A small-molecule inducer of apoptosis is able to kill senescent cells in the bone marrow of irradiated or aged mice, thereby improving hematopoietic stem cell function. Senescent cells (SCs) accumulate with age and after genotoxic stress, such as total-body irradiation (TBI)1,2,3,4,5,6. Clearance of SCs in a progeroid mouse model using a transgenic approach delays several age-associated disorders7, suggesting that SCs play a causative role in certain age-related pathologies. Thus, a 'senolytic' pharmacological agent that can selectively kill SCs holds promise for rejuvenating tissue stem cells and extending health span. To test this idea, we screened a collection of compounds and identified ABT263 (a specific inhibitor of the anti-apoptotic proteins BCL-2 and BCL-xL) as a potent senolytic drug. We show that ABT263 selectively kills SCs in culture in a cell type– and species-independent manner by inducing apoptosis. Oral administration of ABT263 to either sublethally irradiated or normally aged mice effectively depleted SCs, including senescent bone marrow hematopoietic stem cells (HSCs) and senescent muscle stem cells (MuSCs). Notably, this depletion mitigated TBI-induced premature aging of the hematopoietic system and rejuvenated the aged HSCs and MuSCs in normally aged mice. Our results demonstrate that selective clearance of SCs by a pharmacological agent is beneficial in part through its rejuvenation of aged tissue stem cells. Thus, senolytic drugs may represent a new class of radiation mitigators and anti-aging agents.

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

Interleukin 6 (IL-6) is a pleiotropic cytokine produced by the cells of immune and nonimmune origin. Increased production of IL-6 is associated with disturbances of homeostasis, such as trauma, sepsis, or inflammatory diseases. Endotoxemia, tissue injury, or immune inflammatory reactions as well as physical or psychological stress are known to cause increased production of IL-6. We have confirmed this by showing that rats exposed to electric footshock, physical restraint, or a conditioned aversive stimulus have increased levels of plasma IL-6. Interestingly, the kinetics of the increase in plasma IL-6 resembled that of increase in plasma corticosterone. As no detectable endotoxin was found in the plasma samples from stressed and nonstressed rats and there is no evidence of tissue damage and inflammation in situations of restraint or conditioned aversive stimulus, a nonimmune origin of IL-6 is possible. Thus, the releasing of IL-6 into plasma may be under the regulation of neural and endocrine responses to stress. This hypothesis is supported by the decreased production of IL-6 in cultures of splenic cells and peripheral blood mononuclear cells from stressed animals. Furthermore, substantial attenuation of increased plasma IL-6 was achieved by adrenalectomy but not by pretreatment with the beta-receptor antagonist propranolol. The important role of the adrenal gland in the IL-6 response to stress suggests that increased plasma IL-6 may be part of the hormonal responses to stress. As IL-6 induces acute-phase proteins along with glucocorticoids from the adrenal, and regulates the secretion of various hormones from neuroendocrine and endocrine tissues, it is possible that stress-induced increase in plasma IL-6 contributes to the maintenance of homeostasis.

B-cell lymphoma extra large (BCL-XL) is a well-validated cancer target. However, the on-target and dose-limiting thrombocytopenia limits the use of BCL-XL inhibitors, such as ABT263, as safe and effective anticancer agents. To reduce the toxicity of ABT263, we converted it into DT2216, a BCL-XL proteolysis-targeting chimera (PROTAC), that targets BCL-XL to the Von Hippel-Lindau (VHL) E3 ligase for degradation. We found that DT2216 was more potent against various BCL-XL-dependent leukemia and cancer cells but considerably less toxic to platelets than ABT263 in vitro because VHL is poorly expressed in platelets. In vivo, DT2216 effectively inhibits the growth of several xenograft tumors as a single agent or in combination with other chemotherapeutic agents, without causing appreciable thrombocytopenia. These findings demonstrate the potential to use PROTAC technology to reduce on-target drug toxicities and rescue the therapeutic potential of previously undruggable targets. Furthermore, DT2216 may be developed as a safe first-in-class anticancer agent targeting BCL-XL.

Reactive oxygen species (ROS) play an important role in determining the fate of normal stem cells. Low levels of ROS are required for stem cells to maintain quiescence and self-renewal. Increases in ROS production cause stem cell proliferation/differentiation, senescence, and apoptosis in a dose-dependent manner, leading to their exhaustion. Therefore, the production of ROS in stem cells is tightly regulated to ensure that they have the ability to maintain tissue homeostasis and repair damaged tissues for the life span of an organism. In this chapter, we discuss how the production of ROS in normal stem cells is regulated by various intrinsic and extrinsic factors and how the fate of these cells is altered by the dysregulation of ROS production under various pathological conditions. In addition, the implications of the aberrant production of ROS by tumor stem cells for tumor progression and treatment are also discussed.

