Ενδονουκλέωση: μια ασυνήθιστη αυτοφαγική διαδικασία σε κύτταρα με κυτταρική γήρανση

Abstract

Setd8 protein is the sole enzyme that catalyzes the monomethylation of lysine 20 on histone 4 and regulates replication licensing, mitotic DNA condensation, DNA damage response and transcription elongation, among others. Its levels are tightly regulated during the cell cycle. During my PhD studies it was shown that, in mice with hepatocyte-specific deletion of the Setd8 gene (Setd8-LKO) after mitogenic treatment (TCPOBOP), most hepatocytes are eliminated by necrosis, but a significant number survives. Their survival seems to be achieved via entering a stage exhibiting several senescence-related features. Setd8-deficient hepatocytes are G2 arrested and have enlarged nuclei and nuclear envelope invaginations, that proceed to the formation of intranuclear vesicles surrounded by nuclear lamina. These vesicles contain glycogen, cytoplasmic proteins and even entire organelles. We term this process “endonucleosis”. Despite cell cycle arrest, senescent cells in Setd8-deficient mice retain inherent capability to replicate DNA, resulting in endoreplication-driven chromosomal hyperploidy. Intranuclear vesicles are absent in the hepatocytes of Setd8/Atg5 knockout mice and hyperploidy does not reach the same levels as in Setd8-LKO hepatocytes. This suggests that endonucleosis requires the function of the canonical autophagy machinery. In the nuclei of Setd8-LKO hepatocytes, the heterochromatic and euchromatic regions seem relatively unaffected, whereas CTCF and cohesin binding patterns are substantially altered. Endonucleosis and hyperploidy are temporary, early events in the surviving Setd8-LKO cells. Larger vesicles break down into smaller vesicles over time and are eventually eliminated. Also, nuclear segregation seems to take place without mitosis, giving rise to aneuploidy. In conclusion, the results reveal sequential events in cells with extensive DNA damage, which function as part of survival mechanisms to prevent necrotic death.

Η πρωτεΐνη Setd8 είναι το μοναδικό ένζυμο που καταλύει τη μονομεθυλίωση της λυσίνης 20 στην ιστόνη Η4 και ρυθμίζει την αδειοδότηση της αντιγραφής, τη συμπύκνωση του DNA, την απόκριση σε βλάβες DNA, τη μεταγραφική επιμήκυνση κ.α. Τα επίπεδά της ρυθμίζονται αυστηρά κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Κατά τη διάρκεια της διδακτορικής μου μελέτης, φάνηκε ότι, σε ποντίκια με ειδική απαλοιφή του γονιδίου Setd8 στα ηπατοκύτταρα (Setd8-LKO) μετά από χορήγηση μιτογόνου (TCPOBOP), τα περισσότερα ηπατοκύτταρα πεθαίνουν, αλλά ένας σημαντικός αριθμός επιβιώνει. Η επιβίωσή τους επιτυγχάνεται μπαίνοντας σε μια κατάσταση που παρουσιάζει χαρακτηριστικά που σχετίζονται με την κυτταρική γήρανση. Τα ηπατοκύτταρα με απώλεια της πρωτεΐνης Setd8 χαρακτηρίζονται από παύση του κυτταρικού κύκλου κατά τη φάση G2 και έχουν διογκωμένους πυρήνες και εγκολπώσεις του πυρηνικού φακέλου, που προχωρούν στον σχηματισμό ενδοπυρηνικών κυστιδίων που περιβάλλονται από πυρηνικό έλασμα. Αυτά τα κυστίδια περιέχουν γλυκογόνο, κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες, ακόμη και ολόκληρα οργανίδια. Ονομάζουμε αυτή τη διαδικασία «ενδονουκλέωση». Παρά την παύση του κυτταρικού κύκλου, τα γηρασμένα κύτταρα σε ποντίκια Setd8-LKO διατηρούν την εγγενή ικανότητα να διπλασιάζουν το DNA, με αποτέλεσμα να χαρακτηρίζονται από χρωμοσωμική υπερπλοειδία που προκαλείται από ενδοδιπλασιασμό του γονιδιώματος. Τα ενδοπυρηνικά κυστίδια απουσιάζουν στα ηπατοκύτταρα με απώλεια των πρωτεϊνών Setd8 και Atg5, και η υπερπλοειδία δεν φτάνει στα ίδια επίπεδα όπως στα ηπατοκύτταρα Setd8-LKO. Αυτό υποδηλώνει ότι η ενδονουκλέωση απαιτεί τη λειτουργία του αυτοφαγικού μηχανισμού. Στους πυρήνες των ηπατοκυττάρων Setd8-LKO, οι ετεροχρωματινικές και ευχρωματινικές περιοχές φαίνονται σχετικά ανεπηρέαστες, ενώ τα πρότυπα πρόσδεσης των παραγόντων CTCF και cohesin έχουν αλλάξει σημαντικά. Η ενδονουκλέωση και η υπερπλοειδία είναι προσωρινά συμβάντα στα κύτταρα Setd8-LKO που επιβίωσαν. Τα μεγαλύτερα κυστίδια διασπώνται σε μικρότερα με την πάροδο του χρόνου και τελικά εξαλείφονται. Επίσης, φαίνεται να λαμβάνει χώρα διαχωρισμός των πυρήνων χωρίς μίτωση, προκαλώντας ανευπλοειδία. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν διαδοχικά συμβάντα σε κύτταρα με εκτεταμένες βλάβες DNA, τα οποία λειτουργούν ως μέρος των μηχανισμών επιβίωσης για την αποφυγή του κυτταρικού θανάτου.