БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 10, с. 1372–1382

УДК 576.32.36

Репликативное старение и экспрессия генов аутофагии в мезенхимальных стромальных клетках

© 2020 А.Ю. Ратушный *, Ю.В. Рудимова, Л.Б. Буравкова

Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, 123007 Москва, Россия; электронная почта: ratushkin@mail.ru

Поступила в редакцию 21.07.2020
После доработки 05.08.2020
Принята к публикации 05.08.2020

DOI: 10.31857/S032097252010005X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мезенхимальные стромальные клетки, репликативное старение, аутофагия, гипоксия.

Аннотация

Клеточное старение приводит к изменению ряда свойств мезенхимальных стромальных клеток (МСК), в том числе, увеличивается количество поврежденных структур, которые могут оказывать негативное влияние на внутриклеточные процессы. Устранение поврежденных молекул и органелл происходит посредством аутофагии, что может иметь большое значение в контексте старения. Одним из подходов к усилению терапевтических свойств и «замедлению» клеточного старения является использование для культивирования пониженного уровня кислорода. Цель данной работы заключалась в изучении некоторых морфофункциональных характеристик и экспрессии генов, ассоциированных с аутофагией, при репликативном старении МСК в условиях с различным содержанием кислорода. Проведенное исследование позволило выявить изменения в регуляции аутофагии на транскрипционном уровне. Показано повышение экспрессии генов роста аутофагосомной мембраны – ATG9A, ULK1, генов созревания аутофагосом – CTSD, CLN3, GAA, GABARAPL1, генов регуляции аутофагии – TP53, TGFB1, BCL2L1, FADD, HTT, при одновременном снижении экспрессии IGF1 и TGM2. Отмечено увеличение объема лизосомального компартмента, что также указывает на усиление деградационной активности сенесцентных МСК. Использование при длительном культивировании пониженного содержания кислорода (5%) способствовало уменьшению количества лизосом. На транскрипционном уровне репликативное старение МСК в условиях различного содержания кислорода приводило к однотипным изменениям экспрессии генов, ассоциированных с аутофагией.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (19-015-00150-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. Chan, R. W. S., Schwab, K. E., and Gargett, C. E. (2004) Clonogenicity of human endometrial epithelial and stromal cells, Biol. Reprod., 70, 1738-1750, doi: 10.1095/biolreprod.103.024109.

2. Trounson, A., and McDonald, C. (2015) Stem cell therapies in clinical trials: progress and challenges, Cell Stem Cell, 17, 11-22, doi: 10.1016/j.stem.2015.06.007.

3. Caplan, A. I. (2009) Why are MSCs therapeutic? New data: new insight, J. Pathol., 217, 318-324, doi: 10.1002/path.2469.

4. Hodgkinson, C. P., Bareja, A., Gomez, J. A., and Dzau, V. J. (2016) Emerging concepts in paracrine mechanisms in regenerative cardiovascular medicine and biology, Circ. Res., 118, 95-107, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.115.305373.

5. Gornostaeva, A., Andreeva, E., and Buravkova, L. (2016) Factors governing the immunosuppressive effects of multipotent mesenchymal stromal cells in vitro, Cytotechnology, 68, 565-577, doi: 10.1007/s10616-015-9906-5.

6. Lunyak, V. V., Amaro-Ortiz, A., and Gaur, M. (2017) Mesenchymal stem cells secretory responses: senescence messaging secretome and immunomodulation perspective, Front. Genet., 8, 220-240, doi: 10.3389/fgene.2017.00220.

7. 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.

8. Li, Y., Wu, Q., Wang, Y., Li, L., Bu, H., and Bao, J. (2017) Senescence of mesenchymal stem cells, Int. J. Mol. Med., 39, 775-782, doi: 10.3892/ijmm.2017.2912.

9. Ratushnyy, A., Ezdakova, M., and Buravkova, L. (2020) Secretome of senescent adipose-derived mesenchymal stem cells negatively regulates angiogenesis, Int. J. Mol. Sci., 21, 1802-1817, doi: 10.3390/ijms21051802.

