結果と議論
哺乳類システムでは、Cdc42活性は、毛包細胞への皮膚幹/前駆細胞の分化を調節し、神経上皮幹/前駆細胞の極性と脳半球の分岐を制御し、周産期(6-9)の間に細胞数と成長を調節する上で重要であることが示されている。 興味深いことに、様々な年齢のWT成体マウスにおけるCdc42活性の検査は、心臓、脳、肺、肝臓、骨髄、脾臓、および腎臓を含む多様な組織において、高齢動物の相対的なCdc42-GTPレベルが若年動物のそれよりも有意に高いことを明らかにした(図10B)。 図1Aおよびデータは示されていない)、増加したCdc42活性が正常な老化過程に関与している可能性を高める。
マウスの自然老化の過程でCdc42活性を増加させ、Cdc42Gap遺伝子を標的とすることが成体マウスの成長、骨構造、寿命、および繁殖期に及ぼす影響。 (A)マウスにおける正常な加齢は、Cdc4 2活性の増加と関連している。 (左)若い(2ヶ月齢)、中年(12ヶ月齢)、および高齢(24ヶ月齢)マウスからの様々な組織のCdc42-GTPレベルは、GST-PAK1エフェクタードメインプルダウンアッセイによって調 二つの実験からの代表的なブロットを濃度測定定量化して示した。 (右)1からの異なる組織のCdc42-GTPレベル。5ヶ月齢(若い)と26ヶ月齢(古い)WTマウスは、エフェクタープルダウンアッセイによって調べた。 定量化は三つの独立した実験から得た。 (B)8ヶ月齢のマウスからの異なる臓器は、超音波処理で溶解しました。 溶解物をGST-PAK1エフェクタープルダウンに供し、結合したタンパク質をモノクローナル抗Cdc42抗体によって免疫ブロットした。 二つの繰り返し実験からの一組のデータを示した。 下線の数字は、濃度測定走査によって定量化された相対的なCdc42-GTPを示す。 (C)加齢とともに追跡された各群の2 0匹のマウスの体重(Cdc4 2Gap+/+、Cdc4 2Gap+/−、およびCdc4 2Gap−/−)。 (D)1 6匹の対照(Cdc4 2Gap+/+およびCdc4 2Gap+/−)および2 1匹のCdc4 2Gap−/−マウスの生存曲線。 中央値の寿命は、それぞれ、Cdc42Gap−/−および対照マウスのための12および27ヶ月であった。 (E)代表的な生後12ヶ月のライブCdc42Gap+/+およびCdc42Gap-/-男性の写真。 Cdc42Gap−/−マウスは、サイズの縮小と重度の前弯症を示しています。 (F)Cdc42Gap-/-マウスにおける重度の前弯症を伴う骨格変化を示す代表的な15ヶ月の雄マウスのX線。 (G)Cdc4 2Gap−/−雌マウスにおける生殖期間の遅延、減少、および短縮。
自然老化に関連するCdc42活性の増加が生理学的関連性を有するかどうかを決定するために、我々は、彼らが成人に達した後、遺伝子標的マウスでCdc42負 周産期のホモ接合性Cdc42Gapノックアウトマウスの以前の研究は、様々な組織/細胞が上昇したCdc42-GTPを含むことを示し、cdc42Gap−/−遺伝子型の胚/新生仔は、様々な細胞型の自発的なアポトーシスの増加に関連する減少した器官/生物サイズを示した(6)。 成体Cdc4 2Gap−/−マウスでは、Cdc4 2活性は、一致するW Tマウスのそれよりも複数の組織/細胞型において構成的に高かったが、Rhoa−GTPまたはRac1−GTPのレベルは、WTの 1B; 周産期の間のものと同様の成体動物における特異的なCdc4 2活性の増加を示唆している。 Cdc42Gap−/−マウスの大部分は、その小さいサイズと弱い体格(6)のために新生児期に死亡しました。 しかし、それらの割合(≥7%)は、無関係な育成女性による里親ケアの下で新生児期に生き残ることができます。 