Re: 활성산소 --＞ Cell senescence --＞ 노화 탐구!!

[문형철]

Oxid Med Cell Longev. 2016; 2016: 3565127.

Published online 2016 May 10. doi: 10.1155/2016/3565127

PMCID: PMC4877482

PMID: 27247702

ROS, Cell Senescence, and Novel Molecular Mechanisms in Aging and Age-Related Diseases

Pierpaola Davalli, 1 Tijana Mitic, 2 Andrea Caporali, 3 Angela Lauriola, 1 and Domenico D'Arca 1 , 4 , *

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Abstract

The aging process worsens the human body functions at multiple levels, thus causing its gradual decrease to resist stress, damage, and disease. Besides changes in gene expression‎ and metabolic control, the aging rate has been associated with the production of high levels of Reactive Oxygen Species (ROS) and/or Reactive Nitrosative Species (RNS). Specific increases of ROS level have been demonstrated as potentially critical for induction and maintenance of cell senescence process. Causal connection between ROS, aging, age-related pathologies, and cell senescence is studied intensely.

Senescent cells have been proposed as a target for interventions to delay the aging and its related diseases or to improve the diseases treatment. Therapeutic interventions towards senescent cells might allow restoring the health and curing the diseases that share basal processes, rather than curing each disease in separate and symptomatic way. Here, we review observations on ROS ability of inducing cell senescence through novel mechanisms that underpin aging processes. Particular emphasis is addressed to the novel mechanisms of ROS involvement in epigenetic regulation of cell senescence and aging, with the aim to individuate specific pathways, which might promote healthy lifespan and improve aging.

노화 과정은 

여러 수준에서 인체 기능을 악화시켜 

스트레스, 손상 및 질병에 대한 저항력을 점진적으로 감소시킵니다. 

유전자 발현 및 대사 조절의 변화 외에도 

노화는 높은 수준의 활성산소(ROS) 및/또는 

반응성 질소종(RNS)의 생성과 관련이 있습니다. 

ROS 수준의 특정 증가는 

세포 노화 과정의 유도 및 유지에 

잠재적으로 중요한 것으로 입증되었습니다. 

ROS, 노화, 노화 관련 병리, 

세포 노화 사이의 인과 관계는 

집중적으로 연구되고 있습니다. 

노화 세포는 

노화 및 관련 질병을 지연시키거나 

질병 치료를 개선하기 위한 개입의 표적으로 제안되어 왔습니다. 

노화 세포에 대한 치료적 개입은 

각각의 질병을 개별적이고 

증상적인 방식으로 치료하는 것이 아니라 

기저 과정을 공유하는 질병의 건강을 회복하고 치료할 수 있게 해줄 수 있습니다. 

여기에서는 

노화 과정을 뒷받침하는 새로운 메커니즘을 통해 

세포 노화를 유도하는 

ROS의 능력에 대한 관찰 결과를 검토합니다. 

특히 

세포 노화와 

노화의 후성유전학적 조절에 관여하는 ROS의 새로운 메커니즘에 중점을 두고, 

건강한 수명을 증진하고 

노화(aging)를 개선할 수 있는 특정 경로를 개별화하는 것을 목표로 합니다.

epigenetic regulation of cell senescence

1. Introduction

The reduced rate of birth and mortality is the motive of the older population growth in western industrialized countries, where advanced age remains the fundamental risk factor for most chronic diseases and functional deficits. As an example, it is estimated that the individuals of age 65 and above in the USA will reach 20% by 2030, while they constituted 12.4% in 2004 [1]. Human aging is developed from such an accumulation of physical, environmental, and social factors that the definition of the molecular mechanisms that trigger the aging means a difficult task. Some theories associate various factors with aging rate, as changes of metabolic control [2] and gene expression‎ patterns [3] and production of high levels of Reactive Oxygen Species (ROS) [4]. Low ROS level has been, instead, associated with lengthening of organismal lifespan [5]. Current studies aim at deepening how cell senescence process, so far experimented in vitro, may be extended to in vivo studies. Increasing evidence for causal role of cell senescence has been demonstrated in age-related dysfunctions and pathologies [6].

Senescent cells proliferate in aging, as a stress response primed by a number of “counting mechanisms,” like telomeres shortening, DNA damage accumulation, abnormal oncogenes activities, metabolic alterations, and excessive ROS generation [7]. These mechanisms cause cell proliferating arrest and generate features, as constitutive production of high ROS levels, critical for the senescent phenotype maintenance. Despite increasing modestly, as a number, the senescent cells are implicated in age-related diseases promotion, through the restriction of the regenerative pool of the tissue stem cells [8]. Some observations indicate that senescent cells do not necessarily induce mechanisms that promote aging and can be efficiently removed from the human body [9]. The general consensus on cellular damage accumulation, as aging initial event, suggests that cell senescence process is a major question regarding biological and clinical aging aspects [10].

Here, we review evidences on novel molecular mechanisms of the “ROS signaling” during aging and related pathologies, because they suggest a way of promoting healthy lifespan and improve human aging.

1. 소개

출산율과 사망률의 감소는 고령화가 대부분의 만성 질환과 기능적 결손의 근본적인 위험 요인으로 남아 있는 서구 선진국에서 고령 인구 증가의 원동력입니다. 예를 들어, 2004년에는 12.4%를 차지했던 미국의 65세 이상 인구가 2030년에는 20%에 달할 것으로 추정됩니다[1].

인간의 노화는

신체적, 환경적, 사회적 요인이 복합적으로 작용하여 발생하기 때문에

노화를 유발하는 분자 메커니즘을 규명하는 것은 매우 어려운 작업입니다.

일부 이론에서는

대사 조절[2] 및 유전자 발현 패턴의 변화[3],

높은 수준의 활성 산소(ROS) 생성[4] 등

다양한 요인이 노화 속도와 관련이 있다고 보고 있습니다.

반면,

낮은 ROS 수치는

유기체 수명의 연장과 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다[5].

현재 진행 중인 연구는 지금까지 시험관 내에서 실험된 세포 노화 과정을 생체 내 연구로 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다. 노화와 관련된 기능 장애 및 병리에서 세포 노화의 인과적 역할에 대한 증거가 점점 더 많이 입증되고 있습니다 [6].

노화aging 과정에서

노화 세포 Senescent cells 는

텔로미어 단축,

DNA 손상 축적,

비정상적인 종양 유전자 활동,

대사 변화,

과도한 ROS 생성과 같은

여러 가지 '카운팅 메커니즘'에 의해 촉발된 스트레스 반응으로 증식합니다[7].

Senescent cells proliferate in aging, as a stress response primed by a number of “counting mechanisms,” like telomeres shortening, DNA damage accumulation, abnormal oncogenes activities, metabolic alterations, and excessive ROS generation [7]. 

이러한 메커니즘은

세포 증식 정지를 유발하고

노화 표현형 유지에 중요한

높은 ROS 수준을 구성적으로 생성하는 특징을 생성합니다.

노화 세포는

수적으로는 완만하게 증가하지만

조직 줄기세포의 재생 풀의 제한을 통해

노화 관련 질병 촉진에 관여합니다 [8].

일부 관찰에 따르면

노화 세포 senescent cells 가

반드시 노화aging를 촉진하는 메커니즘을 유도하는 것은 아니며

인체에서 효율적으로 제거될 수 있습니다[9].

Some observations indicate that senescent cells do not necessarily induce mechanisms that promote aging and can be efficiently removed from the human body [9].

노화의 초기 사건으로서 세포 손상 축적에 대한 일반적인 합의는 세포 노화 과정이 생물학적 및 임상적 노화 측면과 관련된 주요 문제임을 시사합니다 [10].

여기서는

노화 중 'ROS 신호전달'의 새로운 분자 메커니즘과 관련 병리에 대한 증거를 검토하여

건강한 수명을 증진하고

인간의 노화를 개선할 수 있는 방법을 제시하고자 합니다.

