Improvement of aging hallmarks through mitotic epigenetic bookmarking

Abstract

The global population is experiencing an irreversible demographic transition characterized by an increase of the aging population, posing significant challenges for healthcare and social systems. Research in aging has therefore become increasingly relevant as a means of improving health and quality of life. Among the hallmarks of aging are epigenetic alterations, which play a key role in aging-related diseases. However, the underlying mechanisms and reasons for these changes are not yet fully understood. One possibility is the loss of epigenetic memory, associated with spatial genome disorganization. Histone H3 lysine 9 dimethylation (H3K9me2) is a conserved, specific mark of nuclear peripheral heterochromatin that is retained through mitosis. During mitosis, phosphorylation of H3 on serine 10 (H3K9me2S10ph) temporarily shields the H3K9me2 mark allowing for dissociation of chromatin from the nuclear periphery, and dephosphorylation of S10 before mitotic exit allows re-association with the forming nuclear lamina. In fact, progeroid and aged cells are characterized by nuclear lamina abnormalities and impaired mitotic function, so we hypothesize that the H3K9me2-mediated 3D architectural mitotic guidepost may be disrupted during aging. Moreover, our group recently demonstrated that transgene induction of the transcription factor Forkhead box M1 (FOXM1) and small-molecule enhancement of the major microtubule-depolymerizing activity mediated by KIF2C rescue several cellular aging hallmarks, namely epigenetic shifts and nuclear morphology. Altogether, this raised the hypothesis that these novel senomorphic strategies may rescue peripheral heterochromatin organization and epigenetic bookmarking inheritance in aged cells. Using high-resolution microscopy, we found a decrease in global H3K9me2 levels and a loss of compartmentalization at the nuclear periphery in elderly and progeroid mouse and human fibroblasts (MAFs and HDFs, respectively). Interestingly, KIF2C small-molecule and FOXM1 transgene inductions could rescue the spatial positioning of H3K9me2 in interphasic nucleus. Furthermore, in elderly MAFs, H3K9me2 bookmarking appeared to be deregulated during mitosis since there is a loss of H3K9me2S10ph. FOXM1 transgene induction improves the ‘phospho-methyl’ switch, by increasing the levels of H3K9me2S10ph. The primary results of this study highlight the role of H3K9me2 in aging and progeroid syndrome and the potential therapeutic implications. These findings have deepened the mechanistic understanding of how epigenetic changes arise during aging and unveiled startling reprogramming strategies with translational potential.

A população mundial está a enfrentar uma transição demográfica irreversível caracterizada por um aumento da população envelhecida, desafiando os sistemas de saúde e sociais. A investigação no campo do envelhecimento tem, por isso, vindo a tornar-se cada vez mais relevante como forma de melhorar a saúde e a qualidade de vida destes indivíduos. Entre as principais características do envelhecimento estão as alterações epigenéticas, que desempenham um papel fundamental nas doenças relacionadas com o envelhecimento. No entanto, os mecanismos subjacentes e as razões para estas alterações ainda não são totalmente compreendidos. Uma possibilidade é a perda de memória epigenética, associada à desorganização espacial do genoma. A dimetilação da histona H3 no resíduo 9 de lisina (H3K9me2) é uma marca específica e conservada da heterocromatina periférica nuclear que se mantém durante a mitose. Durante a mitose, a fosforilação da H3 na serina 10 (H3K9me2S10ph) protege temporariamente a marca H3K9me2, permitindo a dissociação da cromatina da periferia nuclear, e a desfosforilação da S10 antes da saída da mitose permite a reassociação com a lâmina nuclear em formação. De facto, células progeróides e células envelhecidas são caracterizadas por alterações na lâmina nuclear e por uma função mitótica comprometida, que nos levou à hipótese de que a regulação da arquitetura genómica 3D mediada pela H3K9me2 pode estar comprometida durante o envelhecimento. Além disso, o nosso grupo demonstrou recentemente que a indução transgénica do fator de transcrição Forkhead box M1 (FOXM1) e o aumento da atividade de KIF2C responsável despolimerização de microtúbulos, melhoram várias características do envelhecimento celular, nomeadamente alterações epigenéticas e morfologia nuclear. Tais descobertas permitiram-nos formular a hipótese de que estas novas estratégias senomórficas podem recuperar a organização periférica da heterocromatina e a herança epigenética em células envelhecidas. Usando microscopia de alta resolução, descobrimos uma diminuição nos níveis globais de H3K9me2 e uma perda de compartimentalização da periferia nuclear em fibroblastos de murganhos e humanos envelhecidos ou progeróides (MAFs e HDFs, respetivamente). Curiosamente, a indução de KIF2C e do transgene FOXM1 restabeleceu o posicionamento espacial de H3K9me2 em núcleos interfásicos. Para além disso, em MAFs envelhecidos, a marcação de H3K9me2 parece estar desregulada durante a mitose, uma vez que se verificou uma perda de H3K9me2S10ph. A indução do transgene FOXM1 melhora a interação "fosfo-metil", através da subida dos níveis de H3K9me2S10ph. Os principais resultados deste estudo realçam o papel da H3K9me2 no envelhecimento e na síndrome progeróide, tal como as suas potenciais implicações terapêuticas. Estas descobertas aprofundaram a compreensão mecanicista de como as alterações epigenéticas surgem durante o envelhecimento e revelaram estratégias de reprogramação com potencial translacional.