonez, A., Cuevas, Y., Saez-Morales, D., Garcia-Bermejo, M.L., Landazuri, M.O., Guinovart, J., and del Peso, L. (2010) Hypoxia promotes glycogen accumulation through hypoxia inducible factor (HIF)-mediated induction of glycogen synthase 1, PLoS One, 5, e9644, doi: 10.1371/journal.pone.0009644.

50. Kim, I., Kim, H.G., Kim, H., Kim, H.H., Park, S.K., Uhm, C.S., Lee, Z.H., and Koh, G.Y. (2000) Hepatic expression, synthesis and secretion of a novel fibrinogen/angiopoietin-related protein that prevents endothelial-cell apoptosis, Biochem. J., 346, 603–610.

51. Погодина М.В., Буравкова Л.Б. (2015) Особенности экспрессии HIF1A в мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках при гипоксии, Бюлл. экспер. биол. мед., 159, 333–335.

52. Tsai, C.C., Chen, Y.J., Yew, T.L., Chen, L.L., Wang, J.Y., Chiu, C.H., and Hung, S.C. (2011) Hypoxia inhibits senescence and maintains mesenchymal stem cell properties through down-regulation of E2A-p21 by HIF-TWIST, Blood, 117, 459–469, doi: 10.1182/blood-2010-05-287508.