2. ROS Physioma Homeostasis

The ROS physioma is a family of highly reactive molecules which includes free oxygen radicals, like superoxide anion (O2 •−), hydroxyl radical (OH•), and nonradical oxygen derivatives, like the stable hydrogen peroxide (H2O2). The superoxide radicals react to form other ROS, namely, hydrogen peroxides and hydroxyl radicals, and interconvert with reactive nitrogen species (RNS), which generate effects similar to ROS [11]. The inefficient electron transfer in mitochondrial respiratory chain is believed to be a main ROS source, among diverse possible enzymatic and nonenzymatic sources [12]. Increased expression‎ of catalase and peroxiredoxin-1 molecules are considered as OS markers. The family comprises seven transmembrane members, namely, Nox1–5 [13–15] and Duox1-2 [16]. ROS are generated by oxygen metabolism (i.e., cellular respiration) in all the cells that utilize oxygen, as inevitable consequence of aerobic life, and may derive from exogenous metals, recycling of redox compounds, radiation, chemotherapeutic agents, carcinogens (estrogenic molecules), and other dietary and environmental means. Generally, the ROS increasing levels cause nonlinear cellular responses [17]. A fine balance between oxidant-antioxidant mechanisms leads to continuous modulation of ROS production, location, and inactivation, in both physiological and pathological conditions. Endogenous antioxidants, like the enzymes of catalase family, glutathione group, thioredoxin-related group, and superoxide dismutase [18], together with exogenous antioxidant as reduced glutathione [19], carotenoids, and vitamins C and E, constitute the indispensable ROS detoxifying system. Nevertheless, imbalance of redox homeostasis may occur, usually in favor of oxidants, so that ROS shift from physiological to potentially harmful levels, named oxidative and nitrosative stress (OS/NS). Increased expression‎ of catalase and peroxiredoxin 1 molecules are considered as OS markers [20–22].

2. ROS 생리종 항상성

ROS 생리종은 반응성이 높은 분자군으로,

과산화물 음이온(O2 --),

수산화 라디칼(OH-)과 같은 자유 산소 라디칼과

안정한 과산화수소(H2O2)와 같은 비라디칼 산소 유도체가 포함됩니다.

슈퍼옥사이드 라디칼은 반응하여

다른 ROS, 즉

과산화수소 및 수산화 라디칼을 형성하고

반응성 질소 종(RNS)과 상호 전환하여

ROS와 유사한 효과를 생성합니다[11].

미토콘드리아 호흡 사슬의 비효율적인 전자 전달은

다양한 가능한 효소 및 비효소적 공급원 중에서

주요 ROS 공급원으로 여겨집니다 [12].

카탈라아제 및 퍼옥시레독신-1 분자의 발현 증가는

OS 마커로 간주됩니다.

이 계열은 7개의 막 통과 멤버, 즉 Nox1-5 [13-15] 및 Duox1-2 [16]로 구성됩니다.

ROS는

산소를 사용하는 모든 세포에서

산소 대사(즉, 세포 호흡)에 의해 생성되며,

호기성 생활의 불가피한 결과로서

외인성 금속, 산화 환원 화합물의 재활용, 방사선, 화학 요법제, 발암 물질(에스트로겐 분자) 및

기타 식이 및 환경 수단으로부터 유래될 수 있습니다.

일반적으로

ROS 수치가 증가하면

비선형적인 세포 반응이 일어납니다[17].

산화-항산화 메커니즘 사이의 미세한 균형은

생리적 및 병리적 조건 모두에서

ROS 생성, 위치 및 비활성화의 지속적인 조절로 이어집니다.

카탈라아제 계열,

글루타티온 그룹,

티오레독신 관련 그룹,

슈퍼옥사이드 디스뮤타제[18]와 같은 내인성 항산화제는

환원 글루타티온[19], 카로티노이드, 비타민 C 및 E와 같은 외인성 항산화제와 함께

필수적인 ROS 해독 시스템을 구성하고 있습니다.

그럼에도 불구하고

산화 환원 항상성의 불균형이 발생할 수 있으며,

일반적으로 산화제에 유리하게 작용하여

ROS가 생리적 수준에서 잠재적으로 유해한 수준인

산화 및 질산화 스트레스(OS/NS)로 전환될 수 있습니다.

카탈라아제 및 퍼옥시레독신 1 분자의 발현 증가는

OS 마커로 간주됩니다[20-22].

2.1. ROS Measurement Techniques

ROS are so highly variable and freely diffusible molecules that the detection of ROS and antioxidants, to obtain a picture of the cellular redox status, still represents a challenge. We stress some specific points and sensitive methods that are subjected to continuous improvement. Probes and antibodies have been developed to recognize oxidative damage by ROS/RNS [23–25]. The tools allow revealing antioxidant enzymes [26] and a variety of oxidative products, as lipid peroxidation products, protein carbonyls [27], oxidized DNA products [28], and nitrotyrosine [29]. Combinations of diverse approaches will prove essential for understanding ROS involvement in aging and age-related diseases [30]. An innovative method simultaneously assesses glutathione, hydrogen peroxide, and superoxide levels in a single cell, together with cell viability alterations, thus allowing for defining both oxidant-antioxidant balance and cell death, after the administration of a specific stimulus [31]. A wide range of pathways and molecular mechanisms that involve ROS suggests determining the redox state of thiols in ROS targets, which compose the “cellular oxidative interface” [32, 33]. ROS oxidize specific protein residues of cysteine into sulfenic acid, reversibly. This molecule functions as OS/NS sensor within enzymes and transcriptional regulatory factors and may allow priming the routes of the versatile ROS action [34–36].

2.1. ROS 측정 기법

ROS는

매우 가변적이고 자유롭게 확산되는 분자이므로

세포 산화 환원 상태를 파악하기 위해

ROS와 항산화 물질을 검출하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.

우리는 지속적인 개선이 필요한 몇 가지 특정 포인트와 민감한 방법을 강조합니다. ROS/RNS에 의한 산화적 손상을 인식하기 위한 프로브와 항체가 개발되었습니다 [23-25]. 이러한 도구를 사용하면 항산화 효소[26]와 지질 과산화 생성물, 단백질 카르보닐[27], 산화된 DNA 생성물[28], 니트로티로신[29] 등 다양한 산화 생성물을 밝혀낼 수 있습니다.

다양한 접근법의 조합은 노화 및 노화 관련 질병에 대한 ROS의 관여를 이해하는 데 필수적입니다[30]. 한 혁신적인 방법은 세포 생존력 변화와 함께 단일 세포에서 글루타치온, 과산화수소, 슈퍼옥사이드 수준을 동시에 평가하여 특정 자극을 투여한 후 산화-항산화 균형과 세포 사멸을 모두 정의할 수 있습니다[31].

ROS와 관련된 광범위한 경로와 분자 메커니즘은 "세포 산화 인터페이스"를 구성하는 ROS 표적에서 티올의 산화 환원 상태를 결정할 것을 제안합니다[32, 33]. ROS는 시스테인의 특정 단백질 잔기를 가역적으로 설펜산으로 산화시킵니다. 이 분자는 효소 및 전사 조절 인자 내에서 OS/NS 센서로 기능하며 다양한 ROS 작용의 경로를 프라이밍할 수 있습니다 [34-36].

2.2. ROS Functions

The increasing comprehension of mechanisms, underlying the oxidant milieu of the cell, shows ROS as signaling molecules, besides metabolic byproducts. They act in a myriad of pathways and networks, mediated by hormones, which ranges from protein phosphorylation to transport systems, for example. ROS do not influence single steps of multistep processes; rather, they influence all the steps at the same time, by reacting with several compounds and taking part in several redox reactions. Depending on ROS concentration, molecular species, and subcellular localization, cell components and signaling pathways are affected positively or negatively. ROS levels are believed to be a “redox biology” that regulates physiological functions, including signal transduction, gene expression‎, and proliferation. “Redox biology,” rather than OS, has been proposed to underlie both physiological and pathological events [37]. Data in the literature on slow and constant ROS increases have to be integrated with data on fast and stepwise ROS increases, typical of signaling events, which deliver messages among cellular compartments. Questions related to ROS dynamics and specificity, as the effects of their waves of concentration on networks with other signaling pathways, are investigated in single cells and across different cells. Proteins are the major target of ROS/RNS signaling and undergo reversible or irreversible modifications of their functions, which result in cell death, growth arrest, and transformation. The modulation of the reversible oxidation of redox-sensitive proteins plays basic roles in sensing and transducing the oxygen signal. Receptor-dependent or nondependent tyrosine kinases, AMP-activated protein kinases, adaptor protein p66SHC, and transcription factors as FOXO (forkhead homeobox type O), Nrf2 (nuclear factor E2-related factor 2), p53 (tumor suppressor 53), NF-κB (nuclear factor kappa B), AP-1 (activator protein-1), HIF-1a (hypoxia inducible factor-1a), PPARγ (peroxisome proliferator-activated receptor gamma), and β-catenin/Wnt signaling are listed in Table 1 [38–81]. ROS mediate in vitro response towards intra- and extracellular conditions, such as growth factors, cytokines, nutrients deprivation, and hypoxia, which regulate cell proliferation, differentiation, and apoptosis, besides being important cancer hallmarks [82]. Intrinsic and extrinsic factors control ROS regulation on cellular self-renewal, quiescence, senescence, and apoptosis, during the in vivo tissues homeostasis and repair [83] and in ROS induction of stem cells proliferation and differentiation. ROS act as a rheostat, which senses and translates environmental cues in stem cells response, thus balancing cellular output (function) with cellular input (nutrients, cytokines). The stem cells may undergo exhaustion depending on ROS levels [84]. Mitochondrial ROS may activate an adaptive response (mitohormesis), which, as defensive mechanism, promotes health to extend the lifespan through diseases prevention and delay [5, 85]. ROS is integral in the development of physiopathologic events like mitochondrial death signaling [86] and autophagy [87], besides inflammation and infection [55, 88], in which they impart immunological changes. High ROS levels are generated by professional cells (lymphocytes, granulocytes, and phagocytes) in defense against microbes [89, 90]. Differently, any event which contributes to chronic OS or NS, through its increased generation or defective detoxification, dysregulates signaling networks, alters lipids and protein and nucleic acids, and activates mechanisms to face the changes. ROS overproduction hampers damaged nuclear and mitochondrial DNA repair, at multiple steps, contributing to cell genomic instability [91]. ROS are recognized as key modulators in processes that accumulate oxidized molecules chronically, as diabetes, cardiovascular diseases, atherosclerosis, hypertension, ischemia, reperfusion injury, neurodegeneration, and rheumatoid arthritis [17]. Also, ROS participate in cancer development through their effects on cellular proliferation, mutagenesis, and apoptosis inhibition [56]. The cross talk between ROS, p53, and NF-κB plays crucial roles in tumorigenesis. OS is allied with energy metabolism to stimulate the growth of cells transformed by oncogenes or tumor suppressors [92–94]. The deregulated ROS productions in cancer cells and the consequent constitutive OS may cause the cellular invasive phenotype [57].