出生後のホモ接合マウスでは、通常の牛乳摂取量と正常な血清グルコースおよびインスリン濃度にもかかわらず、Cdc42Gap−/−マウスの体重増加は、WTまたはヘテロ接合マウスでは3ヶ月以上の年齢で減速し始め、成熟ホモ接合体は全体的な細胞性の減少により体重が30%以上減少した(図)。 図1Cおよびデータは図示しない)。 Cdc4 2Gap−/−マウスの寿命の中央値は≧1 2ヶ月であったが、対照(W Tまたはヘテロ接合)マウスは、年齢の中央値が≧2 7ヶ月になるまで重要なままであった(図 1D)。 ホモ接合マウスの生存曲線は、典型的なGompertz曲線とは多少異なっているが、Bubr1(有糸分裂チェックポイント調節因子)ノックアウト(10)またはp44(p53腫瘍サプレッサーの短いアイソフォーム)トランスジェニック(11)動物のために報告されたものと同様である。 Cdc4 2Gap−/−マウスにおける脊柱後弯症および活力の欠如は、1 2ヶ月以上の年齢で明らかになった(図1 0A)。 1E)。 皮膚のCdc4 2Gap−/−マウスは、1 5ヶ月齢で、体重の明確な減少、皮下脂肪組織の実質的な喪失、重度の前弯症、および筋萎縮を示した(データは示されていない)。 X線スキャンは、1 5ヶ月齢のCdc4 2Gap−/−マウスにおいて、有意な後弯表現型および減少した骨ミネラル密度(BMD)を示した(図1 0A)。 F)の1つである。 Cdc4 2Gap−/−マウスの解剖された骨のさらなる定量化により、脛骨および大腿骨におけるBMDのそれぞれ3倍および2. 7). さらに、男性および女性の両方のCdc42Gap−/−マウスは、WTのそれと比較して早い年齢で不妊治療を失った。 Cdc4 2Gap−/−雌とW T雄との交配において、ホモ接合体は、WTについては4 8週齢と比較して、2 6週齢で不妊になった(図1 0A)。 1グラム)。 これらの観察は、cdc42Gap欠乏症は、構成的に上昇したCdc42-GTPレベル、減少した体のサイズ、早期後弯、減少BMD、短縮不妊期間、および成人マウスの寿命を減少させ
H&e染色された切片は、8ヶ月齢の雌マウスの椎体を介して、Cdc42Gap-/-マウスがWTマウスと比較して、より薄く、弓状の皮質およびより薄い小柱を有することを示した(図1)。 2A)。 同様に、ホモ接合マウスの大腿骨の経度切片は、WTマウスのそれと比較して皮質骨の厚さの減少を示した(データは示されていない)。 これらの所見は骨粗しょう症の肉眼的外観および臨床的特徴と一致した。 成体Cdc42Gap−/−マウスの脾臓、肝臓、および腎臓は、脾臓のH&e染色切片で明らかであった全体的な細胞性の減少のために質量が減少し、12ヶ月齢Cdc42Gap-/-脾臓のtおよびB細胞含有白色パルプ領域は、年齢適合WTマウスのものと比較して著しく減少した(図。 図2Bおよびデータは示されていない)、ホモ接合体における顕著なリンパ性萎縮を示唆している。 皮下脂肪組織の見かけの減少と一致して、背側皮膚の断面の組織学的分析は、生後9ヶ月のCdc42Gap-/-マウスにおけるs.c.脂肪細胞のほぼ完全な欠如を明 2C)。 筋肉量および筋萎縮の喪失は、1 2ヶ月齢のCdc4 2Gap−/−マウスおよび年齢適合W TマウスからのH<div id=「6e6 5c5d6 3f」></div>e染色骨格筋切片の検査 2C)。 また、Cdc4 2Gap−/−マウスは、髭剃りによる背側毛の除去後の毛髪再生の顕著な減少を示したが、年齢および性別に適合したWTは、頑健な毛髪再生を示した(図1B)。 8). Cdc4 2Gap−/−マウスの加齢に関連する活性(1 2)である創傷治癒などのストレスを許容する能力は、WTのそれと比較して有意に減少した(図1 2)。 