Regulation of entry into replicative senescence: global spliceosomal deregulation and mitoribosome-linked telomere deprotection

Abstract

Cellular senescence has long been implicated in organismal aging and diverse age-associated diseases. This study aimed to elucidate key regulatory mechanisms of the initial transition (early-to-middle transition) step of replicative senescence (RS) of human diploid fibroblast (HDF) by employing time series transcriptomic profile of RS model. Two different approaches were taken: 1) involvement of spliceosome activity and identification of novel splicing variants and 2) regulation of mitochondrial ribosome (mitoribosome) activity and its link to telomere attrition. Spliceosome machinery governs an intrinsic co-transcriptional process to generate different spliced transcript variants from a single pre-mRNA, depending on cellular context, and requires more than 300 different spliceosome-related proteins. In this study, 58 spliceosomal genes were commonly deregulated at the initial transition step of RS and early step of oxidative stress-induced senescence (OSIS), prior to the detection of senescence-associated β galactosidase (SA-β-gal) activity. Spliceosomal perturbation, induced by pharmacologic and genetic inhibition of splicesomal genes, triggered cells to enter senescence, suggesting its key role as a gatekeeper. Association analysis between expressions of diverse transcription factors and the 58 splicesomal genes revealed Sp1 as a key potential regulator of the spliceosomal deregulation. Indeed, Sp1 depletion suppressed the expression of some spliceosomal genes (HNRNPA3, SRSF7 and SRSF4) and effectively induced senescence. These results indicate that global deregulation of spliceosomal gene sets, rather than a single spliceosomal gene, regulates entry into senescence, especially at the initial transition step of RS. Although mitochondrial respiratory dysfunction has long been implicated in cellular senescence and aging process, it is unclear how mitochondrial dysfunction is triggered in RS. Among a variety of mitochondria-related genes, many mitoribosomal genes were collectively deregulated at the initial transition step of RS, accompanied by mitochondrial ROS generation. Blocking mitochondrial translation activity using pharmacologic and genetic approaches triggered senescence phenotypes, suggesting its critical involvement in senescence. With an effort to elucidate the link of mitoribosomal deregulation to telomere attrition, TIN2- and POT1-interaction protein (TPP1), a shelterin complex component, was selectively decreased along with the mitoribosomal deregulation in the time sequence of RS. TPP1 depletion was enough to induce senescence. Finally, MRP deregulation was proved to act as an upstream regulator of TPP1 suppression. These results indicate that MRP deregulation is an upstream regulator of TPP1 loss-mediated shelterin deformation in the initial transition step of RS. Collectively, this study explain that global deregulations of the genes associated with two cellular machineries, spliceosome and mitoribosome, were critically involved in initial entry into senescence, providing them as early senescence markers in the absence of SA-β-gal.

세포노화는 개체노화와 다양항 노화관련 질환들과 연관되어 있다는 것이 오랫동안 알려져 왔다. 이번 연구의 목적은 사람의 섬유아세포를 이용한 복제성 노화 유전자 발현 분석을 통하여 복제성 노화의 진행과정 중 early에서 middle로 넘어가는 초기 조절자에 대한 기전을 밝히기 위한 연구를 진행하였다. 첫번째로는 세포노화에서 스플라이소좀의 활성에 의해 조절되는 새로운 스플라이싱 변이체들을 규명하는 것이고, 두번째는 세포노화에서 미토콘드리아 리보솜의 활성 조절과 텔로미어 손상에 대한 연구를 진행하였다. 스플라이싱은 세포 내에서 전사와 동시에 일어나는 과정으로, 하나의 pre-mRNA로부터 다양한 전사체를 만들어내는 과정으로, 300개 이상의 스플라이싱 관련 단백질들에 의해 조절된다. 이번 연구에서는 58개의 스플라이소좀 유전자들이 복제성 노화와 산화적 스트레스에 의한 노화에서 SA-β-gal 활성이 나타나기 이전인 초기 단계에서 동일하게 감소하고, 스플라이소좀의 활성을 억제하였을 때, 세포노화가 진행된다는 것을 확인하였고, 그 결과 스플라이소좀의 감소가 세포노화의 진행에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 그리고 Sp1이라는 전사 조절자가 스플라이소좀의 조절에 중요한 상위 조절자라는 것을 확인하였다. 두번째 연구로는 82개의 구성단백질로 이루어져 있는 미토콘드리아 리보솜 (미토리보솜) 관련 유전자들의 발현을 분석한 결과, 스플라이소좀과 유사하게 SA-β-gal이 없는 세포노화의 초기에 대부분의 유전자들이 집합적으로 감소한다는 것을 확인하였다. 이들 미토리보솜 연관 유전자들의 발현 감소가 텔로미어를 보호하는 Shelterin 복합체의 6개 구성 단백질 중 하나인 TPP1의 발현 감소를 유도하여 텔로미어 구조를 불안정화시키는 것을 확인하였다. 이 결과는 복제성 세포노화 과정에서 미토콘드리아 기능손상과 텔로미어 손상과의 연관고리를 새롭게 밝히게 된 중요한 결과이다. 이들 결과로 스플라이소좀과 미토리보솜 연과 유전자들의 집합적인 발현저하가 세포노화의 초기 조절 기전으로 작용함을 확인하여, 세포 노화 과정에 대한 새로운 지견을 제공할 수 있게 되었고, 세포노화의 새로운 초기 마커로의 활용 및 노화억제 전략 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.