2.2. ROS의 기능

세포의 산화 환경의 근간이 되는 메커니즘에 대한 이해가 높아지면서

대사 부산물 외에 신호 분자로서의

ROS도 밝혀지고 있습니다.

예를 들어

단백질 인산화에서 수송 시스템에 이르기까지

호르몬에 의해 매개되는 무수히 많은 경로와 네트워크에서 작용합니다.

ROS는

다단계 과정의 단일 단계에 영향을 미치는 것이 아니라

여러 화합물과 반응하고

여러 산화 환원 반응에 참여함으로써

모든 단계에 동시에 영향을 미칩니다.

ROS 농도, 분자 종 및 세포 내 국소화에 따라

세포 구성 요소와 신호 경로가

긍정적으로 또는 부정적으로 영향을 받습니다.

ROS 수준은

신호 전달, 유전자 발현, 증식 등

생리적 기능을 조절하는 '산화 환원 생물학'으로 여겨집니다.

"OS가 아닌 '산화 환원 생물학'은 생리적 및 병리학적 사건의 근간이 되는 것으로 제안되었습니다[37].

느리고 일정한 ROS 증가에 대한 문헌의 데이터는 세포 구획 간에 메시지를 전달하는 신호 사건의 전형적인 신호인 빠르고 단계적인 ROS 증가에 대한 데이터와 통합되어야 합니다. 다른 신호 경로와의 네트워크에 대한 ROS 농도 파동의 영향과 같은 ROS 역학 및 특이성과 관련된 질문은 단일 세포와 여러 세포에서 조사됩니다.

단백질은

ROS/RNS 신호의 주요 표적이며

가역적 또는 비가역적 기능의 변형을 거쳐

세포 사멸, 성장 정지 및 형질 전환을 초래합니다.

산화 환원 민감성 단백질의 가역적 산화의 조절은

산소 신호를 감지하고 전달하는 데

기본적인 역할을 합니다.

수용체 의존적 또는 비의존적 티로신 키나아제,

AMP 활성화 단백질 키나아제,

어댑터 단백질 p66SHC, FOXO(포크헤드 호모박스 타입 O),

Nrf2(핵 인자 E2 관련 인자 2),

p53(종양 억제제 53) 등의

전사인자,

NF-κB(핵 인자 카파 B),

AP-1(활성화 단백질-1),

HIF-1a(저산소증 유도 인자-1a),

PPARγ(퍼옥시좀 증식인자 활성화 수용체 감마),

β-카테닌/Wnt 신호가 표 1에 나와 있습니다[38-81].

ROS는

중요한 암의 특징일 뿐만 아니라

세포 증식, 분화, 세포 사멸을 조절하는

성장 인자, 사이토카인, 영양소 결핍, 저산소증과 같은

세포 내 및 세포 외 조건에 대한 시험관 내 반응을 매개합니다[82].

생체 내 조직의 항상성 및 복구 과정[83]과

줄기세포의 증식 및 분화 유도 과정에서

내재적 및 외재적 인자가

세포의 자가 재생, 정지, 노화 및 세포 사멸에 대한

ROS 조절을 제어합니다.

ROS는

줄기세포 반응에서 환경 신호를 감지하고 해석하여

세포의 출력(기능)과 세포의 입력(영양소, 사이토카인)의 균형을 맞추는 조절기 역할을 합니다.

줄기세포는

ROS 수치에 따라 소진될 수 있습니다[84].

미토콘드리아 ROS는

방어 메커니즘으로서 질병 예방 및 지연을 통해

수명을 연장하는 적응 반응(미토호메시스)을 활성화하여 건강을 증진할 수 있습니다 [5, 85].

ROS는

염증과 감염 [55, 88] 외에도

미토콘드리아 사멸 신호 [86] 및

오토파지 [87]와 같은 생리병리학적 사건의 발생에 필수적이며,

면역학적 변화를 가져옵니다.

높은 ROS 수치는

미생물을 방어하는 전문 세포(림프구, 과립구, 식세포)에서 생성됩니다 [89, 90].

이와는 달리,

생성 증가 또는 해독 결함을 통해

만성적인 OS 또는 NS에 기여하는 모든 사건은

신호 네트워크를 조절하고

지질과 단백질 및 핵산을 변화시키며

변화에 직면하는 메커니즘을 활성화합니다.

ROS 과잉 생산은

여러 단계에서 손상된 핵 및 미토콘드리아 DNA 복구를 방해하여

세포 게놈 불안정성에 기여합니다[91].

ROS는

당뇨병, 심혈관 질환, 죽상 동맥 경화증, 고혈압, 허혈, 재관류 손상, 신경 퇴화, 류마티스 관절염과 같이

산화 분자를 만성적으로 축적하는 과정에서

핵심 조절 인자로 인식되고 있습니다 [17].

또한

ROS는

세포 증식, 돌연변이 유발, 세포 사멸 억제에 영향을 미쳐

암 발생에 관여합니다 [56].

ROS, p53, NF-κB 간의 상호 작용은

종양 형성에 중요한 역할을 합니다.

OS는

에너지 대사와 연계되어

발암 유전자 또는 종양 억제제에 의해

변형된 세포의 성장을 촉진합니다[92-94].

암세포에서 조절이 저하된 ROS 생산과

그에 따른 구성적 OS는

세포 침습적 표현형을 유발할 수 있습니다 [57].

Table 1

Selected ROS sensitive proteins that are involved in cell signaling transduction mechanism. Indicative examples of possible effects and processes they promote after being directly and/or indirectly modified by ROS (the references are indicated inside the square brackets).

ROS sensitive proteins:  oxidative interface(1) Effects of ROS sensitive proteins after being redox modified(2) Physiopathological processes in which ROS sensitive proteins are involved

Protein kinases
Receptor/nonreceptor tyrosine kinases   (Src, TRK, AKT, c-Abl, MAPK, CaMKII, PKG, ATM, and Ask1)	(i) Interactions between kinases pathways [38, 39]  (ii) Signal of ROS production feedback [40]	Control of cell cycle progression [56]  Mitosis for anchorage-dependent cells [57]  Cellular homeostasis [43, 57]
AMP-activated protein kinases  (AMPK)	(i) Regulation of cell ROS/redox balance [41, 42]	Myocyte adaptation to energy requirement [42]  Adipocyte differentiation [58]  Lipid metabolism (“fatty liver”) [59]  Hyperglycemic damage [60]  Cell fate (autophagy and apoptosis) [61]
Adaptor proteins
p66Shc	(i) Signaling start in the aging process [43]	Apoptosis [43]. Prolonged life span [43, 62]  Cardiovascular diseases and obesity [63]  Diabetic endothelial dysfunction [64]
Nuclear receptors
PPARγ	(i) Redox sensor function [43]   (ii) Regulation of genes that modulate ROS increases [44]	Neurodegenerative diseases [65, 66]  Lipid dysfunction (fatty liver) [59]
Membrane receptors
Elements in Notch1 pathway	(i) Notch signaling modulation in association with Wnt/beta-catenin signal [45]	Cell fate control in vascular development [45]  Biological clocks in embryonic development [67]
Transcription factor
p53	Modulation of cell redox balance (prooxidant/antioxidant effects) [46–48]	Cell fate signaling [68]  Autophagy and apoptosis [61, 69]
Nrf2	Cell adaptation to ROS resistance [49, 50]	Apoptosis [70]  Neurodegenerative diseases [71]  Cardiovascular diseases [72]
FOXO3A	Cell coordination in response to OS [51]	Metabolic adaptation to low nutrient intake [73]  Cancer development [73]  Diabetes [74]  Atherosclerotic cardiovascular disease [75]
Components in β-catenin/Wnt pathway	Regulation of Wnt signaling via nucleoredoxin [76]	Early embryonic development [76]  Vascular development [45]
HIF-1a	Cell adaption to oxygen tension modifications [52]	Cell proliferation; angiogenesis [77]  Cell transformation [78, 79]
Components in JAK–STAT pathway	(i) Cell adaption to OS [53]  (ii) Mediation of ROS mitogenic effect [53]	Stress response gene expression‎ [51]  Systemic/pulmonary hypertension [80]
NF-κB	Regulation of redox-sensitive gene expression‎  [54, 55]	Rheumatoid arthritis, dyslipidemia, atherosclerosis, and insulin resistance [81]