2D)。 創傷切片の病理組織学的分析では、Cdc4 2Gap−/−マウスの創傷縁における再上皮化はほとんど示されなかったが、wtマウスの完全な再上皮化は、創傷が導入された4日後に明らかであった(図1 0A)。 2E)。 これらの観察に加えて、貧血、脾臓および骨髄細胞の減少、骨髄への造血幹細胞生着の欠陥、および誘導された動員に対する造血幹細胞の感受性の増加(13、14)を含むホモ接合マウスの造血表現型の数は、造血系の早期老化と一致していた。 重要なことに、明らかな表現型の発現前の若いホモ接合マウス(<4ヶ月齢)の検査では、骨、皮膚、脾臓に大きな異常は認められなかった(SI Fig. このことは、Cdc4 2Gap−/−マウスの老化様表現型が早期発達障害によるものではないことを示唆している。 さらに、皮質骨の厚さの減少、後弯、および筋肉量および表皮組織の喪失を含む、ホモ接合性マウスの多数の表現型が、古い(>2.5歳) 図9CおよびDおよびデータは図示しない)。 SI表1に要約されるように、これらの結果をまとめて、Cdc4 2Gap欠乏症が、動物において早期老化様表現型を引き起こすという強力な証拠を提供する。
Cdc42Gap−/−マウスは、様々な組織における早期老化様表現型を表示します。 (A)H&8ヶ月齢の女性ホモ接合体またはWTマウス椎体のeセクション。 Cdc42Gap−/−マウスは、WTマウスとは対照的に、薄い、弓状の皮質と薄い小柱を示しています。 (B)H&12ヶ月の雌マウス脾臓のeセクション。 Cdc42Gap欠損マウスは、脾臓およびより小さなリンパ濾胞の白パルプおよび赤色パルプの体積の減少および赤色パルプの正弦波上の赤血球の減少を示 (C)H&9ヶ月齢の雌マウス背側皮膚切片のe染色。 Cdc42Gap−/−マウスでは、s.c.層は脂肪細胞の損失のために完全に崩壊し、筋層はWT対照と比較して筋線維で萎縮を示す。 Epの表皮;deの皮膚;sftのs.c.脂肪質のティッシュ;smの骨格筋。 (D)8ヶ月齢の雌マウスと比較した創傷治癒能力。 (E)H&E創傷の4日後の皮膚創傷の染色。 WTは、創傷の完全な上皮化を示すが、Cdc4 2Gap欠損マウスでは、創傷に閉鎖がない(アスタリスクによって示される)。 実験を少なくとも2回繰り返し、1組の代表的なデータを示した。
老化関連β-ガラクトシダーゼ(SA-β-gal)の肝臓、腎臓、脾臓を含む9ヶ月の成人の組織の染色は、年齢および性別に適合したWTマウスの組織では検出されなかったホモ接合性マウスにおけるこの老化マーカーの強い活性を明らかにした(図。 図3AおよびSI図。 Cdc4 2Gap−/−成体組織が早すぎる老化を経験し得ることを示す図1 0)を示す。 興味深いことに、周産期に観察されたホモ接合体組織のアポトーシスの増加は、上昇したSA-β-gal活性が明らかであった場合、成体ホモ接合体には存在しなかった( 図6およびデータを示さない)。 Cdc42gap−/−マウス胚性線維芽細胞(MEF)細胞は、wt MEF細胞と比較して≥3倍高いCdc42-GTPが、通常のRac1-GTPまたはRhoA-GTP内容を含む(6)、有意に増加したSA-β-gal活性を示し、wt MEF細胞がSA-β-gal活性に対して陰性であり、形態学的に契約的であった継代6から始まる平坦化および拡大老化形態を蓄積した(図6)。 図3BおよびSI図。 11). Cdc4 2Gap−/−MEF細胞は、一致したW T MEF細胞が指数関数的に成長していたときに、継代5〜7で成長が減速し始めた(図1 0B)。 図3c)(6)に示すように、それらは継代7の後に大量の複製性老化を受けたが、一方、ほとんどのWT MEF細胞は継代1 3まで老化に達しなかった(図3C)。 図11およびデータを示さない)。 加えて、継代7での有意に高い割合のCdc4 2Gap−/−MEF細胞は、WT細胞よりも核内に大きな病巣を形成した(図1B)。 12). これらの結果は、Cdc42Gap欠乏症は、早期の組織/細胞老化を誘導することを示している。