10. Morgunova, G. V., Klebanov, A. A., and Khokhlov, A. N. (2016) Some remarks on the relationship between autophagy, cell aging, and cell proliferation restriction, Moscow Univ. Biol. Sci. Bull., 71, 207-211, doi: 10.3103/S0096392516040088.

11. Ma, Y., Qi, M., An, Y., Zhang, L., Yang, R., Doro, D. H., Liu, W., and Jin, Y. (2018) Autophagy controls mesenchymal stem cell properties and senescence during bone aging, Aging Cell, 17, 12709, doi: 10.1111/acel.12709.

12. Rastaldo, R., Vitale, E., and Giachino, C. (2020) Dual role of autophagy in regulation of mesenchymal stem cell senescence, Front. Cell Dev. Biol., 8, 276-282, doi: 10.3389/fcell.2020.00276.

13. Chang, T. C., Hsu, M. F., and Wu, K. K. (2015) High glucose induces bone marrow-derived mesenchymal stem cell senescence by upregulating autophagy, PLoS One, 10, e0126537, doi: 10.1371/journal.pone.0126537.

14. Zheng, Y., Hu, C. J., Zhuo, R. H., Lei, Y. S., Han, N. N., and He, L. (2014) Inhibition of autophagy alleviates the senescent state of rat mesenchymal stem cells during long-term culture, Mol. Med. Rep., 10, 3003-3008, doi: 10.3892/mmr.2014.2624.

15. Liu, F., Lee, J. Y., Wei, H., Tanabe, O., Engel, J. D., Morrison, S. J., and Guan, J.-L. (2010) FIP200 is required for the cell-autonomous maintenance of fetal hematopoietic stem cells, Blood, 116, 4806-4814, doi: 10.1182/blood-2010-06-288589.

16. Ou, X., Lee, M. R., Huang, X., Messina-Graham, S., and Broxmeyer, H. E. (2014) SIRT1 positively regulates autophagy and mitochondria function in embryonic stem cells under oxidative stress, Stem Cells, 32, 1183-1194, doi: 10.1002/stem.1641.

17. García-Prat, L., Martínez-Vicente, M., Perdiguero, E., Ortet, L., Rodríguez-Ubreva, J., Rebollo, E., Ruiz-Bonilla, V., Gutarra, S., Ballestar, E., Serrano, A. L., Sandri, M., and Muñoz-Cánoves, P. (2016) Autophagy maintains stemness by preventing senescence, Nature, 529, 37-42, doi: 10.1038/nature16187.

18. Herberg, S., Shi, X., Johnson, M. H., Hamrick, M. W., Isales, C. M., and Hill, W. D. (2013) Stromal cell-derived factor-1beta mediates cell survival through enhancing autophagy in bone marrow-derived mesenchymal stem cells, PLoS One, 8, e58207, doi: 10.1371/journal.pone.0058207.

19. Lu, J., Li, Z., Wu, X., Chen, Y., Yan, M., Ge, X., and Yu, J. (2019) iRoot BP Plus promotes osteo/odontogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells via MAPK pathways and autophagy, Stem Cell Res. Ther., 10, 222-235, doi: 10.1186/s13287-019-1345-3.

20. Ceccariglia, S., Cargnoni, A., Silini, A. R., and Parolini, O. (2020) Autophagy: a potential key contributor to the therapeutic action of mesenchymal stem cells, Autophagy, 16, 28-37, doi: 10.1080/15548627.2019.1630223.

21. Kang, C., Xu, Q., Martin, T. D., Li, M. Z., Demaria, M., Aron, L., Lu, T., Yankner, B. A., Campisi, J., and Elledge, S. J. (2015) The DNA damage response induces inflammation and senescence by inhibiting autophagy of GATA4, Science, 349, 5612, doi: 10.1126/science.aaa5612.

22. Kang, C., and Elledge, S. J. (2016) How autophagy both activates and inhibits cellular senescence, Autophagy, 12, 898-899, doi: 10.1080/15548627.2015.1121361.

23. 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.

24. 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.

25. Buravkova, L. B., Grinakovskaya, O. S., Andreeva, E. R., Zhambalova, A. P., and Kozionova, M. P. (2009) Characteristics of mesenchymal stromal cells from human lipoaspirate cultivated at decreased oxygenation, Tsitologiya, 51, 5-11, doi: 10.1134/S1990519X09010039.