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Although ROS functions remain difficult to investigate, multiple pharmacological investigations are in progress to maintain ROS homeostasis through both OS decrease and antioxidant defense increase [95, 96].

ROS 기능에 대한 조사는 여전히 어렵지만,

OS 감소와 항산화 방어 증가를 통해

ROS 항상성을 유지하기 위한 여

러 약리학적 연구가 진행 중입니다 [95, 96].

3. ROS in Aging and Age-Related Diseases

Poor knowledge of basic processes in aging interferes with interventions to prevent or delay age-related pathologies, like diabetes, cardiovascular disorders, neurodegenerative disorders, and cancer, which, consequently, impact human independence, general wellbeing, and morbidity [97–99]. Recently, interest has been focused on stem cells, because their decline impairs tissues homeostasis maintenance, leading to the organism weakening and the age-related diseases [84]. Aging mechanisms have been collected into two classes. The first class presents aging as genetically programmed by developmental processes, like the cell senescence, the neuroendocrine alterations, and the immunological alterations. The second class presents aging caused by random damage, that is, accumulation of somatic mutations and OS. The separation between the classes is no longer considered clear, because pathways involved in aging often share features with specific diseases [100]. The genetic heredity contributes no more than 3% to aging, while epigenetic processes and posttranslational processes imprint a significantly different aging rate among diverse populations, as well as among diverse anatomical sites of a single organism. In the onset of aging, telomere erosion, OS, and cell senescence are crucial events that originate from the disorganized homeostasis of cell metabolism. For example, mitochondria-nucleus interplay [101] and alterations of mitochondrial homeostasis drive age-dependent modifications [102, 103]. Ineffective ROS control on mitochondrial supercomplexes causes ROS signaling alteration, thus mediating cell stress responses towards age-dependent damage [104]. A progressive ROS scavengers decrease shifts aged cells towards a prooxidant status [105, 106]. In parallel, all the suggested methods to prolong lifespan, as caloric restriction and increased activity of SIRT1, share the OS reduction effect [107]. It is known that chronic muscular exercise protects older persons from damage caused by OS and reinforces their defenses against it. On the other hand, acute exercise increases ROS production and damage from ROS [108]. High levels of mitochondrial ROS contribute to aging of genetically modified animals, in a mechanistic way. Superoxide dismutase-deficient animals, SOD1- [109] and SOD3-deficient animals [110], and p66SHC-deficient animals show mitochondrial dysfunctions that generate oxidative damage and related phenotypes, resembling premature aging features. Similarly, mice that overexpress mitochondrial catalase counteract oxidative damage and live longer. The incidence of age-related diseases and pathologies in animal models, after they have been submitted to disparate patterns, suggests that OS influences old age aspects significantly [111]. The observations have been extended to humans, even if rate and distribution of mitochondrial mutations may deviate from animals. The conclusions regarding OS effect on aging in animals from mitochondrial genetic manipulations are still conflicting. SOD+/− mice have reduced ROS detoxifying ability and high ROS level, while they exhibit a quite normal lifespan. OS effect on worms' lifespan depends on where ROS are produced: high mitochondrial or cytoplasmic levels are associated with increased and decreased lifespan, respectively [109, 112]. It remains to define whether models' longevity is entirely associated with response to OS, because their lifespan is not affected by modulation of the antioxidant defense. The complex genetic manipulation of the models might weaken their support to the “OS theory of aging.” Interventions to ROS lowering, by both scavenging free radicals and enhancing antioxidant defenses, are widely proposed as an antiaging strategy. However, positive association between supplementation with pharmacological or natural compounds and health beneficial effects has not been evidenced. Some antioxidants may be eventually useless or even harmful [113, 114]. Moreover, a number of ROS-independent mitochondrial dysfunctions appear so involved in aging that doubts arise that OS is the most concrete contributor to fuel aging [115]. Based on the consideration that mitochondrial DNA (mtDNA) is a precise marker to detect total mitochondrial OS, methods have been developed to measure mtDNA replication defects and the oxidative damage level, simultaneously. The errors in mtDNA replication and repair, which accumulate through clonal expansion in advanced age, result in a major source of mtDNA mutations, rather than the errors acquired through ROS-dependent vicious cycles [116]. Summarizing, ROS are involved in elderly lesions that concern (i) DNA insufficiency, which is partly responsible for premature aging and apoptosis [117]; (ii) RNA involvement in the onset of chronic-degenerative diseases [118]; (iii) nuclear lamins that participate in cell proliferation and longevity [119]. The variations of speed and quality in the aging of each organism may reflect the peculiar alterations that have been accumulated in DNA, proteins, and lipids [120], following the organism exposition to chronic stressors. Low ROS levels improve the defense mechanisms by inducing adaptive responses, which contributes to stress resistance and longevity, while high ROS levels induce insufficient adaptive responses, which may contribute to aging onset and progression [121].

In conclusion, accumulated mutations, decreased mitochondrial energy metabolism, and increased OS may significantly contribute to the human aging and the related diseases.

3. 노화 및 노화 관련 질병에서의 ROS

노화의 기본 과정에 대한 지식이 부족하면

당뇨병, 심혈관 질환, 신경 퇴행성 질환, 암과 같은

노화 관련 병리를 예방하거나 지연시키기 위한 개입을 방해하여

결과적으로 인간의 독립성, 전반적인 웰빙 및 이환율에 영향을 미칩니다 [97-99].

최근에는

줄기세포의 감소가

조직의 항상성 유지를 손상시켜

유기체의 약화와 노화 관련 질병으로 이어지기 때문에

줄기세포에 대한 관심이 집중되고 있습니다 [84].

노화 메커니즘은 크게 두 가지로 분류됩니다.

첫 번째 클래스는

세포 노화, 신경 내분비 변화, 면역학적 변화와 같은

발달 과정에 의해 유전적으로 프로그램된 노화를 나타냅니다.

두 번째 클래스는

무작위 손상, 즉

체세포 돌연변이 및 OS의 축적으로 인한 노화를 나타냅니다.

노화와 관련된 경로는 종종 특정 질병과 특징을 공유하기 때문에 클래스 간의 구분은 더 이상 명확하지 않은 것으로 간주됩니다 [100].

유전적 유전은 노화에 3% 이하로 기여하는 반면,

후성유전적 과정과 번역 후 과정은

단일 유기체의 다양한 해부학적 부위뿐만 아니라

다양한 집단 간에 현저하게 다른 노화 속도를 각인시킵니다.

노화가 시작될 때

텔로미어 침식, OS, 세포 노화는

세포 대사의 항상성 붕괴에서 비롯되는 중요한 사건입니다.

예를 들어,

미토콘드리아-핵 상호 작용[101]과

미토콘드리아 항상성의 변화는

연령에 따른 변형을 유발합니다[102, 103].

미토콘드리아 수퍼컴플렉스에 대한 비효율적인 ROS 제어는

ROS 신호 변화를 유발하여

연령 의존적 손상에 대한 세포 스트레스 반응을 매개합니다 [104].

점진적인 ROS 소거제 감소는

노화된 세포를 항산화 상태로 전환합니다 [105, 106].

이와 동시에

칼로리 제한과 SIRT1의 활성 증가와 같이

수명을 연장하기 위해 제안된 모든 방법은 OS 감소 효과를 공유합니다 [107].

만성 근육 운동은

노인을 OS로 인한 손상으로부터 보호하고

이에 대한 방어력을 강화하는 것으로 알려져 있습니다.

