Senescence of human stem cells in the context of mTOR signaling

Abstract

Для предотвращения преждевременного старения стволовых клеток, вызванного окислительным стрессом, необходимо блокировать активность сигнальных путей, участвующих в реализации программы старения. В работе изучали эффекты перманентного ингибирования PI3K/АKT/mTOR и ERK-зависимых путей в контексте восстановления пролиферативного потенциала и модуляции фенотипа Н2О2-обработанных мезенхимных стволовых клеток эндометрия человека (эМСК). Ингибиторный анализ проводили с использованием специфических фармакологических ингибиторов комплекса mTORС1, МЕК/ERK и PI3K/AKT (рапамицина, U0126 и LY294002, соответственно). Мы показали, что все ингибиторы способны изменять те или иные фенотипические признаки, свойственные старым клеткам, включая увеличение размера клеток и повышенную активность β-галактозидазы, ассоциированной со старением (SA-β-Gal), а также подавлять продукцию внутриклеточных активных форм кислорода (АФК). Рапамицин и LY294002 препятствовали гипертрофии клеток и повышению активности SA-β-Gal. Ингибитор U0126 по-разному действовал на фенотипические признаки старения: предотвращал увеличениеSA-β-Gal активности, но не отменял развитие гипертрофии клеток. Рапамицини U0126 снижали уровень эндогенных АФКв стареющих клетках. Эти результаты предполагают ключевую роль PI3K/AKT/mTOR пути в контроле над изменением фенотипа старения. Однако ни один из ингибиторов не предотвращал Н2О2-индуцированный арест клеточного цикла, поэтому мы не наблюдали возобновления пролиферативной активности эМСК. Кроме того, мы обнаружили сложную взаимную регуляцию mTOR и МАР-киназ: подавление активности киназ ERK1/2 не изменяло функционирование mTORС1 пути, тогда как ингибирование последнего вызывало усиление активации компонентов Raf/MEK/ERK/p90RSK каскада. Следовательно, mTORС1 является негативным регулятором ERK-зависимого МАР-киназного пути в стареющих эМСК.

Human endometrium-derived mesenchymal stem cells (hMESCs) subjected to sublethal oxidative stress enter the premature senescence. To prevent the premature senescence of cells, it is necessary to block the activity of signaling pathways involved in the senescence program. Here, we studied the effects of permanent inhibition of PI3K/AKT/mTOR and ERK1/2 МАРКpathways for the restoration of proliferative potential and modulation of the senescence phenotype in H2O2-treated hMESCs. The specific pharmacological inhibitors of mTORC1, MEK/ERK and PI3K/AKT (rapamycin, U0126 and LY294002, respectively) were used. It was found that all inhibitors are able to change the senescence phenotype of stressed cells, including cell hypertrophy, increased both ROS level and activity of senescence-associated β-galactosidase (SA-β-Gal) but not to recommence the cell proliferation. In H2O2-treated cells, rapamycin and LY294002 prevented cell hypertrophy and an increase in SA-β-Gal activity, whereas U0126 also could prevent magnification of SA-β-Gal activity but was not capable to rescue cells from hypertrophy. Under rapamycin and U0126, the intracellular ROS levels elevated in the senescent cells were suppressed. Of note, the long-term post-treatment with any inhibitor did not result in the recovery of proliferative potential in H2O2-stimulated cells. Additionally, we established the mutual links between mTOR and MAP-kinases in senescent cells: ERK1/2 inhibition did not alter the functional activity of mTORC1 signaling, whereas suppression of the latter caused a stronger activation of components of Raf/MEK/ERK/p90RSK pathway. Thus, mTORC1 is a negative regulator of ERK-dependent MAP-kinase pathway in senescent hMESCs