Cdc42Gap−/−細胞は早期老化を受け、ゲノム不安定性の増加を示す。 (AおよびB)生後9か月の雌マウス(A)および継代6MEF細胞(B)の脾臓切片におけるSA−β−gal活性。 変異MEF細胞は、β-ガラクトシダーゼ染色に関連する平坦化および拡大した形態を示す。 (C)MEF細胞(継代4)を、1 0cm培養皿あたり3日毎に1×1 0 6の密度で複製し、集団倍増時間を導出した。 (D)8ヶ月齢の雌W Tおよびホモ接合マウスからの5 0脾細胞の中期拡散プロファイル。 (E)Passage-6MEF細胞を核型解析に供し、染色体異常をまとめた。 (F)染色体構造の代表的な写真のセットは、両方の遺伝子型のために示されています。 矢印は染色分体の切断を指し、アスタリスクは染色体断片を示し、プラス記号は融合および複雑な再配列を示す。 (G)継代−7MEF細胞を、抗p−H2A X抗体およびDAPIで染色して、細胞核およびDNA損傷病巣を明らかにした。 MEF細胞の三つの独立した対を調べ,対は同様に挙動した。
哺乳類の早期老化および細胞老化に寄与する因子の1つは、ゲノム不安定性の増加であることがよく認識されています(15)。 中期拡散分析は、<>
8ヶ月齢のホモ接合マウスからの30%の一次脾細胞は異数体であったが、年齢および性別に適合したWT脾細胞は検出可能な異数性を有していなかったことを示した(図10B)。 図3D)は、Cdc4 2Gap−/−組織がゲノム不安定性を被ったことを示している。 この知見を支持して、Cdc4 2Gap−/−MEF細胞は、継代7でW T細胞と比較してDAPI染色下で二重核細胞の有意な増加を示した(図1A)。 12). MEF細胞の後の継代(継代6〜7)の核型分析により、さらに、WT細胞由来のほとんどの染色体(≧8 0%)は無傷のままであったが、Cdc4 2Gap−/−細胞の4 2%は少なくとも1つの染色体異常を含み、2 0%は2つ以上の異常を含み、1 4%は3つ以上の異常を含んでいたことが明らかになった(図6)。 3E)。 異数性の割合および程度もまた、Cdc4 2Gap−/−MEF細胞において有意に増加し、7 2〜1 0 2の範囲の異常染色体数を示す細胞の<div id=「a4 1aab6fff」></div>3 2%であったが、大部分のWT細胞は二倍体であった(図1 0A)。 図3EおよびSI図。 13). 染色体損傷の核型分析は、ホモ接合性MEF細胞の異常は、染色分体切断、早期の姉妹染色分体分離(欠陥スピンドルアセンブリチェックポイントの特徴)、転座、染色体切断、二中心染色体、および染色体断片化を含む多様であったことを示している(図。 このことは、Dna損傷修復機構がCdc4 2Gap−/−細胞において侵害されていることを示唆している。 DNA損傷応答マーカーである細胞核内のホスホ−H2A Xの免疫蛍光染色(1 6)は、継代7Cdc4 2Gap−/−MEF細胞の1 0%がDNA損傷マーカーに対して陽性であったが、WT細胞の1%が陽性 3グラム)。 発症とCdc42Gap-/−マウスの老化様表現型の進行とcdc42Gap−/−細胞におけるゲノム異常の観察された程度と重症度との間の相関は、前駆体機能の開発にCdc42の