반면에

급성 운동은

ROS 생성과 ROS로 인한 손상을 증가시킵니다 [108].

높은 수준의 미토콘드리아 ROS는

기계적인 방식으로 유전자 변형 동물의 노화에 기여합니다.

슈퍼옥사이드 디스뮤타제 결핍 동물, SOD1- [109] 및 SOD3 결핍 동물 [110], p66SHC 결핍 동물은 산화적 손상 및 관련 표현형을 생성하는 미토콘드리아 기능 장애를 보이며 조기 노화 특징과 유사합니다.

마찬가지로 미토콘드리아 카탈라아제를 과발현하는 생쥐는 산화 손상에 대응하고 더 오래 산다. 동물 모델에서 노화 관련 질병과 병리의 발생률이 서로 다른 패턴을 보인다는 것은 OS가 노화 양상에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사합니다 [111]. 미토콘드리아 돌연변이의 속도와 분포가 동물과 다를 수 있지만, 이러한 관찰은 인간에게까지 확장되었습니다. 미토콘드리아 유전자 조작으로 인한 동물의 노화에 대한 OS의 영향에 관한 결론은 여전히 상충됩니다. SOD+/- 생쥐는 ROS 해독 능력이 감소하고 ROS 수치가 높은 반면, 수명은 상당히 정상적으로 나타납니다. 벌레의 수명에 대한 OS 효과는 ROS가 생성되는 위치에 따라 달라집니다. 높은 미토콘드리아 또는 세포질 수준은 각각 수명의 증가 및 감소와 관련이 있습니다 [109, 112]. 모델의 수명은 항산화 방어의 조절에 영향을 받지 않기 때문에 모델의 수명이 전적으로 OS에 대한 반응과 관련이 있는지 여부를 정의하는 것은 아직 남아 있습니다. 모델의 복잡한 유전자 조작은 "노화의 OS 이론"에 대한 지지를 약화시킬 수 있습니다. 활성산소를 제거하고 항산화 방어력을 강화하여 ROS를 낮추는 개입은 노화 방지 전략으로 널리 제안되고 있습니다. 그러나 약리학적 또는 천연 화합물 보충제와 건강에 유익한 효과 사이의 긍정적인 연관성은 입증되지 않았습니다. 일부 항산화제는 결국 쓸모없거나 심지어 해로울 수도 있습니다 [113, 114]. 또한, 많은 ROS 독립적인 미토콘드리아 기능 장애가 노화에 관여하는 것으로 나타나서 OS가 노화를 촉진하는 가장 구체적인 원인이라는 의문이 제기되고 있습니다 [115]. 미토콘드리아 DNA(mtDNA)가 전체 미토콘드리아 OS를 감지하는 정밀한 마커라는 점에 착안하여, mtDNA 복제 결함과 산화적 손상 수준을 동시에 측정하는 방법이 개발되었습니다. 노년기에 클론 확장을 통해 축적되는 mtDNA 복제 및 복구의 오류는 ROS 의존적 악순환을 통해 획득되는 오류보다 mtDNA 돌연변이의 주요 원인이 됩니다 [116]. 요약하면, ROS는 (i) 조기 노화와 세포 사멸에 부분적으로 관여하는 DNA 부족 [117], (ii) 만성 퇴행성 질환의 발병에 관여하는 RNA [118], (iii) 세포 증식과 수명에 관여하는 핵 라민 [119]과 관련된 노인 병변에 관여합니다. 각 유기체의 노화 속도와 품질의 변화는 유기체가 만성 스트레스 요인에 노출된 후 DNA, 단백질 및 지질에 축적된 특이한 변화를 반영할 수 있습니다[120]. 낮은 ROS 수치는 적응 반응을 유도하여 방어 메커니즘을 개선하여 스트레스 저항과 수명에 기여하는 반면, 높은 ROS 수치는 불충분한 적응 반응을 유도하여 노화 시작 및 진행에 기여할 수 있습니다 [121].

결론적으로,

누적된 돌연변이,

미토콘드리아 에너지 대사 감소 및

OS 증가는 인간의 노화 및 관련 질병에 크게 기여할 수 있습니다.

4. ROS-Dependent Epigenetic Modifications

Intra- and extracellular environments change hereditary characters at the epigenetic level, without altering genes sequence [122]. The interplay between modified histones, DNA methylation, regulator noncoding RNAs, and other reversible processes constitutes the epigenetic machinery that regulates genes transcription and expression‎ [123]. The epigenetic modulation provides the essential and flexible interface between organism and environment, which is essential for all the cell functions. The extent to which epigenome has shaped, and might shape, human populations over generations is investigated by an International Human Epigenome Consortium (http://www.ihec-epigenomes.org/). Both long- and short-acting stimuli lead to epigenetic effects that result in 13 being long-term (heritable) or short-term (nonheritable), respectively. These features suggest epigenetic modifications as more attractive target for therapeutic interventions in humans than genetic modification, throughout the entire life [124]. ROS operate modifications on histone and DNA, by acting in interconnected epigenetic phases, during mitochondrial and nuclear DNA regulation [125, 126]. A clinical example of ROS-dependent epigenetic modifications is demonstrated in “nonalcoholic fatty liver” disease. The pathology represents the most common cause of chronic liver disease in western countries and affects one-third of the population. Altered redox mechanisms mediate the link between increased accumulation of triglycerides in hepatocytes and epigenetic modifications that are recognized as crucial factors in the pathophysiology of this disease [127]. About the basic mechanisms of ROS action, Afanas'ev proposes that ROS might cause epigenetic activation and repression, by acting like nucleophilic compounds, which accelerate and decelerate hydrolysis and esterification reactions. The hypothesis suggests a ROS role different from free radicals, because the last molecules cause an irreversible damage of the compounds with which they react [128].

4. ROS 의존적 후성유전학적 변형

세포 내 및 세포 외 환경은

유전자 서열을 변경하지 않고

후성유전학적 수준에서 유전적 특성을 변화시킵니다[122].

변형된 히스톤,

DNA 메틸화,

조절자 비코딩 RNA 및 기타 가역적 과정 간의 상호 작용은

유전자 전사 및 발현을 조절하는 후성유전학적 메커니즘을 구성합니다 [123].

후성유전학적 조절은

모든 세포 기능에 필수적인 유기체와 환경 사이의 필수적이고

유연한 인터페이스를 제공합니다.

후성유전체가 여러 세대에 걸쳐 인간 집단을 형성하고 형성할 수 있는 정도는 국제 인간 후성유전체 컨소시엄(http://www.ihec-epigenomes.org/)에서 조사하고 있습니다. 장기 및 단기 작용 자극 모두 후성유전학적 영향을 미치며, 그 결과 13가지가 각각 장기적(유전적) 또는 단기적(비유전적)으로 나타납니다. 이러한 특징은 후성유전학적 변형이 전 생애에 걸쳐 유전자 변형보다 인간에 대한 치료적 개입에 더 매력적인 표적임을 시사합니다[124]. ROS는 미토콘드리아 및 핵 DNA 조절 과정에서 상호 연결된 후성유전학적 단계에서 작용하여 히스톤과 DNA에 변형을 일으킵니다 [125, 126]. ROS 의존성 후성유전학적 변형의 임상적 예는 "비알코올성 지방간" 질환에서 입증되었습니다. 이 병리는 서구 국가에서 만성 간 질환의 가장 흔한 원인이며 인구의 1/3에 영향을 미칩니다. 변경된 산화 환원 메커니즘은 간세포의 중성 지방 축적 증가와 이 질환의 병리 생리학에서 중요한 요인으로 인식되는 후성 유전적 변형 사이의 연관성을 매개합니다 [127]. ROS 작용의 기본 메커니즘에 대해 Afanas'ev는 ROS가 가수분해 및 에스테르화 반응을 가속 및 감속하는 핵친화성 화합물처럼 작용하여 후성유전학적 활성화 및 억제를 유발할 수 있다고 제안합니다. 이 가설은 마지막 분자가 반응하는 화합물의 돌이킬 수 없는 손상을 일으키기 때문에 자유 라디칼과는 다른 ROS의 역할을 제안합니다 [128].

