Μελέτη του ρόλου του πρωτεασώματος στη γήρανση βλαστικών κυττάρων

Abstract

Aging is a complex multifactorial phenomenon, characterized by a gradual decline of defense mechanisms, reduced regenerative capacity of all tissues and organs, and an exponential accumulation of damage at the molecular, cellular and organismal level. Adult stem cells are critical for rejuvenating tissues and the age-associated demise of their function contributes to the physiological decline of homeostasis during ageing, leading to tissue degeneration. The proteasome, being the main cellular proteolytic system, plays a key role in the maintenance of protein homeostasis and its failure is associated with various biological phenomena including cellular senescence and ageing. Even though stem cell biology has attracted intense attention during the recent years, the role of proteasome in stemness and in the age-dependent deterioration of stem cell function remains largely unclear. In order to shed light on this process, we employed both Wharton-jelly and Adipose derived adult mesenchymal stem cells (hMSCs). We revealed a significant age-related decline in proteasome content and peptidase activities, accompanied by alterations of proteasomal complexes. Additionally, we show that senescence and the concomitant failure of proteostasis negatively affects the expression of the core pluripotency factors and the cellular differentiation capability. Remarkably, the overexpression of the β5 catalytic subunit, activated and sustained the function of the proteasome during stem cell senescence, resulting in a significant enhancement of their lifespan and counteracting the senescence-related loss of their stemness. In addition, proteasome activation lessened the telomere attrition during the extended culture and eliminated the senescence-associated accumulation of oxidised proteins. We also identified several novel compounds with antioxidant properties or with the ability to activate the proteasome and extend the lifespan of hMSC. At the mechanistic level, our study revealed a previously unrecognized connection between pluripotency factors and the proteasome machinery in hMSCs. Specifically, we demonstrated for the first time that Oct4 binds at the promoter region of β2 and β5 proteasome subunits and thus possibly regulates their expression. A firm understanding of the mechanisms regulating proteostasis in stem cells will pave the way to innovative stem cell-based interventions to improve healthspan and lifespan.

Η γήρανση αποτελεί ένα σύνθετο πολυπαραγοντικό φαινόμενο, το οποίο χαρακτηρίζεται από σταδιακή μείωση των αμυντικών μηχανισμών, μειωμένη αναγεννητική ικανότητα όλων των ιστών και οργάνων και εκθετική συσσώρευση βλαβών σε μοριακό, κυτταρικό και οργανισμικό επίπεδο. Τα βλαστικά κύτταρα είναι υπεύθυνα για την ιστική ανανέωση και η απώλεια της λειτουργικότητάς τους συμβάλλει στη γήρανση των ιστών. Το πρωτεάσωμα, καθώς είναι το κύριο κυτταρικό πρωτεολυτικό σύστημα, διαδραματίζει θεμελιώδη ρόλο στη διατήρηση της πρωτεόστασης. Οι αλλοιώσεις του πρωτεασώματος συνδέονται με διάφορα βιολογικά φαινόμενα συμπεριλαμβανομένης της γήρανσης. Ωστόσο, λίγα είναι γνωστά σχετικά με το ρόλο του πρωτεασώματος και των άλλων αντιοξειδωτικών αποκρίσεων στη γήρανση των βλαστικών κυττάρων. Προκειμένου να αποκρυπτογραφηθούν αυτές οι διεργασίες, χρησιμοποιήθηκαν μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα (hMSCs) που προέρχονταν από τη ζελατινώδη ουσία του Wharton (WJ-MSCs) και από το λιπώδη ιστό (ASCs). Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, παρατηρήθηκε μια σημαντική ελάττωση σε όλες τις ενεργότητες πεπτιδάσης του πρωτεασώματος, συνοδευόμενη από μείωση της έκφρασης των υπομονάδων και τροποποιήσεις των πρωτεασωμικών συμπλόκων στα γηρασμένα hMSCs. Ταυτόχρονα, τόσο τα επίπεδα έκφρασης χαρακτηριστικών δεικτών πολυδυναμικότητας, όσο και η ικανότητα διαφοροποίησης των hMSCs μειώνεται κατά τη διάρκεια της γήρανσης τους. Καθώς η γήρανση των βλαστοκυττάρων χαρακτηρίζεται από μειωμένο πρωτεασωμικό περιεχόμενο και από τις επακόλουθες διαταραχές της πρωτεόστασης, η διατήρηση της λειτουργίας του πρωτεασώματος ενδεχομένως θα μπορούσε να καθυστερήσει την πρόοδό της. Προς αυτή την κατεύθυνση, πραγματοποιήθηκε υπερέκφραση της β5 καταλυτικής υπομονάδας του πρωτεασώματος σε WJ-MSCs και διαπιστώθηκε ότι ήταν αρκετή για να αυξήσει και να διατηρήσει τις πρωτεασωμικές λειτουργίες κατά τη γήρανση και ακολούθως να αυξήσει την αναδιπλασιαστική διάρκεια ζωής και την πολυδυναμικότητά τους. Ταυτόχρονα, η ενεργοποίηση του πρωτεασώματος άμβλυνε τη μείωση του μήκους των τελομερών κατά την εκτεταμένη καλλιέργεια των βλαστικών κυττάρων και εξάλειψε τη σχετιζόμενη με την αναδιπλασιαστική γήρανση, αύξηση των επιπέδων των οξειδωτικά τροποποιημένων πρωτεϊνών. Προς την ίδια κατεύθυνση, ταυτοποιήθηκαν νέες αντιοξειδωτικές ενώσεις και νέοι ενεργοποιητές του πρωτεασώματος με ικανότητα να καθυστερούν τη γήρανση των βλαστικών κυττάρων. Τέλος, διαπιστώθηκε μια νέα σύνδεση μεταξύ των παραγόντων πολυδυναμικότητας και του πρωτεασώματος. Συγκεκριμένα, αποκαλύφθηκε για πρώτη φορά η ύπαρξη ενεργών σημείων πρόσδεσης του κεντρικού παράγοντα πολυδυναμικότητας Oct4 στους υποκινητές των γονιδίων των πρωτεασωμικών υπομονάδων β2 και β5 και ως εκ τούτου ενδεχομένως συμμετέχει τη ρύθμιση της έκφρασης τους. Η κατανόηση των μηχανισμών που ρυθμίζουν την πρωτεόσταση στα βλαστικά κύτταρα θα ανοίξει το δρόμο σε καινοτόμες βασιζόμενες σε βλαστοκύτταρα παρεμβάσεις, οι οποίες θα αποσκοπούν στη θεραπεία ηλικιοεξαρτώμενων ασθενειών και στη βελτίωση της διάρκειας ζωής.