FROM REPLICATIVE SENESCENCE TO MICRORNA BASED DIAGNOSTICS OF AGE-ASSOCIATED DISEASES

Abstract



Повреждение клеток и тканей - одна из «визитных карточек» и ведущих факторов старения и возраст-ассоциированных заболеваний [4]. Для противостояния этому функциональному спаду существуют различные системы репарации на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. Одной из систем тканевого уровня является свойство зрелых стволовых клеток к самообновлению и дифференцировке, что необходимо для гомеостаза и регенерации органов и тканей [6]. Однако не только функциональность стволовых клеток снижается с возрастом, но и системное окружение в организме пожилых негативно воздействует на них: либо за счет циркулирующих факторов, подавляющих функции стволовых клеток, либо в связи с отсутствием факторов, необходимых для их поддержки [5]. Одна из тканей заметно подверженная низкому дифференцировочному резерву стволовых клеток - костная ткань, что ведёт к замедлению восстановления или низкотравматичным переломам [7]. 5 ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ В этом докладе мы сообщаем о циркулирующих микровезикулах, влияющих на резерв остеогенной диффе-ренцировки мезенхимальных стволовых клеток в зависимости от возраста донора. Во время поиска факторов, регулирующих ингибирующий эффект микровезикул на остеогенез, мы определили несколько миРНК и белков, являющихся ключевыми компонентами. Далее мы продемонстрировали, что эти факторы присутствуют в повышенном количестве в плазме у пожилых и у пациентов с остопоротическими переломами. В качестве потенциального источника их секреции мы определили стареющие эндотелиальные клетки, количество которых, как известно, увеличивается при старении in vivo [1]. Наши исследования показывают, что стареющие эндотелиальные клетки секретируют повышенное количество миРНК-31 внутри внеклеточных везикул, которые захватываются мезенхимальными стволовыми клетками и, в свою очередь, подавляют остеогенную дифференцировку [9]. Секреция промотора остеогенеза Galectin-3 снижена в везикулах стареющих эндотелиальных клеток, что согласуется с данными, описанными выше [8]. Эти данные в сочетании с растущим количеством информации о том, что миРНК действительно влияют на ключевые регуляторы функций остеобластов и остеокластов [2,3], явились для нас стимулом более широко рассмотреть различия в циркулирующих миРНК у пациентов с недавними остеопоротическими переломами [10], и у пациентов с большими остеопоротическими переломами. В этих группах мы определили отличия в 4 миРНК с более достоверной предсказательной возможностью, чем золотой стандарт, измерение МПК по DXA. (Heilmeier et al. in revision). Для того чтобы определить, играют ли эти миРНК роль в костной биологии, мы протестировали их на предмет изменения остеогенной диф-ференцировки, и некоторые из них продемонстрировали влияние на этот процесс. Проводимые нами до настоящего времени эксперименты позволяют предположить, что циркулирующие миРНК в сыворотке у пожилых пациентов могут играть роль в патогенезе возраст-ассоциированом нарушении формирования кости. Они также могут быть ценными биомаркерами для старения и для системного окружения, для которого применение клеточных технологий ограничено, а остеогенез является лимитирующим фактором. From replicative senescence to microRNA based diagnostics of age-associated diseases. Damage to cells and tissues is one of the hallmarks and driving forces of aging and age-related diseases [4]. To counteract this functional decline, various repair systems are in place at the molecular, cellular as well as tissue level. One of these systems at the tissue level, is the characteristics of adult stem cells to self-renew and to differentiate, which is an essential functionality for homeostasis and regeneration of tissues and organs (6). However, not only the functionality of stem cells declines with age, but also the systemic environment of the elderly negatively impacts on them, either by circulating factors that inhibit stem cell functions, or by the absence of factors needed to support it (5). One tissue notably affected by the reduced differentiation capacity of stem cells with age is the bone, leading to slow bone healing or low trauma bone fractures [7]. Here, we report that circulating microvesicles impact on the osteogenic differentiation capacity of mesenchymal stem cells in a donor-age dependent way. While searching for factors mediating the inhibitory effect of microvesicles on osteogenesis, we identified several miRNAs and proteins as crucial components. Furthermore, we demonstrate that these factors are present at elevated levels in the plasma of № 1/2016 Остеопороз и остеопатии elderly, and of osteoporotic fracture patients. As a potential source of its secretion, senescent endothelial cells, known to increase during aging in vivo [1], were identified. We demonstrate that senescent endothelial cells secrete elevated levels of miR-31 within extracellular vesicles which are taken up by mesenchymal stem cells where they inhibits osteogenic differentiation [9]. In synergy with this, the secretion of osteogenic promoting Galectin-3 is diminished in senescent endothelial cell vesicles [8]. These results together with the increasing knowledge, that miRNAs do impact on key regulators of osteoblast and osteoclast biology [2,3] prompted us to look more broadly at miRNAs differentially circulating in recent osteoporotic fracture patients [10], as well as in prevalent osteoporotic fractures, where, indeed, we identified a signature of 4 miRNAs with predictive power superior to the gold standard of DXA measurements (Heilmeier et al. in revision). In order to test, if these miRNAs also play a role in bone biology, we tested them for modulation of osteogenic differentiation, which several of these did indeed influence. Our experiments performed since, allow us to suggest that circulating miRNAs in the serum of elderly might indeed play a role in the pathogenesis of age related impaired bone formation. They may also be a valuable plasma-based biomarker for aging and for a systemic environment that does not favour cell based therapies, whenever osteogenesis is a limiting factor.