4.1. ROS-Induced DNA Methylation

Usually, condensed chromatin structure (heterochromatin) is associated with genes repression by hypomethylation processes, while open chromatin (eu-chromatin) is associated with genes activation by acetylation processes [129]. The epigenetic marking modulates the genes expression‎ by altering the electrostatic nature and the protein binding affinity of chromatin. DNA methylation causes gene silencing through inhibiting the transcriptional activators access to the target binding sites, or through activating the methyl-binding protein domains. The last function interacts with histone deacetylases and promotes chromatin condensation into transcriptionally repressive conformations. Hypo- and hypermethylation stages occur consecutively, indicating how DNA methylation and the correlate mechanisms of DNA binding are complex. ROS-dependent modifications are related to DNA methylation and demethylation, directly or indirectly. The NF-κB binding to DNA, which is methylation dependent, results in being altered in SOD (Cu/Zn)-deficient mice. The observation associates ROS-dependent modifications with altered methylation processes, although indirectly, and suggests that modifications linked to altered redox mechanisms may fit into cell signaling pathways [130]. Also, the oxidation of deoxy-guanine of CpG nucleotides to 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8-OHdG) is believed to be a surrogate marker of oxidative damage, in various human diseases [131]. The 8-OHdG adducts interfere with DNA restriction nucleases and DNA methyl transferases (DNMT), thus altering transcription factors binding to DNA and causing general DNA hypomethylation. In vitro [132] and in vivo [133] studies demonstrate that ROS induce general genome hypomethylation and specific DNA promoters hypomethylation, via the DNMT upregulation and the DNMT complexes generation. Moreover, recent studies show that a ROS-mediated pathway causes repression of the protein kinase C epsilon gene, through its promotor methylation. The events are important in heart hypoxia, in utero, which leads to heightened heart vulnerability to ischemic injury, later in people's life [134].

4.1. ROS에 의한 DNA 메틸화
일반적으로 응축된 염색질 구조(헤테로크로마틴)는 저메틸화 과정에 의한 유전자 억제와 관련이 있고, 개방형 염색질(유로크로마틴)은 아세틸화 과정에 의한 유전자 활성화와 관련이 있습니다[129]. 후성유전학적 표시는 염색질의 정전기적 특성과 단백질 결합 친화력을 변화시킴으로써 유전자 발현을 조절합니다. DNA 메틸화는 전사 활성화제가 표적 결합 부위에 접근하는 것을 억제하거나 메틸 결합 단백질 도메인을 활성화함으로써 유전자 침묵을 유발합니다. 마지막 기능은 히스톤 탈아세틸화 효소와 상호 작용하여 염색질 응축을 전사 억제적 형태로 촉진합니다. 저메틸화 및 과메틸화 단계는 연속적으로 발생하며, 이는 DNA 메틸화와 DNA 결합의 상관 메커니즘이 어떻게 복잡한지를 나타냅니다. ROS 의존적 변형은 DNA 메틸화 및 탈메틸화와 직간접적으로 관련이 있습니다. 메틸화에 의존하는 DNA에 대한 NF-κB 결합은 SOD(Cu/Zn) 결핍 마우스에서 변경됩니다. 이 관찰은 간접적이기는 하지만 ROS 의존적 변형이 변경된 메틸화 과정과 연관되어 있으며, 변경된 산화 환원 메커니즘과 관련된 변형이 세포 신호 전달 경로에 적합 할 수 있음을 시사합니다 [130]. 또한, CpG 뉴클레오타이드의 데옥시 구아닌이 8-하이드록시-2′-데옥시구아노신(8-OHdG)으로 산화되는 것은 다양한 인간 질병에서 산화 손상의 대리 마커로 여겨지고 있습니다[131]. 8-OHdG는 DNA 제한 뉴클레아제 및 DNA 메틸 전이 효소(DNMT)를 방해하여 DNA에 결합하는 전사 인자를 변경하고 일반적인 DNA 저메틸화를 유발합니다. 시험관 내 [132] 및 생체 내 [133] 연구에 따르면 ROS는 DNMT 상향 조절 및 DNMT 복합체 생성을 통해 일반적인 게놈 저메틸화와 특정 DNA 프로모터 저메틸화를 유도하는 것으로 나타났습니다. 또한 최근 연구에 따르면 ROS 매개 경로가 프로모터 메틸화를 통해 단백질 키나아제 C 엡실론 유전자의 억제를 유발하는 것으로 나타났습니다. 이러한 사건은 자궁 내 심장 저산소증에서 중요하며, 이는 나중에 허혈성 손상에 대한 심장 취약성을 증가시킵니다 [134].

4.2. ROS and DNA Methylation in Aging and Age-Related Diseases

Starting from the observation that both defective genome and DNA repair processes promote phenotypes of premature aging, the “aging epigenetics” has been developed as emerging discipline, which concerns genes and processes impacting aging (Figure 1) [135]. ROS effects on epigenetic mechanisms have been discussed as cause and consequence of aging and age-related DNA modifications [128]. Recent studies demonstrate that global DNA hypomethylation is deeply included in aging gene expression‎ [136], and, at the same time, cancer is the age-related disease that shows the most significant effects of ROS-dependent DNA methylation [137]. Tumor progression is induced by general hypomethylation of the DNA and hypermethylation of tumor suppressor genes that lead to aberrant genes expression‎ [138–140]. Abnormal and selective DNA methylation may constitute a potential biomarker and a tool to assess therapeutic treatments at the same time. The data on OS-mediated alterations in DNA methylation, which have been so far obtained, motivate chemoprevention trials, to reduce OS in cancer diseases [141–143]. In human aging, the telomerase reverse transcriptase (hTERT) controls the mitochondrial function and the cellular metabolism, besides the telomeres structure. The enzyme is regulated by DNA methylation. Various observations demonstrate that hTERT may confer major sensitivity towards OS [144] and reduce ROS increase in aging and age-related diseases [145]. Examples of both ROS levels and DNA methylation, which seems to change with age, suggest that they are potentially linked [146, 147]. ROS-induced methylation at SOD2 gene promoter causes the decreased expression‎ of the gene, which may be associated with the disruption of the cardiorespiratory homeostasis, a typical problem of the old humans. Treatments with DNA methylation inhibitors, in preclinical studies, can prevent the hypoxic sensitivity that leads to the respiratory dysfunction [148]. Also, both ROS-induced 8-OHdG and 5-methyl cytosine generate abnormal GC regions in the DNA, which undergo further methylation and oxidation, thus hampering DNA repair enzymes. These regions have been demonstrated to hit gene expression‎ and DNA susceptibility to damage in Alzheimer's pathology [149].

4.2. 노화 및 노화 관련 질병에서의 ROS와 DNA 메틸화

결함이 있는 게놈과 DNA 복구 과정이 모두 조기 노화의 표현형을 촉진한다는 관찰에서 출발하여, 노화에 영향을 미치는 유전자와 과정에 관한 '노화 후성유전학'이 새로운 학문으로 발전했습니다(그림 1) [135]. 후성유전학적 메커니즘에 대한 ROS의 영향은 노화 및 노화와 관련된 DNA 변형의 원인 및 결과로 논의되어 왔습니다[128]. 최근 연구에 따르면 전 세계적인 DNA 저메틸화가 노화 유전자 발현에 깊이 관여하며[136], 동시에 암은 ROS 의존적 DNA 메틸화의 가장 큰 영향을 보이는 노화 관련 질환입니다[137]. 종양 진행은 DNA의 일반적인 저메틸화와 종양 억제 유전자의 과메틸화에 의해 유도되어 비정상적인 유전자 발현으로 이어집니다 [138-140]. 비정상적이고 선택적인 DNA 메틸화는 잠재적인 바이오마커이자 동시에 치료법을 평가할 수 있는 도구가 될 수 있습니다. 지금까지 밝혀진 DNA 메틸화의 OS 매개 변화에 대한 데이터는 암 질환에서 OS를 줄이기 위한 화학 예방 시험에 동기를 부여합니다 [141-143]. 인간의 노화에서 텔로머라제 역전사효소(hTERT)는 텔로미어 구조 외에도 미토콘드리아 기능과 세포 대사를 조절합니다. 이 효소는 DNA 메틸화에 의해 조절됩니다. 다양한 관찰에 따르면 hTERT는 노화 및 노화 관련 질환에서 OS에 대한 주요 민감성을 부여하고[144] ROS 증가를 감소시킬 수 있습니다[145]. 나이에 따라 변화하는 것으로 보이는 ROS 수준과 DNA 메틸화의 예는 이 둘이 잠재적으로 연관되어 있음을 시사합니다 [146, 147]. SOD2 유전자 프로모터에서 ROS에 의한 메틸화는 유전자 발현 감소를 유발하며, 이는 노인의 전형적인 문제인 심호흡 항상성 파괴와 관련이 있을 수 있습니다. 전임상 연구에서 DNA 메틸화 억제제로 치료하면 호흡기 기능 장애를 유발하는 저산소 민감성을 예방할 수 있습니다 [148]. 또한 ROS에 의해 유도된 8-OHdG와 5-메틸 시토신은 모두 DNA에 비정상적인 GC 영역을 생성하여 추가 메틸화 및 산화를 진행하여 DNA 복구 효소를 방해합니다. 이러한 영역은 알츠하이머 병리에서 유전자 발현과 DNA 손상에 대한 취약성에 영향을 미치는 것으로 입증되었습니다[149].