Cdc42Gap−/−細胞における蓄積されたDNA損傷の可能なメカニズムを決定するために、我々は、rac1とRac2、二つの密接に関連するRho Gtpアーゼは、細胞ROS(17)のレギュレータ SI図。 図1 4は、Cdc4 2Gap−/−細胞がW T細胞と同様のROS活性を示し、Cdc4 2Gapが内因性ROS非依存性機構を介してゲノム安定性を調節することを示すことを示す。 複数のCdc42Gap−/−マウス表現型の類似性のためBrca1−/−p53+/−、Ku80−/−、およびMtr−/−Wrnマウスモデル(12、18、19)を含むDNA損傷修復分子の遺伝子標的マウスモデルの数のものに、我々は DNA損傷応答成長アッセイでは、Cdc4 2Gap欠損細胞は、DNA損傷修復活性の広範な欠損を示した(図3)。 4)、h2O2、イオン化照射、カンプトテシン、メチル-メタンスルホン酸塩、またはマイトマイシンCの用量を増加させることにより、治療後のwt細胞と比較してホモ接合細胞の間で細胞死の有意に高い割合として明らかにしたため、cdc42Gap−/−細胞の後の通路で見られる蓄積された多様なゲノム異常は、少なくとも部分的には、dna損傷修復活性の障害に起因する可能性がある。
様々なDNA損傷剤で処理した後、Cdc42Gap欠損MEF細胞のDna損傷修復能力が損なわれました。 初期の通路のMEF細胞は、IR、H2O2、カンプトテシン(CPT)、メチル-メタンスルホン酸塩(MMS)、またはマイトマイシンC(MMC)の指示された用量で処理し、各条件の下で生 生存率は非処理細胞の生存率に正規化された。細胞内の持続的なゲノム損傷の結果は、複数のDNA損傷応答および/または老化遺伝子の誘導である(20、21)。
細胞内の持続的なゲノム損傷の結果は、複数のDNA損傷応答および/または老化遺伝子の誘導である。 Cdc42Gap-/-MEF細胞におけるp53、p21cip1、p16ink4a、およびホスホ−p53(Ser−15)の発現は、同様の継代後のWT MEF細胞の発現よりも有意に高かったが、ホモ接合細胞におけるp19arfは、WT細胞のように継代とともに同様の増加傾向を示した(図。 5A)。 P53、p21cip1、p16ink4a、phospho-p53(Ser-15)、およびDNA損傷マーカー phospho-H2AXのタンパク質レベルは、8ヶ月齢のマウスからCdc42Gap−/−組織においても、一致したWTマウスの対応 5B)。 これらの結果は、p53調節経路、特にp21cip1とp16ink4aの活性化は、Cdc42Gap欠乏誘発早期老化に関連付けられていることを証拠を提供します。 Cdc42Gap欠損細胞における上昇Cdc42活性が早期老化表現型を説明するのに十分であるかどうかの問題を調べるために、我々は、プライマリWT MEF細胞でCdc42、Cdc42F28Lの活性化変異体を発現し、異なる継代でEGFP発現細胞を一致させることと比較して細胞のSA-β-gal活性をアッセイした。 CDC4 2F2 8l発現は、早期継代MEF細胞において、SA−β−gal陽性細胞集団の有意な増加(Cdc4 2F2 8l細胞では3 5%、EGFP発現細胞では7%と比較して)を引き起こした(図 これは、Cdc4 2活性化が早期の細胞老化の誘導に十分であることを示す。