Matthias Hackl

University of Natural Resources and Life Sciences; TAmiRNA GmbH

Department of Biotechnology

Syliva Weilner

University of Natural Resources and Life Sciences; TAmiRNA GmbH

Department of Biotechnology

Ursula Heilmayer

University of California San Francisco

Musculoskeletal Quantitative Imaging Research Group, Department of Radiology & Biomedical Imaging

Susanna Skalicky

TAmiRNA GmbH

Fabian Schröder

Austrian Institute of Technology

Department of Molecular Diagnostics

Elisabeth Schraml

University of Natural Resources and Life Sciences

Department of Biotechnology

Klemens Vierlinger

Austrian Institute of Technology

Department of Molecular Diagnostics

Thomas Link

University of California San Francisco

Musculoskeletal Quantitative Imaging Research Group, Department of Radiology & Biomedical Imaging

Johannes Grillari

University of Natural Resources and Life Sciences; TAmiRNA GmbH

Department of Biotechnology

  1. Erusalimsky JD & Kurz DJ (2006) Endothelial cell senescence. Handb Exp Pharmacol, 213-248. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query. fcgi?cmd=Retrie ve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=17001772.
  2. Jing D, Hao J, Shen Y, Tang G, Li M-L, Huang S-H & Zhao Z-H (2015) The role of microRNAs in bone remodeling. J Oral Sci 7, 131-143. Available at: http:// dx.doi.org/10.1038/ijos.2015.22n10.1038/ijos.2015.22.
  3. Lian JB, Stein GS, Wijnen AJ Van, Stein JL, Hassan MQ & Gaur T (2012) MicroRNA control of bone formation and homeostasis. Nat. Rev. Endocrinol. 8, 212-227. Available at: http://dx.doi.org/10.1038/nrendo.2011.234.
  4. Lopez-Otin C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M & Kroemer G (2013) The hallmarks of aging. Cell 153, 1194-217. Available at: http://www.pubmedcentral.nih. gov/articlerender.fcgi?artid=3836174&tool=pmcentrez&re ndertype=abstract [Accessed July 10, 2014]
  5. Rando TA (2006) Stem cells, ageing and the quest for immortality. Nature 441, 1080-1086. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query. fcgi?cmd=Retrie ve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=16810243.
  6. Ratajczak MZ, Zuba-Surma EK, Machalinski B & Kucia M (2007) Bone-marrow-derived stem cells--our key to longevity? J Appl Genet 48, 307-319. Available at: http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&d b=PubMed&dopt=Citation&list_uids=17998587.
  7. Weilner S, Grillari-Voglauer R, Redl H, Grillari J & Nau T (2015) The role of microRNAs in cellular senescence and age-related conditions of cartilage and bone. Acta Orthop. 86, 92-9. Available at: http://www.pubmedcentral. nih.gov/articlerender.fcgi?artid=4366666&tool=pmcentrez &rendertype=abstract [Accessed January 26, 2016].
  8. Weilner S, Keider V, Winter M, Harreither E, Salzer B, Weiss F, Schraml E, Messner P, Pietschmann P, Hildner F, Gabriel C, Redl H, Grillari-Voglauer R & Grillari J (2016) Vesicular Galectin-3 levels decrease with donor age and contribute to the reduced osteo-inductive potential of human plasma derived extracellular vesicles. Aging (Albany. NY). 8, 16-33. Available at: http://www.ncbi.nlm. nih.gov/pubmed/26752347 [Accessed March 7, 2016].
  9. Weilner S, Schraml E, Wieser M, Messner P, Schneider K, Wassermann K, Micutkova L, Fortschegger K, Maier AB, Westendorp R, Resch H, Wolbank S, Redl H, Jansen-Dürr P, Pietschmann P, Grillari-Voglauer R & Grillari J (2016) Secreted microvesicular miR-31 inhibits osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Aging Cell, 1-11. Available at: http://doi.wiley.com/10.1111/acel.12484
  10. Weilner S, Skalicky S, Salzer B, Keider V, Wagner M, Hildner F, Gabriel C, Dovjak P, Pietschmann P, Grillari-Voglauer R, Grillari J & Hackl M (2015) Differentially circulating miRNAs after recent osteoporotic fractures can influence osteogenic differentiation. Bone 79, 43-51. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed/26026730 [Accessed February 16, 2016]

Views

Abstract - 338

PDF (Russian) - 205

Cited-By


PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2016 Hackl M., Weilner S., Heilmayer U., Skalicky S., Schröder F., Schraml E., Vierlinger K., Link T., Grillari J.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies