Most mammalian cells do not divide indefinitely, owing to a process termed replicative senescence. In human cells, replicative senescence is caused by telomere shortening, but murine cells senesce despite having long stable telomeres1. Here, we show that the phenotypes of senescent human fibroblasts and mouse embryonic fibroblasts (MEFs) differ under standard culture conditions, which include 20% oxygen. MEFs did not senesce in physiological (3%) oxygen levels, but underwent a spontaneous event that allowed indefinite proliferation in 20% oxygen. The proliferation and cytogenetic profiles of DNA repair-deficient MEFs suggested that DNA damage limits MEF proliferation in 20% oxygen. Indeed, MEFs accumulated more DNA damage in 20% oxygen than 3% oxygen, and more damage than human fibroblasts in 20% oxygen. Our results identify oxygen sensitivity as a critical difference between mouse and human cells, explaining their proliferative differences in culture, and possibly their different rates of cancer and ageing.

Abstract Cellular senescence suppresses cancer by irreversibly arresting cell proliferation. Senescent cells acquire a proinflammatory senescence-associated secretory phenotype. Many genotoxic chemotherapies target proliferating cells nonspecifically, often with adverse reactions. In accord with prior work, we show that several chemotherapeutic drugs induce senescence of primary murine and human cells. Using a transgenic mouse that permits tracking and eliminating senescent cells, we show that therapy-induced senescent (TIS) cells persist and contribute to local and systemic inflammation. Eliminating TIS cells reduced several short- and long-term effects of the drugs, including bone marrow suppression, cardiac dysfunction, cancer recurrence, and physical activity and strength. Consistent with our findings in mice, the risk of chemotherapy-induced fatigue was significantly greater in humans with increased expression of a senescence marker in T cells prior to chemotherapy. These findings suggest that senescent cells can cause certain chemotherapy side effects, providing a new target to reduce the toxicity of anticancer treatments. Significance: Many genotoxic chemotherapies have debilitating side effects and also induce cellular senescence in normal tissues. The senescent cells remain chronically present where they can promote local and systemic inflammation that causes or exacerbates many side effects of the chemotherapy. Cancer Discov; 7(2); 165–76. ©2016 AACR. This article is highlighted in the In This Issue feature, p. 115

We tested the theory that reactive oxygen species cause aging. We augmented the natural antioxidant systems of Caenorhabditis elegans with small synthetic superoxide dismutase/catalase mimetics. Treatment of wild-type worms increased their mean life-span by a mean of 44 percent, and treatment of prematurely aging worms resulted in normalization of their life-span (a 67 percent increase). It appears that oxidative stress is a major determinant of life-span and that it can be counteracted by pharmacological intervention.

We have discovered that three longevity mutants of the nematode Caenorhabditis elegans also exhibit increased intrinsic thermotolerance (Itt) as young adults. Mutation of the age-1 gene causes not only 65% longer life expectancy but also Itt. The Itt phenotype cosegregates with age-1. Long-lived spe-26 and daf-2 mutants also exhibit Itt. We investigated the relationship between increased thermotolerance and increased life-span by developing conditions for environmental induction of thermotolerance. Such pretreatments at sublethal temperatures induce significant increases in thermotolerance and small but statistically highly significant increases in life expectancy, consistent with a causal connection between these two traits. Thus, when an animal's resistance to stress is increased, by either genetic or environmental manipulation, we also observe an increase in life expectancy. These results suggest that ability to respond to stress limits the life expectancy of C. elegans and might do so in other metazoa as well.

Cellular senescence is a state of irreversibly arrested proliferation, often induced by genotoxic stress [1]. Senescent cells participate in a variety of physiological and pathological conditions, including tumor suppression [2], embryonic development [3, 4], tissue repair [5-8], and organismal aging [9]. The senescence program is variably characterized by several non-exclusive markers, including constitutive DNA damage response (DDR) signaling, senescence-associated β-galactosidase (SA-βgal) activity, increased expression of the cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitors p16INK4A (CDKN2A) and p21CIP1 (CDKN1A), increased secretion of many bio-active factors (the senescence-associated secretory phenotype, or SASP), and reduced expression of the nuclear lamina protein LaminB1 (LMNB1) [1]. Many senescence-associated markers result from altered transcription, but the senescent phenotype is variable, and methods for clearly identifying senescent cells are lacking [10]. Here, we characterize the heterogeneity of the senescence program using numerous whole-transcriptome datasets generated by us or publicly available. We identify transcriptome signatures associated with specific senescence-inducing stresses or senescent cell types and identify and validate genes that are commonly differentially regulated. We also show that the senescent phenotype is dynamic, changing at varying intervals after senescence induction. Identifying novel transcriptome signatures to detect any type of senescent cell or to discriminate among diverse senescence programs is an attractive strategy for determining the diverse biological roles of senescent cells and developing specific drug targets.

