Cellular senescence, a permanent state of cell cycle arrest, is believed to have originally evolved to limit the proliferation of old or damaged cells. However, it has been recently shown that cellular senescence is a physiological and pathological program contributing to embryogenesis, immune response, and wound repair, as well as aging and age-related diseases. Unlike replicative senescence associated with telomere attrition, premature senescence rapidly occurs in response to various intrinsic and extrinsic insults. Thus, cellular senescence has also been considered suppressive mechanism of tumorigenesis. Current studies have revealed that therapy-induced senescence (TIS), a type of senescence caused by traditional cancer therapy, could play a critical role in cancer treatment. In this review, we outline the key features and the molecular pathways of cellular senescence. Better understanding of cellular senescence will provide insights into the development of powerful strategies to control cellular senescence for therapeutic benefit. Lastly, we discuss existing strategies for the induction of cancer cell senescence to improve efficacy of anticancer therapy.
Cellular senescence, a barrier to tumorigenesis, controls aberrant proliferation of cells. We here aimed to investigate cellular senescence in immortalized cholangiocyte and cholangiocarcinoma cell lines using five different inducing agents: 5-aza-2'deoxycytidine, bromodeoxyuridine, interferons ($IFN{\beta}$ and $IFN{\gamma}$), and hydrogen peroxide. We analyzed senescence characteristics, colony formation ability, expression of genes involved in cell cycling and interferon signaling pathways, and protein levels. Treatment with all five agents decreased cell proliferation and induced cellular senescence in immortalized cholangiocyte and cholangiocarcinoma cell lines with different degrees of growth-inhibitory effects depending on cell type and origin. Bromodeoxyuridine gave the strongest stimulus to inhibit growth and induce senescence in most cell lines tested. Expression of p21 and interferon related genes was upregulated in most conditions. The fact that bromodeoxyuridine had the strongest effects on growth inhibition and senescence induction implies that senescence in cholangiocarcinoma cells is likely controlled by DNA damage response pathways relating to the p53/p21 signaling. In addition, interferon signaling pathways may partly regulate this mechanism in cholangiocarcinoma cells.
In most clinical applications, human mesenchymal stem cells (hMSCs) are expanded in large scale before their administration. Prolonged culture in vitro results in cellular senescence-associated phenotypes, including accumulation of reactive oxygen species (ROS) and decreased cell viabilities. Profiling of stem cell-related genes during in vitro expansion revealed that numerous canonical pathways were significantly changed. To determine the effect of selenocysteine (Sec), a rare amino acid found in several antioxidant enzymes, on the replicative senescence in hMSCs, we treated senescent hMSCs with Sec. Supplementation of Sec in the culture medium in late-passage hMSCs reduced ROS levels and improved the survival of hMSCs. In addition, a subset of key antioxidant genes and Sec-containing selenoproteins showed increased mRNA levels after Sec treatment. Furthermore, ROS metabolism and inflammation pathways were predicted to be downregulated. Taken together, our results suggest that Sec has antioxidant effects on the replicative senescence of hMSCs.
Kim, Seul Gi;Sung, Jin Young;Kim, Jae-Ryong;Choi, Hyoung Chul
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제24권1호
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pp.69-79
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2020
Aging is one of the risk factors for the development of cardiovascular diseases. During the progression of cellular senescence, cells enter a state of irreversible growth arrest and display resistance to apoptosis. As a flavonoid, quercetin induces apoptosis in various cells. Accordingly, we investigated the relationship between quercetin-induced apoptosis and the inhibition of cellular senescence, and determined the mechanism of oxidative stress-induced vascular smooth muscle cell (VSMC) senescence. In cultured VSMCs, hydrogen peroxide (H2O2) dose-dependently induced senescence, which was associated with increased numbers of senescence-associated β-galactosidase-positive cells, decreased expression of SMP30, and activation of p53-p21 and p16 pathways. Along with senescence, expression of the anti-apoptotic protein Bcl-2 was observed to increase and the levels of proteins related to the apoptosis pathway were observed to decrease. Quercetin induced apoptosis through the activation of AMP-activated protein kinase. This action led to the alleviation of oxidative stress-induced VSMC senescence. Furthermore, the inhibition of AMPK activation with compound C and siRNA inhibited apoptosis and aggravated VSMC senescence by reversing p53-p21 and p16 pathways. These results suggest that senescent VSMCs are resistant to apoptosis and quercetin-induced apoptosis attenuated the oxidative stress-induced senescence through activation of AMPK. Therefore, induction of apoptosis by polyphenols such as quercetin may be worthy of attention for its anti-aging effects.
Background: The replicative senescence of human dermal fibroblasts (HDFs) is accompanied by growth arrest. In our previous study, the treatment of senescent HDFs with Rg3(S) lowered the intrinsic reactive oxygen species (ROS) levels and reversed cellular senescence by inducing peroxiredoxin-3, an antioxidant enzyme. However, the signaling pathways involved in Rg3(S)-induced senescence reversal in HDFs and the relatedness of the stereoisomer Rg3(R) in corresponding signaling pathways are not known yet. Methods: We performed senescence-associated β-galactosidase and cell cycle assays in Rg3(S)-treated senescent HDFs. The levels of ROS, adenosine triphosphate (ATP), and cyclic adenosine monophosphate (cAMP) as well as the mitochondrial DNA copy number, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)+/1,4-dihydronicotinamide adenine dinucleotide (NADH) ratio, and NAD-dependent sirtuins expression were measured and compared among young, old, and Rg3(S)-pretreated old HDFs. Major signaling pathways of phosphatidylinositol 3-kinase/Akt, 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK), and sirtuin 1/3, including cell cycle regulatory proteins, were examined by immunoblot analysis. Results: Ginsenoside Rg3(S) reversed the replicative senescence of HDFs by restoring the ATP level and NAD+/NADH ratio in downregulated senescent HDFs. Rg3(S) recovered directly the cellular levels of ROS and the NAD+/NADH ratio in young HDFs inactivated by rotenone. Rg3(S) mainly downregulated phosphatidylinositol 3-kinase/Akt through the inhibition of mTOR by cell cycle regulators like p53/p21 in senescent HDFs, whereas Rg3(R) did not alter the corresponding signaling pathways. Rg3(S)-activated sirtuin 3/PGC1α to stimulate mitochondrial biogenesis. Conclusion: Cellular molecular analysis suggests that Rg3(S) specifically reverses the replicative senescence of HDFs by modulating Akt-mTOR-sirtuin signaling to promote the biogenesis of mitochondria.
