Research on the novel role of ATF3 as a genetic modifier of cellular senescence

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cellular senescence is a growth arrest state that contributes to aging and tumor suppression but also promotes chronic inflammation through the senescence-associated secretory phenotype (SASP). Of note, recent studies have proposed the relevance of the nucleolus, a site of ribosomal biogenesis, in the progression of cellular senescence. To investigate the molecular regulators of this process, I first analyzed gene expression profiles to identify differentially expressed genes (DEGs) associated with senescence. From this analysis, 14 genes with potential links to the nucleolus were identified as candidate modulators of senescence phenotypes. One of the notable candidates was ATF3, a stress-responsive transcription factor implicated in various physiological and pathological contexts. However, its isoform-specific roles during cellular senescence remain poorly understood. In this study, I investigated the expression and function of ATF3 isoforms in oxidative stress-induced senescence. Among multiple splicing variants, I verified the expression of full-length, Δzip2a/b and zip3 isoforms lacking the bZip domain. Unlike full-length ATF3, which forms nuclear repressive puncta, Δzip2a/b isoforms lack DNA-binding ability but promote the expression of a subset of SASP-related cytokines, including IL-1β and IL6. Thus, our findings contribute to a better understanding of ATF3 as a context-dependent regulator, whose isoform abundance critically influences senescence-associated transcriptional programs. This highlights the importance of considering isoform-specific regulation in studies of senescence and inflammation.

국문 초록 (Abstract)

세포노화는 세포의 성장 정지 상태로, 노화와 종양 억제에 기여하는 반면, 세포노화 연관 분비 표현형(SASP)을 통해 만성 염증을 유발하기도 한다. 최근 연구들에 따르면, 리보솜 생성의 중심인 핵소체(nucleolus)가 세포 노화의 진행 과정과 관련되어 있다는 점이 제안되었다. 본 연구에서는 이와 같은 과정의 분자적 조절인자를 탐색하고자, 유전자 발현 프로파일 분석을 통해 세포 노화와 관련된 차등발현 유전자를 확인하였다. 분석 결과, 핵소체와 연관 가능성이 있는 14개의 유전자가 세포 노화 표현형 조절 후보로 도출되었으며, 이 중 주목할 만한 유전자로 ATF3가 확인되었다.
ATF3는 다양한 생리적 및 병리적 상황에서 기능하는 스트레스 반응성 전사인자로 알려져 있으나, 세포 노화 과정에서의 스플라이싱 아이소폼에 따른 특이적 역할은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 산화 스트레스 유도 노화 모델을 이용해 ATF3 아이소폼의 발현과 기능을 분석하였다. bZip 도메인이 결여된 아이소폼 중에서 Δzip2a/b 및 Δzip3 아이소폼의 발현이 확인되었으며 이러한 아이소폼들은 DNA 결합 능력은 없으나, 전체 길이의 ATF3와 달리 핵 내 억제성 점상(puncta)을 형성하지 않고, IL-1β 및 IL-6와 같은 일부 노화 연관 분비 표현형 관련 사이토카인의 발현을 촉진하는 것으로 나타났다.
이러한 결과는 ATF3가 세포 노화 맥락에서 기능적으로 재조정될 수 있는 아이소폼 특이적 전사 조절 인자임을 시사하며, 세포 노화 및 염증 연구에 있어서 ATF3 아이소폼의 발현 조절을 고려하는 것이 중요함을 강조한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 2. MATERIALS AND METHODS 3
• 2.1. Dataset selection and description 3
• 2.2. Differential expression and functional enrichment analysis 4
• 2.3. Cell culture 4
• 2.4. RNA interference (RNAi)-based functional screening 5
• 2.4.1 siRNA-mediated gene knockdown 5
• 2.4.2. Cellular senescence assay 5
• 2.4.3. Cell proliferation assay 6
• 2.4.4. Nucleolar area analysis 6
• 2.5. cDNA synthesis 6
• 2.6. TA cloning of ATF3 transcript variants 7
• 2.7. Plasmid construction 7
• 2.8. Reverse transcription-quantitative PCR (RT-qPCR) 8
• 2.9. Immunoblotting 8
• 2.10. Immunofluorescence 9
• 2.11. Image acquisition and analysis 10
• 2.12. Statistical analysis 10
• 3. RESULTS 11
• 3.1. Identification of DEGs 11
• 3.2. Expression profile of 14 nucleolar DEGs in senescence 15
• 3.3. RNAi-based functional screening identifies regulators of cellular senescence 18
• 3.4. ATF3 knockdown alleviates oxidative stress induced senescence phenotypes 22
• 3.5. Identification of ATF3 splicing variants whose expression is enriched in U2OS cells 24
• 3.6. Coordinated regulation of ATF3 mRNA and protein in response to oxidative stress 27
• 3.7. Subnuclear redistribution of ATF3 in senescent cells 31
• 3.8. ATF3 isoforms specific localization mirrors senescence-associated nuclear patterns 34
• 3.9. ATF3 knockdown selectively suppresses SASP cytokine expression under oxidative stress 36
• 4. DISCUSSION 39
• 5. REFERENCES 46
• 6. 눈문 요약 51