Elucidating the role of cellular senescence in the pathogenesis of osteoarthritis

Abstract

세포노화는 영구적이고 비가역적으로 세포주기가 정지되는 현상을 의미한다. 세포노화는 다양한 종류의 세포 외부적, 내부적 스트레스 유발 인자에 의해 발생할 수 있다. 그중에서도 DNA 손상 반응에 의해 나타나는 세포주기 저해인자들의 발현이 활성화되는 것이 주요 원인이며, 세포 내 다양한 유전학 및 후성유전학적 변화를 동반한다. 세포노화 현상은 발생과정, 조직의 항상성 유지, 상처치유 현상 등에서 필수적인 역할을 하기도 하지만 세포노화에 의해 발현되는 세포주기 조절인자들이나 각종 노화세포 분비표현형 인자들은 스트레스에 의한 개체의 노화를 일으킨다. 이에 따라 세포노화는 각종 노인성 질환을 일으킨다고 알려져있다. 퇴행성관절염에서는 노화 연골세포의 축적이 보고되었으며, 노화 연골세포가 퇴행성관절염의 원인이라는 것이 다양한 연구를 통해 보고되었다. 노화 연골세포를 연골에 주입하면 퇴행성관절염이 나타나며 노화 연골세포를 제거하는 세톨리틱 약물이 퇴행성관절염 치료 효과를 보였다. 따라서 퇴행성관절염 연골세포에 산화 스트레스를 유발하는 기전을 규명하고 이에 따른 세포노화가 어떠한 기전을 통해 퇴행성관절염을 유발시키는지 연구할 필요가 있다. 이러한 연구는 퇴행성관절염 연골세포의 신호전달체계를 밝혀 효과적인 퇴행성관절염 치료전략을 개발하는 데 기여할 수 있다. 연골 기질의 감소는 퇴행성관절염을 일으키는 원인이다. 퇴행성관절염 연골에서 기질의 합성이 감소하며 기질 분해인자의 발현이 증가하여 기질의 항상성이 망가진다. 연골세포의 노화는 퇴행성관절염 동안기질의 물질대사 이상을 가져오는 주요 현상이다. 이 연구를 통해 miR-204라는 마이크로RNA가 퇴행성관절염 연골에서 발현이 크게 증가하는 것을 확인했다. miR-204는 세포노화 상황에서 GATA4와 NF-κB 전사인자에 의해 발현이 증가한다. 발현이 증가한 miR-204는 프로테오글리칸 황산염 합성 기전에 관여하는 인자들의 발현을 동시에 저해하여 프로테오글리칸 동화작용을 효과적으로 차단한다. miR-204를 무릎 관절에 과발현하면 자발적으로 연골이 감소하고 퇴행성관절염이 나타나는 반면 miR-204를 저해하면 프로테오글리칸의 합성이 회복되고 노화세포 분비표현형 인자들의 발현이 감소하여 퇴행성관절염이 완화된다. 종합적으로, 스트레스에 의해 발생하는 연골세포의 노화현상이 기질의 항상성을 망가뜨리는 기전을 발굴하였다. 인간의 노화와 관절의 외상과 같은 퇴행성관절염의 병인학적 요인들은 산화환원항상성의 불균형을 가져오는데, 이는 산화스트레스를 유발하여 연골세포를 병들게 만드는 대표적인 현상이다. 그러나 퇴행성관절염 환경에서 연골세포 내 산화환원스트레스를 망가뜨리는 생물학적 기전은 불분명하다. 이 연구를 통해 셀레노포스페이트 합성효소 1 (SEPHS1)의 발현이 인간 및 마우스 퇴행성관절염 연골에서 공통적으로 감소함을 보였다. SEPHS1의 발현이 감소하면 산화환원효소 기능을 가지는 특정 셀레늄단백질 군을 합성할 능력이 감소하여 연골세포 내 활성산소종이 증가하였다. 산화스트레스는 연골의 세포노화를 일으켜 퇴행성관절염과 같은 전사체의 변화를 가져왔다. 성체 마우스 내 연골특이적 Sephs1 낙아웃은 나이가 들면서 자발적으로 발생하는 퇴행성관절염의 표현형을 더욱 심하게 만들었으며, DMM 수술을 적용한 외상성 퇴행성관절염의 진행 또한 심해졌다. 셀레늄 결핍 식이만으로는 퇴행성관절염의 진행이 심화되지 않았지만, Sephs1 낙아웃 마우스에 셀레늄 결핍 식이를 도입하면 퇴행성관절염의 발생에 있어 동반효과를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통해 SEPHS1이 연골세포 내 셀레늄 대사와 산화환원 항상성을 조절하는 주요인자임을 규명하였고 SEPHS1이 감소하면 퇴행성관절염이 심해지는 것을 밝혔다. 종합적으로, 나는 이 연구를 통하여 연골세포 내 산화 스트레스가 발생하는 기전을 밝혔고, 이러한 스트레스들이 연골세포의 노화를 일으켜 분비표현형의 병인성 변화를 가져오는 일련의 기전을 규명하였다. 퇴행성관절염에 따라 나타나는 SEPHS1의 결핍이 산화환원 항상성의 불균형을 가져와 퇴행성관절염을 악화시킨다. 산화 스트레스 등 노화를 유발하는 스트레스들이 연골세포 내 miR-204의 발현을 증가시켜 퇴행성관절염이 심해지는 것으로 나타났다. 일련의 세포노화 신호전달체계를 주제로 한 연구결과가 세포노화에 의한 연골퇴행 기전에 대한 이해도를 높이고 퇴행성관절염 치료전략을 개발하는 데 도움을 줄 것으로 기대한다.

