Transcriptomic, signalling and secretome analysis for biomarker discovery in ageing and senescence

Abstract

Cellular senescence is described as an irreversible cell cycle arrest induced in response to various stresses. Senescent cells are characterised by heterogeneous signalling alterations, complex secretory phenotype, known as senescence-associated secretory phenotype (SASP), and diverse transcriptomic profile. With the aim to investigate senescence heterogeneity and identify conserved transcriptomic alterations and universal senescence markers, we performed RNA-seq and multiplex analysis in proteasome inhibition-induced and stress-induced premature senescence models of HFL1 and BJ human fibroblasts. Our data revealed diverse transcriptomic signatures, but also, 231 common differentially expressed genes related to cell division and extracellular matrix (ECM) remodelling, and enriched pathways that remained conserved among the different models, with senescence onset. Moreover, we identified a subset of proteins inducing cell cycle arrest and promoting a pro-inflammatory environment in premature senescence models which showed consistent results when validated in their respective replicative senescent models. Finally, we propose an intracellular protein panel consisting of p21, p-c-JUN, BCL-xL and survivin, and an extracellular panel consisting of IL-8, GM-CSF, GDF-15, MIF and GROa. Simultaneous assessment of these markers will enable the easier identification of senescent cells and monitor the efficacy of potential senotherapeutic approaches.

H κυτταρική γήρανση περιγράφεται ως μια μη αναστρέψιμη διακοπή του κυτταρικού κύκλου που προκαλείται ως απόκριση σε διάφορα είδη στρες. Μέχρι σήμερα, τα γηρασμένα κύτταρα χαρακτηρίζονται από την ενεργοποίηση ετερογενών σηματοδοτικών μονοπατιών, τον πολύπλοκο εκκριτικό φαινότυπο γνωστό ως SASP, και το ποικίλο μεταγραφομικό προφίλ. Με στόχο τη διερεύνηση της ετερογένειας της γήρανσης και τον εντοπισμό διατηρημένων μεταγραφομικών αλλαγών και καθολικών δεικτών γήρανσης, πραγματοποιήσαμε μεταγραφομική (RNA-seq) και πολυπλεκτική (multiplex) ανάλυση σε μοντέλα πρόωρης γήρανσης επαγόμενης με αναστολή πρωτεασώματος και με οξειδωτικό στρες, χρησιμοποιώντας ανθρώπινους ινοβλάστες HFL1 και BJ. Εντοπίστηκαν ποικίλα μεταγραφικά προφίλ, αλλά παράλληλα εντοπίστηκαν 231 κοινά διαφορικά εκφρασμένα γονίδια που σχετίζονται με την κυτταρική διαίρεση και την αναδιαμόρφωση της εξωκυττάριας μήτρας, καθώς και κοινά εμπλουτισμένα μονοπάτια με την έναρξη της πρόωρης γήρανσης. Επιπλέον, εντοπίσαμε ένα υποσύνολο πρωτεϊνών που σχετίζεται με τη διακοπή του κυτταρικού κύκλου και προάγουν ένα προ-φλεγμονώδες περιβάλλον στα μοντέλα πρόωρης γήρανσης. Οι πρωτεΐνες αυτές έδειξαν συναφή αποτελέσματα όταν επικυρώθηκαν στα αντίστοιχα μοντέλα αναδιπλασιαστικής γήρανσης. Τέλος, προτείνουμε τη χρήση ενός ενδοκυττάριου πρωτεϊνικoύ πάνελ που αποτελείται από τους παράγοντες p21, p-c-JUN, BCL-xL και survivin, και ενός εξωκυττάριου πρωτεϊνικού πάνελ που αποτελείται από τους παράγοντες IL-8, GM-CSF, GDF-15, MIF και GROa. Η ταυτόχρονη αξιολόγηση αυτών των δεικτών θα επιτρέψει την ευκολότερη αναγνώριση των γηρασμένων κυττάρων και την παρακολούθηση της αποτελεσματικότητας πιθανών σενοθεραπευτικών προσεγγίσεων.