Figure 1

Schematic representation of ROS signaling in physiological and pathological conditions.

Low and medium ROS levels produced by mitochondria and NADPH oxidase activate cell ROS sensitive proteins and epigenetic machinery. High ROS level causes nucleic acids, lipid, and proteins damage possibly involved in accelerated aging, cell death, and age-related diseases.

In complex, ROS are involved in DNA methylation processes in different conditions, occurring in the human aging. The epigenetic machinery operates as OS sensor, which contributes to the OS control and, at the same time, orchestrates the progressive homeostasis impairment, which shapes the cardiovascular, respiratory, and nervous systems of old human beings [146]. The ROS signaling in the DNA methylation during the aging process deserves to be more deeply studied.

생리적 및 병리학적 조건에서 ROS 신호의 도식적 표현.

미토콘드리아와 NADPH 산화효소에 의해 생성되는 낮은 및 중간 수준의 ROS는 세포의 ROS 민감성 단백질과 후성유전학적 메커니즘을 활성화합니다. 높은 ROS 수치는 핵산, 지질 및 단백질 손상을 유발하여 노화 촉진, 세포 사멸 및 노화 관련 질병에 관여할 수 있습니다.
ROS는 인간의 노화 과정에서 발생하는 다양한 조건에서 DNA 메틸화 과정에 복잡하게 관여합니다. 후성유전학적 기계는 OS 센서로 작동하여 OS 제어에 기여하는 동시에 노인의 심혈관, 호흡기 및 신경계를 형성하는 점진적인 항상성 손상을 조율합니다 [146]. 노화 과정 중 DNA 메틸화에서 ROS 신호는 더 깊이 연구할 필요가 있습니다.

5. ROS in Cell Senescence

The cell senescence has indicated the irreversible G1 growth arrest of normal primary cells, which occurs after the cells have accumulated time-dependent damage, during extensive culture passages (“replicative senescence”). The cells resist apoptosis and face malignant progression through cytostasis, thus causally contributing to cell senescence induction and maintenance. The senescent cells are able to diversify constantly, like cancer cells, but missing proliferation as a driver [7, 9]. Large and flat shape, rich cytoplasmic and vacuolar granularity, high levels of lysosomal β-galactosidase activity (SA-βgal), p16, p21, macroH2A, IL-6, phosphorylated p38MAPK, and “double-strand breaks” are the most common senescent cells features in in situ assays [9]. The exact mechanisms underlying the cell senescence onset and stabilization are still obscure. OS, mitochondrial deterioration, DNA damage, oncogenes expression‎, and loss of tumor suppressor genes, like PTEN, RB1, NF1, and INPP4, can induce cell senescence [9]. “Replicative senescence,” which is provoked by endogenous stimuli, is distinct from “stress-induced premature senescence,” which is provoked by exogenous stimuli. The two processes share molecular and functional features, although they are dependent, or not, on telomeres status, respectively. Intrinsic and extrinsic events can induce either the cell senescence or the apoptosis process, depending on the level of the impairment of the cell homeostasis [150] and the p53 activity [47]. The molecules secreted by senescent cells (secretoma) cooperate deeply to maintain the tissues homeostasis, through autocrine and paracrine activities [151], by acting at multiple levels: epigenome [152], gene expression‎, protein processing, and metabolic control [153]. Moreover, specific mitochondrial pathways contribute to priming the senescence process, through the alteration of the mitochondrial redox state [6, 151]. The senescence secretoma acts in physiological and pathological events, as tissue remodeling during embryogenesis, tissue repair in wound healing, and induction of aging, as well as age-related diseases of different organisms. The secretoma develops beneficial effects on carcinogenic DNA lesions of precancerous cells, by both preventing their uncontrolled cell proliferation and reacting with specific anticancer compounds [154]. However, the secretoma may provide indispensable cytokines for the cancer cells growth, thus promoting tumorigenesis in definite conditions, which are partly related to the cellular metabolic state [155]. Cause-effect relationships between cellular ROS production and cell senescence have been investigated through diverse pathways that comprise the following.

(i) Mitochondrial DNA (mtDNA) Damage. ROS contribute to cellular senescence onset and progression by damaging mtDNA directly or in synergy with modifications of the telomerase reverse transcriptase (TERT) enzyme and the p53 and Ras pathways activity [9]. Also, ROS production by serial signaling through GADD45-MAPK14 (p38MAPK)-GRB2-TGFBR2-TGFb is both necessary and sufficient for the stability of growth arrest, during the establishment of the senescent phenotype [156].

(ii) Signaling Pathways via Ras, p53, p21, and p16. The pathways generate ROS, which act as signaling molecules, without causing oxidative DNA damage. ROS result as a tightly regulated signaling process for the induction of the cell senescence [157].

(iii) Autophagy. High ROS levels mediate p53 activation that induces autophagy inhibition. This event generates mitochondrial dysfunction, which in turn generates cell senescence. The autophagy inhibition causes the senescent cells to aggregate oxidized proteins and protein carbonyls with products of lipid peroxidation and protein glycation into the lipofuscin [158].

(iv) miR-210 and miR-494. The induction of these microRNAs by ROS generates mitochondrial dysfunction and autophagy inhibition [159].

The (iii) and (iv) pathways generate vicious loop cycles in ROS production. Autophagy inhibition causes lipofuscin accumulation, which activates further autophagy impairment and ROS production, consequently. All the factors (i), (ii), (iii), and (iv) may add to DNA damage and dysfunctions of both mitochondria and cell metabolism homeostasis [159]. In vitro and preclinical experiments show that ROS decreasing interventions influence cell senescence progression, via the slowdown of telomere shortening and the extension of the cell lifespan. Replicative telomere exhaustion, DNA damage, and OS prime the cell senescence by sharing the activation of the “DNA Damage Response.” ATM or ATR kinases of these signaling pathways cause p53 stabilization and transcriptional activation of the p53 target, p21 [9]. p53 triggers cell cycle arrest by upregulating p21, which inhibits the cell cycle regulator cyclin-dependent kinases Cdk4 and Cdk2 [159]. Whereas high OS levels induce the prosenescence function of p53, the mild OS levels that are induced by the physical exercise in humans have a positive effect on cell and mitochondrial homeostasis. p53 exerts a dual effect on cell senescence because of its ability to both decrease and increase the cellular OS level [160]. In parallel to “DNA Damage Response,” the mitochondrial p38-MAPK replenishes the short-lived DNA damage foci, via a ROS feedback loop, and induces the senescent secretoma [161].

The occurrence of the ROS role in cell senescence onset and maintenance might be relevant for therapeutic interventions, which aim to modulate ROS levels in cancer cells, as well as in aging processes [156]. Human kidney dysfunctions exemplify progressive stages of ROS-induced cell senescence. ROS act like a sensor in regulating the oxygen-dependent gene expression‎ of the kidney and play a leading role in the inflammatory processes, to which the organ is especially sensitive [162]. In conclusion, the ROS signaling has highlighted key factors for the cell senescence induction and maintenance, which are the object of intensive investigations.

5. 세포 노화의 ROS

세포 노화는 광범위한 배양 과정("복제 노화") 동안

세포가 시간에 따른 손상을 누적한 후에 발생하는

정상 원시 세포의 비가역적인 G1 성장 정지를 나타냅니다.

세포는

세포 사멸에 저항하고

세포 증식을 통해 악성 진행에 직면하여

세포 노화 유도 및 유지에 인과적으로 기여합니다.

노화 세포는

암세포처럼 끊임없이 분화할 수 있지만,

그 원동력인 증식이 결여되어 있습니다[7, 9].

크고 평평한 모양, 풍부한 세포질 및 액포 입자성, 높은 수준의 리소좀 β-갈락토시다제 활성(SA-βgal), p16, p21, macroH2A, IL-6, 인산화 p38MAPK 및 "이중 가닥 끊김"은 현장 분석에서 가장 일반적인 노화 세포 특징입니다 [9].

세포 노화가 시작되고 안정화되는 정확한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다.

세포 노화, 미토콘드리아 기능 저하, DNA 손상, 종양 유전자 발현, PTEN, RB1, NF1, INPP4와 같은

종양 억제 유전자의 손실이

세포 노화를 유발할 수 있습니다 [9].

"내인성 자극에 의해 유발되는 '복제 노화'는

외인성 자극에 의해 유발되는 '스트레스 유발 조기 노화'와는 구별됩니다.

