The impact of DNA damage on transcriptional stress in mammals

Abstract

Transcription stress poses a significant threat to cellular function and genome stability, yet the underlying mechanisms remain unclear. Here, we demonstrate that Tcea1-/- cells, which harbor a TFIIS defect in transcription elongation, exhibit RNA polymerase II (RNAPII) stalling at oxidative DNA damage sites, impaired transcription, accumulation of R-loops, telomere uncapping, chromatin bridges, and genome instability, ultimately resulting in cellular senescence. We find that R-loops on telomeres causally contribute to the release of telomeric DNA fragments in the cytoplasm of Tcea1-/- cells and naturally aged animal-derived primary cells triggering a viral-like immune response. Importantly, we uncover a novel mechanism wherein TFIIS defective cells release extracellular vesicles laden with telomeric DNA fragments, effectively targeting neighboring cells and inducing bystander senescence. Together, these findings unravel the functional interplay between transcription stress, immune activation, and paracrine cellular senescence with important ramifications for natural aging and the premature onset of age-related diseases.

Καταστάσεις που επηρεάζουν τη φυσιολογική διαδικασία της μεταγραφής και οδηγούν σε μεταγραφικό στρες, αποτελούν μία πολύ σημαντική απειλή για την κυτταρική λειτουργία και τη γενωμική σταθερότητα. Οι ακριβείς μηχανισμοί που μπορούν να οδηγήσουν σε μεταγραφικό στρες και το πώς αυτή η κατάσταση επηρεάζει την κυτταρική φυσιολογία, δεν είναι γνωστά. Στην παρούσα μελέτη δείχνουμε ότι σε Tcea1-/- κύτταρα, στα οποία επηρεάζεται η διαδικασία της επιμήκυνσης κατά τη μεταγραφή λόγω της απουσίας του TFIIS, παρατηρείται παύση της RNA πολυμεράσης II (RNAPII) σε σημεία στο DNA που έχουν υποστεί οξειδωτική βλάβη, μειωμένα επίπεδα μεταγραφής, συσσώρευση R-loops, δυσλειτουργικά τελομερή, χρωματινικές γέφυρες και γενικά εκτεταμένη γενωμική αστάθεια, η οποία οδηγεί σε πρόωρη γήρανση αυτών των κυττάρων. Πιο συγκεκριμένα, δείχνουμε ότι η συσσώρευση τελομερικών R-loops είναι μία από τις κύριες αιτίες απελευθέρωσης τελομερικών κομματιών DNA στο κυτταρόπλασμα τόσο των Tcea1-/- κυττάρων, όσο και στο κυτταρόπλασμα φυσιολογικά γηρασμένων κυττάρων, προκαλώντας ανοσολογική απόκριση. Επίσης, προτείνουμε έναν μέχρι τώρα άγνωστο μηχανισμό, σύμφωνα με τον οποίο τα Tcea1-/- κύτταρα απελευθερώνουν εξωκυττάρια κυστίδια τα οποία περιέχουν τελομερικά κομμάτια DNA, και έχουν την ικανότητα να προκαλούν ένα φαινότυπο πρώιμης γήρανσης σε γειτονικά, υγιή κύτταρα. Συνολικά, τα παραπάνω ευρήματα εξηγούν τη λειτουργική αλληλεπίδραση μεταξύ μεταγραφικού στρες, ανοσολογικής ενεργοποίησης και πρόκλησης πρώιμης κυτταρικής γήρανσης, με σημαντικές συνέπειες για τη φυσιολογική γήρανση και ίσως την πρώιμη έναρξη νοσημάτων σχετικών με τη γήρανση.