26. 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.

27. 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.

28. Dimri, G. P., Lee, X., Basile, G., Acosta, M., Scott, G., et al. (1995) A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, 9363-9367, doi: 10.1073/pnas.92.20.9363.

29. 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.

30. 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.

31. Mathew, S. A., Rajendran, S., Gupta, P. K., and Bhonde, R. (2013) Modulation of physical environment makes placental mesenchymal stromal cells suitable for therapy, Cell Biol. Int., 37, 1197-1204, doi: 10.1002/cbin.10154.

32. Valorani, M. G., Montelatici, E., Germani, A., Biddle, A., D’Alessandro, D., Strollo, R., Patrizi, M. P., Lazzari, L., Nye, E., Otto, W. R., Pozzilli, P., and Alison, M. R. (2012) Pre-culturing human adipose tissue mesenchymal stem cells under hypoxia increases their adipogenic and osteogenic differentiation potentials, Cell Prolif., 45, 225-238, doi: 10.1111/j.1365-2184.2012.00817.x.

33. Pilgaard, L., Lund, P., Duroux, M., Fink, T., Ulrich-Vinther, M., Søballe, K., and Zachar, V. (2009) Effect of oxygen concentration, culture format and donor variability on in vitro chondrogenesis of human adipose tissue-derived stem cells, Regen. Med., 4, 539-548, doi: 10.2217/rme.09.28.

34. Choi, J. R., Pingguan-Murphy, B., Wan Abas, W. A., Yong, K. W., Poon, C. T., et al. (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.

35. Mohyeldin, A., Garzón-Muvdi, T., Quiñones-Hinojosa, A. (2010) Oxygen in stem cell biology: a critical component of the stem cell niche, Cell Stem Cell, 7, 150-161, doi: 10.1016/j.stem.2010.07.007.

36. Reeg, S., and Grune, T. (2015) Protein oxidation in aging: does it play a role in aging progression? Antioxid. Redox. Signal., 23, 239-255, doi: 10.1089/ars.2014.6062.

37. Kurz, D. J., Decary, S., Hong, Y., and Erusalimsky, J. D. (2000) Senescence-associated (Beta)-galactosidase reflects an increase in lysosomal mass during replicative ageing of human endothelial cells, J. Cell Sci., 113, 3613-3622, PMID: 11017877.

38. Gómez-Sintes, R., Ledesma, M. D., and Boya, P. (2016) Lysosomal cell death mechanisms in aging, Ageing Res Rev., 32, 150-168, doi: 10.1016/j.arr.2016.02.009.

39. Bertolo, A., Baur, M., Guerrero, J., Pötzel, T., and Stoyanov, J. (2019) Autofluorescence is a reliable in vitro marker of cellular senescence in human mesenchymal stromal cells, Sci. Rep., 9, 2074-2088, doi: 10.1038/s41598-019-38546-2.

40. Brunk, U. T., and Terman, A. (2002). Lipofuscin: mechanisms of age-related accumulation and infuence on cell function, Free Radic. Biol. Med., 33, 611-619, doi: 10.1016/s0891-5849(02)00959-0.

41. Rodier, F., and Campisi, J. (2011) Four faces of cellular senescence, J. Cell Biol., 192, 547-556, doi: 10.1083/jcb.201009094.

42. Legzdina, D., Romanauska, A., Nikulshin, S., Kozlovska, T., and Berzins, U. (2016) Characterization of senescence of culture-expanded human adipose-derived mesenchymal stem cells, Int. J. Stem Cells, 9, 124-136, doi: 10.15283/ijsc.2016.9.1.124.

43. Ratushnyy, A. Y., Rudimova, Y. V., and Buravkova, L. B. (2019) Alteration of hypoxia-associated gene expression in replicatively senescent mesenchymal stromal cells under physiological oxygen level, Biochemistry (Moscow), 84, 263-271, doi: 10.1134/S0006297919030088.

44. Korovilaa, I., Hugoa, M., Castroa, J. P., Webera, D., Höhna, A., Grunea, T., and Junga, T. (2017) Proteostasis, oxidative stress and aging, Redox Biol., 13, 550-567, doi: 10.1016/j.redox.2017.07.008.