Cellular senescence is a physiological process of irreversible cell-cycle arrest that contributes to various physiological and pathological processes of aging. Whereas replicative senescence is associated with telomere attrition after repeated cell division, stress-induced premature senescence occurs in response to aberrant oncogenic signaling, oxidative stress, and DNA damage which is independent of telomere dysfunction. Recent evidence indicates that cellular senescence provides a barrier to tumorigenesis and is a determinant of the outcome of cancer treatment. However, the senescence-associated secretory phenotype, which contributes to multiple facets of senescent cancer cells, may influence both cancer-inhibitory and cancer-promoting mechanisms of neighboring cells. Conventional treatments, such as chemo- and radiotherapies, preferentially induce premature senescence instead of apoptosis in the appropriate cellular context. In addition, treatment-induced premature senescence could compensate for resistance to apoptosis via alternative signaling pathways. Therefore, we believe that an intensive effort to understand cancer cell senescence could facilitate the development of novel therapeutic strategies for improving the efficacy of anticancer therapies. This review summarizes the current understanding of molecular mechanisms, functions, and clinical applications of cellular senescence for anticancer therapy.
Cellular senescence is a state of permanent cell-cycle arrest triggered by different internal and external stimuli. This phenomenon is considered to be both beneficial and detrimental depending on the cell types and biological contexts. During normal embryonic development and after tissue injury, cellular senescence is critical for tissue remodeling. In addition, this process is useful for arresting growth of tumor cells, particularly during early onset of tumorigenesis. However, accumulation of senescent cells decreases tissue regenerative capabilities and induces inflammation, which is responsible for cancer and organismal aging. Therefore cellular senescence has to be tightly regulated, and dysregulation might lead to the aging and human diseases. Among many regulators of cellular senescence, in this review, I will focus on microRNAs, small non-coding RNAs playing critical roles in diverse biological events including cellular senescence.
Three key genetic loci required for proper progression of leaf senescence were identified in Arabidopsis thaliana. Mutations in these loci cause delay in all senescence symptoms examined, including both anabolic and catabolic activities, during natural senescence and upon artificial senescence induced by various senescence-inducing treatments. The result provides a decisive evidence that leaf senescence is a genetically programmed phenomenon controlled by several monogenic loci in Arabidopsis thaliana. The result further indicates that leaf senescence caused by various senescence signals occurs, at least in part, through common pathways in Arabidopsis and that the threed genetic loci function at the common steps.
Sirtuin is an essential factor that delays cellular senescence and extends the organismal lifespan through the regulation of diverse cellular processes. Suppression of cellular senescence by Sirtuin is mainly mediated through delaying the age-related telomere attrition, sustaining genome integrity and promotion of DNA damage repair. In addition, Sirtuin modulates the organismal lifespan by interacting with several lifespan regulating signaling pathways including insulin/IGF-1 signaling pathway, AMP-activated protein kinase, and forkhead box O. Although still controversial, it is suggested that the prolongevity effect of Sirtuin is dependent with the level of and with the tissue expression of Sirtuin. Since Sirtuin is also believed to mediate the prolongevity effect of calorie restriction, activators of Sirtuin have attracted the attention of researchers to develop therapeutics for age-related diseases. Resveratrol, a phytochemical rich in the skin of red grapes and wine, has been actively investigated to activate Sirtuin activity with consequent beneficial effects on aging. This article reviews the evidences and controversies regarding the roles of Sirtuin on cellular senescence and lifespan extension, and summarizes the activators of Sirtuin including Sirtuin-activating compounds and compounds that increase the cellular level of nicotinamide dinucleotide.
ARF is a tumor suppressor protein that has a pivotal role in the prevention of cancer development through regulating cell proliferation, senescence, and apoptosis. As a factor that induces senescence, the role of ARF as a tumor suppressor is closely linked to the p53-MDM2 axis, which is a key process that restrains tumor formation. Thus, many cancer cells either lack a functional ARF or p53, which enables them to evade cell oncogenic stress-mediated cycle arrest, senescence, or apoptosis. In particular, the ARF gene is a frequent target of genetic and epigenetic alterations including promoter hyper-methylation or gene deletion. However, as many cancer cells still express ARF, pathways that negatively modulate transcriptional or post-translational regulation of ARF could be potentially important means for cancer cells to induce cellular proliferation. These recent findings of regulators affecting ARF protein stability along with its low levels in numerous human cancers indicate the significance of an ARF post-translational mechanism in cancers. Novel findings of regulators stimulating or suppressing ARF function would provide new therapeutic targets to manage cancer- and senescence-related diseases. In this review, we present the current knowledge on the regulation and alterations of ARF expression in human cancers, and indicate the importance of regulators of ARF as a prognostic marker and in potential therapeutic strategies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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