It has been hypothesized that a major factor in the progression of mitochondrial disease resulting from defects in oxidative phosphorylation (OXPHOS) is the stimulation of the mitochondrial production of reactive oxygen species (ROS) and the resulting damage to the mtDNA. To test this hypothesis, we examined the mitochondria from mice lacking the heart/muscle isoform of the adenine nucleotide translocator ( Ant1 ), designated Ant1 tm2Mgr (−/−) mice. The absence of Ant1 blocks the exchange of ADP and ATP across the mitochondrial inner membrane, thus inhibiting OXPHOS. Consistent with Ant1 expression, mitochondria isolated from skeletal muscle, heart, and brain of the Ant1 -deficient mice produced markedly increased amounts of the ROS hydrogen peroxide, whereas liver mitochondria, which express a different Ant isoform, produced normally low levels of hydrogen peroxide. The increased production of ROS by the skeletal muscle and heart was associated with a dramatic increase in the ROS detoxification enzyme manganese superoxide dismutase (Sod2, also known as MnSod) in muscle tissue and muscle mitochondria, a modest increase in Sod2 in heart tissue, and no increase in heart mitochondria. The level of glutathione peroxidase-1 (Gpx1), a second ROS detoxifying enzyme, was increased moderately in the mitochondria of both tissues. Consistent with the lower antioxidant defenses in heart, the heart mtDNAs of the Ant1 -deficient mice showed a striking increase in the accumulation of mtDNA rearrangements, whereas skeletal muscle, with higher antioxidant defenses, had fewer mtDNA rearrangements. Hence, inhibition of OXPHOS does increase mitochondrial ROS production, eliciting antioxidant defenses. If the antioxidant defenses are insufficient to detoxify the ROS, then an increased mtDNA mutation rate can result.

Oxidative stress has been implicated in many diseases. The chief source of reactive oxygen species within the cell is the mitochondrion. We have characterized a variety of the biochemical and metabolic effects of inactivation of the mouse gene for the mitochondrial superoxide dismutase (CD1- Sod2 tm1Cje ). The Sod2 mutant mice exhibit a tissue-specific inhibition of the respiratory chain enzymes NADH-dehydrogenase (complex I) and succinate dehydrogenase (complex II), inactivation of the tricarboxylic acid cycle enzyme aconitase, development of a urine organic aciduria in conjunction with a partial defect in 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase, and accumulation of oxidative DNA damage. These results indicate that the increase in mitochondrial reactive oxygen species can result in biochemical aberrations with features reminiscent of mitochondrial myopathy, Friedreich ataxia, and 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase deficiency.

To search for novel transcriptional pathways that are activated in skeletal muscle after endurance exercise, we used cDNA microarrays to measure global mRNA expression after an exhaustive bout of high-intensity cycling (approximately 75 min). Healthy, young, sedentary males performed the cycling bout, and skeletal muscle biopsies were taken from the vastus lateralis before, and at 3 and 48 h after exercise. We examined mRNA expression in individual muscle samples from four subjects using cDNA microarrays, used repeated-measures significance analysis of microarray (SAM) to determine statistically significant expression changes, and confirmed selected results using real-time RT-PCR. In total, the expression of 118 genes significantly increased 3 h postcycling and 8 decreased. At 48 h, the expression of 29 genes significantly increased and 5 decreased. Many of these are potentially important novel genes involved in exercise recovery and adaptation, including several involved in 1) metabolism and mitochondrial biogenesis (FOXO1, PPARdelta, PPARgamma, nuclear receptor binding protein 2, IL-6 receptor, ribosomal protein L2, aminolevulinate delta-synthase 2); 2) the oxidant stress response (metalothioneins 1B, 1F, 1G, 1H, 1L, 2A, 3, interferon regulatory factor 1); and 3) electrolyte transport across membranes [Na+-K+-ATPase (beta3), SERCA3, chloride channel 4]. Others include genes involved in cell stress, proteolysis, apoptosis, growth, differentiation, and transcriptional activation, as well as all three nuclear receptor subfamily 4A family members (Nur77, Nurr1, and Nor1). This study is the first to characterize global mRNA expression during recovery from endurance exercise, and the results provide potential insight into 1) the transcriptional contributions to homeostatic recovery in human skeletal muscle after endurance exercise, and 2) the transcriptional contributions from a single bout of endurance exercise to the adaptive processes that occur after a period of endurance exercise training.