Cdc42Gap−/−細胞の早期老化は、p53活性に依存する。 継代3および6(A)のMEF細胞または8ヶ月齢マウス(B)の異なる組織からのタンパク質溶解物(100μ g)は、それぞれの抗体で免疫ブロットされました。 (C)egfpまたはCdc4 2F2 8L/EGFPを形質導入したW T MEF細胞を、早期の継代(継代6)でβ−ガラクトシダーゼ活性について染色して、老化細胞集団を明らかにした。 (D)継代4〜9における種々の遺伝子型のMEF細胞の集団倍増時間を細胞培養で測定した。 (E)継代7のMEF細胞を、老化マーカー S A−β−galで染色して、老化細胞集団を決定した。 (F)Cdc42Gap欠乏症誘発老化の可能なメカニズムのための作業モデル。 Cdc42gapノックアウトは、順番にDNA損傷修復能力を減衰させる構成的に上昇したCdc42活性を引き起こします。 修復されていない損傷に起因する蓄積されたゲノム異常は、複製老化を引き起こすp53媒介応答を刺激する。さらにCdc42Gap−/−細胞の老化表現型がp53欠損によって救出される可能性を探るために、我々はCdc42Gap+/−p53+/−マウスを生成し、交雑種からMEF細胞を調製しようと 44個の胚のうち、Cdc42Gap−/−p53+/−遺伝子型を有する六つおよびCdc42Gap−/−p53−/−遺伝子型のいずれも得られなかった。 Cdc42Gap−/−p53+/−MEF細胞は、p53+/−およびWT細胞の間の速度で成長し、p53+/−またはwt細胞のそれと同等の基礎老化集団を示したが、p53−/−およびCdc42Gap−/−MEF細胞は、線形曲線および屈曲集団倍増曲線で増殖し、それぞれ同様の継代で老化抵抗性および老化傾向があった(図。 5DおよびE)。 これらの結果は、Cdc42活性化誘導早期老化がp53に依存することを示している。
細胞および動物の限られた寿命は、DNA損傷(22)、テロメア侵食(23)、ROS(24)、および/または不適切に活性化された癌遺伝子(25)を含む様々なストレスに応答して複製 Cdc42Gap−/−マウスは、有糸分裂シグナル誘導Cdc42活性化を模倣し(6)、動物および細胞生理学上のCdc42活性化の可能性のある効果の評価を可能にするcdc42活性 我々は、Cdc42Gap欠乏症は、細胞および早期老化のような表現型の動物で老化の早期発症を引き起こすことを示しています。 特に、Cdc4 2Gap遺伝子標的化は、Cdc4 2活性の全体的な増加を誘導し、減少したDNA損傷修復能力を有する細胞ゲノム不安定性を促進し、これは、次に、p5 3およびp1 6Ink4Aを活性化することができ、早期老化をもたらす(図1 0A)。 5F)。 以前は、Cdc4 2は、形態学的調節を調節するために老化細胞において活性化されることが見出されていた(2 6)。 また、p53調節された細胞の形態学的変化、アポトーシス、および増殖(27-29)とc-Jun N末端キナーゼ制御アポトーシス(30、31)、細胞老化および動物老化(32、33)に関連してい Cdc42活性化は自然老化と関連しており、Cdc42Gap欠乏症は、細胞が早期老化につながるゲノム異常を蓄積することを可能にするDNA損傷修復欠陥を引き起こ
P53経路の活性化またはDNA損傷修復またはゲノム安定性調節に関与する遺伝子の破壊は、マウスの早期老化を誘導することが示されている(11, 12, 33, 34). Cdc42が細胞スーパーオキシド活性の調節に関与していない可能性があることを以前の観察と一致して(17)、我々はCdc42Gap−/−細胞における蓄積されたDNA損傷がros活 Cdc42gap欠失は、Cdc42の長期活性化は、DNA損傷修復能力を減衰させる可能性があることを示唆し、DNA架橋剤と二本鎖切断または一本鎖切断誘導剤への応答 Cdc42Gap−/−細胞で見つかったゲノム損傷の多様性はまた、グローバルなDNA損傷修復欠陥からの影響と一致しています。 対処すべき残りの重要な質問は、特定の分子決定基がCdc42Gap調節DNA損傷修復に関与しているものと上流のシグナル(複数可)は、通常の老化プロセス中にcdc42-gtp