4-hydroxynonenal-a product of lipid peroxidation as a histone modifier

Abstract

Cellular senescence is defined as a state of stable exit from the cell cycle caused from a variety of stresses. Even though they remain metabolically active, senescent cells cannot proliferate. As a consequence, it is commonly viewed as a tumour suppressor mechanism. Lipid peroxidation, a process that arises during reactive oxygen species (ROS) production, may play an important role in modulating cellular signalling under senescence stress. 4-Hydroxy-2-nonenal (4-HNE) is a highly diffusible and reactive molecule produced during lipid peroxidation. This electrophilic aldehyde forms covalent adducts with proteins, altering their activity and function. From this report, it has been confirmed that Histone H3 is one of the proteins that bounds to 4-HNE, as human fibroblasts (IMR90) treated with 4-HNE and oncogene induced senescent cells have presented this interaction. Remarkably, IMR90 treated with 4-HNE changed they histone post-translational modifications (PTMs) when compared with the control cells, a feature never reported before. Furthermore, the changes promoted by 4-HNE are the same as the ones that have been reported as fundamental changes for induction and maintenance of a senescence phenotype, cases in point: trimethylation of histone 3 on both lysine 9 and lysine 27 (H3K9me3 and H3K27me3), and loss of methylation in histone 3 lysine 4 (H3K4me3). In fact, we were able to see these repressive marks in high levels on 4-HNE treated IMR90 and IMR90 cells expressing a chimeric fusion protein with Ras (IMR90:ER) - oncogene induced senescent cells. Following the epigenetic changes, 4-HNE cells also showed absence of proliferative markers - 5-bromo-2'-deoxyuridine (BrdU) incorporation - an essential characteristic for senescence cells. On top of that, an upregulation of the tumour suppressor protein p21 was also seen in this cells, which reinforces the idea that HNE treated cells present a senescence-like phenotype. Lastly, IMR90 treated with 4-HNE also presented a global and drastic change in nuclear architecture. These cells presented a highly compacted chromatin full of repressive markers (heterochromatin), this is marker usually seen in senescent cells known as Senescence associated heterochromatin foci. Further understanding on the relation of 4-HNE, histone post-translational modifications and senescence can have a great impact in new tumour suppressive therapies.

Senescência celular é definida como um processo de saída estável do ciclo celular quando promovido por uma grande variedade de stresses. Apesar de células senescentes continuarem metabolicamente ativas, estas não têm a capacidade de proliferar. Como consequência, este processo é muitas vezes visto como um mecanismo supressor de tumores. Peroxidação lipídica, é um processo que resulta da produção de espécies reativas de oxigénio (ROS), este pode ter um papel importante na modulação do stress celular que leva à senescência. 4-Hydroxy-2-nonenal (4-HNE) é uma molécula reativa que se passa facilmente por membranas e é produzida durante a peroxidação lipídica. Este aldeído electrofílico forma adutos covalentes com proteínas, alterando a sua estrutura. Neste trabalho foi confirmado que a histona H3 é uma das proteínas que se liga à 4 HNE, esta interação foi apresentada em fibroblastos humanos (IMR90) tratados com 4-HNE e fibroblastos induzidos oncogenicamente à senescência. Invulgarmente, quando comparado com células controlo, IMR90 que sofreram tratamento com 4 HNE mudaram as suas marcas pós-traducionais das histonas (PTMs), um acontecimento nunca reportado antes com 4-HNE. Esta caracteristica tornou-se ainda mais interessante quando observamos que, as mudanças produzidas por esta molécula são as mesmas que são aceites globalmente como fundamentais para a indução e manutenção de um fenótipo de senescência, casos em questão: tri metilação na lisina 9 e lisina 27 na histona 3 (H3K9me3 and H3K27me3), perda da tri metilação na lisina 4 histona 3 (H3K4me3). De facto, conseguimos observar estas marcas repressivas em IMR90 tratadas com 4-HNE e IMR90 células que expressam uma proteína de fusão quimérica com Ras (IMR90:ER) – células senescentes por indução oncogénica. Na sequência das alterações epigenéticas, células tratadas com 4-HNE também mostraram ausência de marcadores de proliferação – incorporação de 5-bromo-2' deoxyuridine (BrdU) – uma característica essencial para células senescentes. Reforçando a ideia que 4-HNE promove um fenótipo semelhante ao da senescência, também foi observado uma regulação positiva da proteína supressora de tumor p21. Por último, células tratadas com 4-HNE também apresentaram uma alteração global e drástica na arquitetura nuclear. Estas células apresentaram uma cromatina muito compactada e cheia de marcas repressivas (heterocromatina), este é uma característica geralmente observada em células senescentes e conhecida por heterocromatina foci associada à senescência (SAHF). Uma maior compreensão sobre a relação entre 4-HNE, modificações pós translacionais em histonas e senescência pode ter um grande impacto em novas terapias para cancro.