Cellular senescence is a permanent and irreversible state of cell cycle arrest. Cellular senescence can be triggered by a wide variety of external and internal stress-inducing factors. It is mainly triggered by DNA damage response that activates the expression of cell cycle inhibitors and involves genetic and epigenetic changes leading to altered gene expression pattern. Although cellular senescence plays physiological roles during development, maintenance of tissue homeostasis, or wound healing, senescence-associated cell cycle regulators and various senescence-associated secretory phenotypes (SASPs) drives the aging hallmarks in response to damage. Moreover, senescence contributes to the progression of multiple aging-associated diseases. In osteoarthritis (OA), the accumulation of senescent cells in cartilage has been reported. The causal role of senescent chondrocytes in OA has been described by injecting senescent cells in knee joints and showing OA-like phenotypes in mice, and elimination of senescent chondrocytes using senolytics which mitigated OA progression. Further studies on the relationship between the accumulation of oxidative stress, cellular senescence, and the following consequences in OA chondrocytes will expand our understanding of cellular signaling behind OA progression. Also, it will lead to the discovery of efficient OA treatment strategy. A progressive loss of cartilage matrix leads to the development of OA. Matrix homeostasis is disturbed in OA cartilage as the result of reduced production of cartilage-specific matrix and increased secretion of catabolic mediators by chondrocytes. Chondrocyte senescence is a crucial cellular event contributing to such imbalance in matrix metabolism during OA development. Here, we identify miR-204 as a markedly upregulated microRNA in OA cartilage. miR-204 is induced by transcription factors GATA4 and NF-κB in response to senescence signals. Upregulated miR-204 simultaneously targets multiple components of the sulfated proteoglycan (PG) biosynthesis pathway, effectively shutting down PG anabolism. Ectopic expression of miR-204 in joints triggers spontaneous cartilage loss and OA development, whereas miR-204 inhibition ameliorates experimental OA, with concomitant recovery of PG synthesis and suppression of inflammatory SASP factors in cartilage. Collectively, we unravel a stress-activated senescence pathway that underlies disrupted matrix homeostasis in OA cartilage. OA, the most prevalent form of arthritis, is characterized by loss of the cartilage matrix and consequent impairment of the load-bearing capacity in articular cartilage. A variety of etiological factors, including aging and joint injuries, lead to an imbalance in redox homeostasis, and the resulting state of oxidative stress is considered a hallmark event that drives the pathological transition of articular chondrocytes during OA pathogenesis. However, the specific molecular pathways involved in disrupting redox homeostasis during OA development remain unclear. Here, we show that selenophosphate synthetase 1 (SEPHS1) expression is downregulated in both the human and mouse OA cartilage. SEPHS1 downregulation impaired the cellular capacity to synthesize a class of selenoproteins with oxidoreductase functions in chondrocytes, thereby elevating the level of reactive oxygen species (ROS). This oxidative stress in turn facilitated the entry of chondrocytes into a state of senescence, eliciting OA-associated pathological transcriptome patterns. Cartilage-specific Sephs1 knockout in adult mice caused the spontaneous development of aging-associated OA and augmented post-traumatic OA at the whole-joint level. Although dietary selenium deficiency alone did not significantly enhance the progression of OA, selenium-deficient feeding and Sephs1 knockdown showed synergistic effects in augmenting OA pathogenesis in mice. Therefore, we propose that SEPHS1 is an essential regulator of selenium metabolism and redox homeostasis, and its dysregulation governs the progression of OA. In conclusion, this study identified how oxidative stress appears in chondrocytes and how this event alters secretory phenotypes by causing cellular senescence in OA chondrocytes. In summary, I found that SEPHS1 deficiency causes imbalance in redox homeostasis and further promotes OA progression. Also, stresses which cause senescence including SEPHS1 deficiency-associated oxidative stress induce miR-204 expression which brings pathological alterations in chondrocytes. I hope this findings on chondrocyte senescence signaling network integrating SEPHS1 deficiency, oxidative stress, DNA damage, and miR-204, will lead to the discovery of efficient OA treatment strategy.