Accumulating evidence indicates that senescent cells play an important role in many age-associated diseases. The pharmacological depletion of senescent cells (SCs) with a "senolytic agent", a small molecule that selectively kills SCs, is a potential novel therapeutic approach for these diseases. Recently, we discovered ABT-263, a potent and highly selective senolytic agent, by screening a library of rationally-selected compounds. With this screening approach, we also identified a second senolytic agent called piperlongumine (PL). PL is a natural product that is reported to have many pharmacological effects, including anti-tumor activity. We show here that PL preferentially killed senescent human WI-38 fibroblasts when senescence was induced by ionizing radiation, replicative exhaustion, or ectopic expression of the oncogene Ras. PL killed SCs by inducing apoptosis, and this process did not require the induction of reactive oxygen species. In addition, we found that PL synergistically killed SCs in combination with ABT-263, and initial structural modifications to PL identified analogs with improved potency and/or selectivity in inducing SC death. Overall, our studies demonstrate that PL is a novel lead for developing senolytic agents.

Cellular senescence is an essential tumor suppressive mechanism that prevents the propagation of oncogenically activated, genetically unstable, and/or damaged cells. Induction of tumor cell senescence is also one of the underlying mechanisms by which cancer therapies exert antitumor activity. However, an increasing body of evidence from preclinical studies demonstrates that radiation and chemotherapy cause accumulation of senescent cells (SnCs) both in tumor and normal tissue. SnCs in tumors can, paradoxically, promote tumor relapse, metastasis, and resistance to therapy, in part, through expression of the senescence-associated secretory phenotype. In addition, SnCs in normal tissue can contribute to certain radiation- and chemotherapy-induced side effects. Because of its multiple roles, cellular senescence could serve as an important target in the fight against cancer. This commentary provides a summary of the discussion at the National Cancer Institute Workshop on Radiation, Senescence, and Cancer (August 10-11, 2020, National Cancer Institute, Bethesda, MD) regarding the current status of senescence research, heterogeneity of therapy-induced senescence, current status of senotherapeutics and molecular biomarkers, a concept of "one-two punch" cancer therapy (consisting of therapeutics to induce tumor cell senescence followed by selective clearance of SnCs), and its integration with personalized adaptive tumor therapy. It also identifies key knowledge gaps and outlines future directions in this emerging field to improve treatment outcomes for cancer patients.

Abstract Small molecules that selectively kill senescent cells (SCs), termed senolytics, have the potential to prevent and treat various age-related diseases and extend healthspan. The use of Bcl-xl inhibitors as senolytics is largely limited by their on-target and dose-limiting platelet toxicity. Here, we report the use of proteolysis-targeting chimera (PROTAC) technology to reduce the platelet toxicity of navitoclax (also known as ABT263), a Bcl-2 and Bcl-xl dual inhibitor, by converting it into PZ15227 (PZ), a Bcl-xl PROTAC, which targets Bcl-xl to the cereblon (CRBN) E3 ligase for degradation. Compared to ABT263, PZ is less toxic to platelets, but equally or slightly more potent against SCs because CRBN is poorly expressed in platelets. PZ effectively clears SCs and rejuvenates tissue stem and progenitor cells in naturally aged mice without causing severe thrombocytopenia. With further improvement, Bcl-xl PROTACs have the potential to become safer and more potent senolytic agents than Bcl-xl inhibitors.

SUMMARY PROteolysis Targeting Chimeras (PROTACs) are bifunctional molecules that degrade target proteins through recruiting E3 ligases. However, their application is limited in part because few E3 ligases can be recruited by known E3 ligase ligands. In this study, we identified piperlongumine (PL), a natural product, as a covalent E3 ligase recruiter, which induces CDK9 degradation when it is conjugated with SNS-032, a CDK9 inhibitor. The lead conjugate 955 can potently degrade CDK9 in a ubiquitin-proteasome-dependent manner and is much more potent than SNS-032 against various tumor cells in vitro . Mechanistically, we identified KEAP1 as the E3 ligase recruited by 955 to degrade CDK9 through a TurboID-based proteomics study, which was further confirmed by KEAP1 knockout and the nanoBRET ternary complex formation assay. In addition, PL-Ceritinib conjugate can degrade EML4-ALK fusion oncoprotein, suggesting that PL may have a broader application as a covalent E3 ligase ligand in targeted protein degradation.