Do senescent cells in vivo induce a bystander effect in muscle?

Abstract

Cellular senescence is traditionally regarded as a state of irreversible cell cycle arrest elicited as a response to diverse stressors. Depending on cellular context, senescence can have beneficial or detrimental roles and it is currently known to be involved in tumor suppression and progression, tissue repair, organismal development and aging processes. In vivo, the frequency of senescent cells in certain organs can help predict lifespan and selective ablation of senescent cells was shown to postpone ageing phenotypes, showing their importance for the ageing process. The senescent phenotype can be induced by multiple stimuli and cellular contexts. These stimuli usually trigger a persistent DNA-damage response (DDR) that drives not only the irreversible loss of replicative capacity but the production and secretion of reactive oxygen species via p21-mediated signaling pathways. In addition, senescent cells develop a senescence-associated secretory phenotype (SASP). Several bioactive molecules comprising the SASP can diffuse and affect surrounding cells, suggesting that senescent cells can damage their microenvironment. Supporting this assumption, it was observed that senescent cells harboring a DDR can communicate this response to surrounding cells, leading to physiological alterations in these cells, a phenomenon termed “bystander effect”. This makes senescent cells a potential cause of age-dependent tissue functional decline. While the existence and effects of the bystander effect have been previously validated in vitro, comprehensive proof of its role in non-pathological conditions in vivo is still lacking. We present here a panel of candidate biomarkers to evaluate cellular senescence in skeletal muscle cryosections. We report age-dependent increases in frequencies of lipofuscin-containing fibers, HMGB1-negative and TAF-positive nuclei, as well as decrease in mean nuclear LB1 fluorescence. These results may prove useful to generate robust tests for identification of senescent cells within postmitotic tissues. Moreover, we show here that injection of senescent cells into skeletal muscle of young mice promotes accumulation of certain senescence biomarkers, specifically p21 and lipofuscin in adjacent, bystander muscle fibers, an effect dependent on the abundance of nearby senescent cells. Our data suggest senescent cells are capable of inducing persistent DNA damage and DDR in skeletal muscle bystander cells in vivo and engendering downstream senescence-like features in those same cells. These results may be the first line of evidence of a senescent bystander effect in postmitotic cells, in vivo. This data might contribute to understanding the reported age-related increase of senescent cells in tissues and their role in ageing/age-related pathologies, while strongly supporting a novel understanding of senescence as a dynamic phenotypic state generated and maintained by stable, self-sustainable feedback loops, driven by DDR and independent of the onset of growth arrest.

Senescência celular é tradicionalmente considerada como um estado de suspensão permanente do ciclo celular evocado como resposta a diversos agentes causadores de stress. Dependendo do contexto celular, o processo de senescência pode ter funções benéficas ou prejudiciais e actualmente, sabe-se estar envolvido em processos de supressão e progressão tumorais, reparação de tecidos, desenvolvimento do organismo e envelhecimento. In vivo, a frequência de células senescentes em certos órgãos pode ajudar a prever o tempo de duração de vida e a ablação seletiva de células senescentes provou ser eficaz em adiar o desenvolvimento de fenótipos de envelhecimento, demonstrando a sua importância para o processo de envelhecimento. O fenótipo senescente pode ser induzido por múltiplos estímulos e contextos celulares. Estes estímulos normalmente induzem uma “DNA-damage response” (DDR) persistente que controla não só a perda irreversível de capacidade replicativa mas também a produção e secreção de espécies reativas de oxigénio por vias de sinalização mediadas por p21. Além disso, células senescentes desenvolvem um “Senescence-Associated Secretory Phenotype” (SASP). Várias moléculas bioativas incluídas no SASP são capazes de se difundir e afetar células nas suas imediações, levando a alterações fisiológicas nestas células, um fenómeno conhecido como “bystander effect”. Tudo isto torna as células senescentes potenciais efetores do declínio funcional observado em tecidos com o avanço de idade. Apesar de a existência e os efeitos do “bystander effect” terem sido anteriormente validados in vitro, provas compreensivas do seu papel em condições não-patológicas in vivo estão ainda em falta. Apresentamos neste trabalho um painel de biomarcadores para avaliar senescência celular em criosecções de músculo esquelético. Relatamos também, aumentos nas frequências de fibras contendo lipofuscina, núcleos positivos para HMGB1 e núcleos contendo TAFs, assim como uma diminuição na fluorescência média nuclear de LB1, tudo isto em função do aumento da idade dos tecidos. Estes resultados podem vir a ser úteis para gerar testes de identificação robustos para células senescentes em tecidos pós-mitóticos. Além disso, mostramos ainda que a injeção de células senescentes em músculos esqueléticos de ratinhos jovens promove acumulação de certos marcadores de senescência, especialmente p21 e lipofuscina, em fibras musculares adjacentes, dependendo da abundância de células senescentes nas proximidades. Estes dados sugerem que células senescentes são capazes de induzir danos persistentes no DNA e uma DDR em células “bystander” de músculo esquelético in vivo e de engendrar, nessas células, o desenvolvimento de características típicas de células senescentes. Estes resultados são possivelmente as primeiras provas de um “bystander effect” senescente em células pós-mitóticas in vivo e podem contribuir para uma maior compreensão do aumento, com a idade, de células senescentes em tecidos e o seu papel no envelhecimento e patologias relacionadas. Isto suporta também uma visão do processo de senescência como um estado fenotípico dinâmico gerado e mantido por “feedback loops” estáveis e auto-sustentáveis, gerados por uma DDR independente da suspensão de proliferação celular.