45. Yang, M., Wen, T., Chen, H., Deng, J., Yang, C., and Zhang, Z. (2018) Knockdown of insulin-like growth factor 1 exerts a protective effect on hypoxic injury of aged BM-MSCs: role of autophagy, Stem Cell Res. Ther., 9, 284-301, doi: 10.1186/s13287-018-1028-5.

46. Kovaleva, O. V., Shitova, M. S., and Zborovskaya, I. B. (2014) Autophagy: the cell death or a manner of survival? Klinich. Onkogematologiya, 7, 103-113.

47. Zhang, M., Du, Y., Lu, R., Shu, Y., Zhao, W., et al. (2016). Cholesterol retards senescence in bone marrow mesenchymal stem cells by modulating autophagy and ROS/P53/P21Cip1/Waf1 pathway, Oxid. Med. Cell. Longev., 2016, 7524308, doi: 10.1155/2016/7524308.

48. Ghavami, S., Cunnington, R. H., Gupta, S., Yeganeh, B., Filomeno, K. L., Freed, D. H., Chen, S., Klonisch, T., Halayko, A. J., Ambrose, E., Singal, R., and Dixon, I. M. C. (2015) Autophagy is a regulator of TGF-β1-induced fibrogenesis in primary human atrial myofibroblasts, Cell Death Dis., 6, 1696, doi: 10.1038/cddis.2015.36.

49. Martin, D. D. O., Ladha, S., Ehrnhoefer, D. E., and Hayden, M. R. (2015) Autophagy in Huntington disease and huntingtin in autophagy, Trends. Neurosci., 38, 26-35, doi: 10.1016/j.tins.2014.09.003.

50. Zhou, F., Yang, Y., and Xing, D. (2011) Bcl-2 and Bcl-xL play important roles in the crosstalk between autophagy and apoptosis, FEBS J., 278, 403-413, doi: 10.1111/j.1742-4658.2010.07965.x.

51. Thorburn, J., Moore, F., Rao, A., Barclay, W. W., Thomas, L. R., Grant, K. W., Cramer, S. D., and Thorburn, A. (2005) Selective inactivation of a Fas-associated death domain protein (FADD)-dependent apoptosis and autophagy pathway in immortal epithelial cells, Mol. Biol. Cell, 16, 1189-1199, doi: 10.1091/mbc.e04-10-0906.

52. Judith, D., Jefferies, H. B. J., Boeing, S., Frith, D., Snijders, A. P., and Tooze, S. A. (2019) ATG9A shapes the forming autophagosome throughArfaptin 2 and phosphatidylinositol 4-kinase IIIβ, J. Cell Biol., 218, 1634-1652.

53. Chandrachud, U., Walker, M. W., Simas, A. M., Heetveld, S., Petcherski, A., et al. (2015) Unbiased cell-based screening in a neuronal cell model of batten disease highlights an interaction between Ca2 homeostasis, autophagy, and CLN3 protein function, J. Biol. Chem., 290, 14361-14380, doi: 10.1074/jbc.M114.621706.

54. Boyer-Guittaut, M., Poillet, L., Liang, Q., Bôle-Richard E., Ouyang, X., et al. (2014) Affiliations expand the role of GABARAPL1/GEC1 in autophagic flux and mitochondrial quality control in MDA-MB-436 breast cancer cells, Autophagy, 10, 986-1003, doi: 10.4161/auto.28390.

55. Hah, Y. S., Noh, H. S., Ha, J. H., Ahn, J. S., Hahm, J. R., Cho, H. Y., and Kim, D. R. (2012) Cathepsin D inhibits oxidative stress-induced cell death via activation of autophagy in cancer cells, Cancer Lett., 323, 208-214, doi: 10.1016/j.canlet.2012.04.012.

56. D’Eletto, M., Farrace, M. G., Falasca, L., Reali, V., Oliverio, S., Melino, G., Griffin, M., Fimia, G. M., and Piacentini, M. (2009) Transglutaminase 2 is involved in autophagosome maturation, Autophagy, 5, 1145-1154.