이 두 가지 과정은 각각 텔로미어의 상태에 의존하거나 의존하지 않더라도 분자적, 기능적 특징을 공유합니다. 내재적 및 외재적 사건은 세포 항상성 손상 수준[150]과 p53 활성[47]에 따라 세포 노화 또는 세포 사멸 과정을 유도할 수 있습니다. 노화 세포(분비종)에서 분비되는 분자는 후성 유전체 [152], 유전자 발현, 단백질 처리, 대사 조절 등 여러 수준에서 작용하여 자율신경 및 파라크린 활동 [151]을 통해 조직의 항상성을 유지하기 위해 깊이 협력합니다 [153]. 또한, 특정 미토콘드리아 경로는 미토콘드리아 산화 환원 상태의 변화를 통해 노화 과정을 촉진하는 데 기여합니다 [6, 151]. 노화 비밀종은 배아 발생 중 조직 리모델링, 상처 치유에서의 조직 복구, 노화 유도 및 다른 유기체의 노화 관련 질병과 같은 생리적 및 병리학 적 사건에서 작용합니다. 비밀종은 통제되지 않은 세포 증식을 방지하고 특정 항암 화합물과 반응하여 전암 세포의 발암성 DNA 병변에 유익한 효과를 발휘합니다 [154]. 그러나 분비종은 암세포 성장에 필수적인 사이토카인을 제공하여 세포 대사 상태와 부분적으로 관련된 확실한 조건에서 종양 형성을 촉진할 수 있습니다 [155]. 세포 ROS 생성과 세포 노화 사이의 인과 관계는 다음과 같은 다양한 경로를 통해 조사되었습니다.

(i) 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 손상. ROS는 직접적으로 또는 텔로머라제 역전사효소(TERT) 효소의 변형 및 p53 및 Ras 경로 활성과 상승 작용을 통해 mtDNA를 손상시켜 세포 노화 시작 및 진행에 기여합니다 [9]. 또한, 노화 표현형이 확립되는 동안 GADD45-MAPK14(p38MAPK)-GRB2-TGFBR2-TGFb를 통한 직렬 신호에 의한 ROS 생성은 성장 정지의 안정성에 필요하고 충분합니다 [156].

(ii) Ras, p53, p21, p16을 통한 신호 경로. 이 경로는 산화성 DNA 손상을 일으키지 않고 신호 분자로 작용하는 ROS를 생성합니다. ROS는 세포 노화 유도를 위해 엄격하게 조절되는 신호 전달 과정의 결과입니다 [157].

(iii) 오토파지. 높은 ROS 수치는 자가포식 억제를 유도하는 p53 활성화를 매개합니다. 이 사건은 미토콘드리아 기능 장애를 일으켜 세포 노화를 일으킵니다. 자가포식 억제는 노화 세포가 지질 과산화 및 단백질 당화 산물과 함께 산화 단백질과 단백질 카르보닐을 리포푸신으로 응집하게 합니다 [158].

(iv) miR-210 및 miR-494. ROS에 의한 이러한 마이크로RNA의 유도는 미토콘드리아 기능 장애와 오토파지 억제를 일으킵니다 [159].

(iii) 및 (iv) 경로는 ROS 생성에서 악순환 주기를 생성합니다. 자가포식 억제는 리포푸신 축적을 유발하고, 이는 결과적으로 추가적인 자가포식 장애와 ROS 생성을 활성화합니다. (i), (ii), (iii), (iv)의 모든 요인은 미토콘드리아와 세포 대사 항상성 모두의 DNA 손상과 기능 장애를 가중시킬 수 있습니다 [159]. 시험관 및 전임상 실험에 따르면 ROS를 감소시키는 개입은 텔로미어 단축을 늦추고 세포 수명을 연장함으로써 세포 노화 진행에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 반복적인 텔로미어 고갈, DNA 손상, OS는 "DNA 손상 반응"의 활성화를 공유함으로써 세포 노화를 촉진합니다. 이러한 신호 경로의 ATM 또는 ATR 키나아제는 p53을 안정화시키고 p53 표적인 p21의 전사 활성화를 유발합니다[9]. p53은 세포 주기 조절자인 사이클린 의존성 키나아제 Cdk4 및 Cdk2를 억제하는 p21을 상향 조절하여 세포 주기 정지를 촉발합니다[159]. 높은 OS 수준은 p53의 노화 기능을 유도하는 반면, 인간의 신체 운동에 의해 유도되는 가벼운 OS 수준은 세포 및 미토콘드리아 항상성에 긍정적인 영향을 미치며, p53은 세포 OS 수준을 감소시키고 증가시킬 수 있기 때문에 세포 노화에 이중 효과를 발휘합니다 [160]. "DNA 손상 반응"과 병행하여 미토콘드리아 p38-MAPK는 ROS 피드백 루프를 통해 수명이 짧은 DNA 손상 부위를 보충하고 노화성 분비종을 유도합니다 [161].
세포 노화 시작 및 유지에 있어 ROS 역할의 발생은 암세포뿐만 아니라 노화 과정에서도 ROS 수준을 조절하는 것을 목표로 하는 치료적 개입과 관련이 있을 수 있습니다 [156]. 인간의 신장 기능 장애는 ROS에 의한 세포 노화의 진행 단계를 잘 보여줍니다. ROS는 신장의 산소 의존성 유전자 발현을 조절하는 센서와 같은 역할을 하며 신장이 특히 민감한 염증 과정에서 주도적인 역할을 합니다 [162]. 결론적으로, ROS 신호는 세포 노화 유도 및 유지의 핵심 인자로 부각되어 집중적인 연구의 대상이 되고 있습니다.

5.1. Cell Senescence in Aging and Age-Related Diseases (ROS Effect)

The “replicative cell senescence” is considered an aging hallmark on the basis of two motives: (1) the senescent cells accumulate in organismal tissues, by rate and proportion, which parallel the age advancement; (2) the senescent cells accelerate the age-related decrease of tissue regeneration, through the depletion of stem and progenitors cells [8, 97]. While the sequence of proliferative arrest (senescence), recruitment of immune phagocytic cells (clearance), and promotion of tissue renewal (regeneration) results in being beneficial upon a damaged tissue, for instance, the sequence is inefficiently completed in aging tissues, causing senescent cells to undergo chronic accumulation [163]. Also, a delicate balance exists between cell senescence positive effects on tumor suppression and negative effects on aging related processes [164]. The transcription factor and tumor suppressor p53 are involved in DNA repair and cellular stress response, as well as cellular cycle control. In addition, p53 modulates both the cell senescence and the aging process, through the coordination of specific cellular pathways [165, 166]. It is not clear whether p53 mechanisms in cell senescence and aging are common [160]. An increased senescence secretoma causes detrimental effects over the years and contributes to the typical disruption of aged tissues [8, 167, 168]. Senescent cells endowed with the semiselective marker of senescence p16 drive age-related pathologies, which are delayed or prevented by the selective elimination of the senescent cells [169]. A partial list of suggested markers of cell senescence in human tissues, both aged and affected by age-related pathologies, is reported in Table 2 [170–197]. Lungs show a typical example of cell senescence associated with the progressive, age-related organ dysfunction. The OS generated by the potent cigarette oxidants is a key element in the pathogenesis of the pulmonary emphysema, induced by the chronic smoking. The fibroblasts that provide essential support and matrix for lung integrity show reduced proliferation rate and increased SA-βgal activity in patients affected by pulmonary emphysema. These senescent fibroblasts contribute to the lung disease by affecting the tissue homeostasis. Also, senescent features of the endothelial cells in chronic smokers associate with premature vessels atherosclerosis. In patients with severe coronary artery disease, OS accelerates the senescence of endothelial cells, which is related to risk factors for cardiovascular disease [198]. A further example of aging dysfunction related to cell senescence is shown by the scaffolding protein Caveolin 1 (Cav1), which controls molecular signaling in caveolar membranes. Cav1 promotes cellular senescence in age-related pathologies, by mediating p53 activation with EGF modulation, focal adhesion, and small Rho GTPase-dependent signaling. The upregulation of the Cav1 promoter by high ROS levels contributes to explaining how OS promotes cell senescence effects in aging and age-related diseases [198]. In addition, the interplay between different conditions of mitochondrial homeostasis and ROS-dependent signaling pathways contributes to aging process, through the cell senescence induction and stabilization [199]. Yet ROS-independent signaling pathways link dysfunctions in mitochondria and aging, through the cell senescence process [6, 151]. As a new approach, preclinical and clinical studies demonstrate the therapeutic effects of the aging inhibitor rapamycin, whose signaling pathway is involved in cellular senescence [160, 200].

5.1. 노화 및 노화 관련 질병에서의 세포 노화(ROS 효과)

"복제 세포 노화"는 두 가지 동기에 근거하여 노화의 특징으로 간주됩니다: (1) 노화 세포가 생체 조직에 축적되는 속도와 비율은 연령 증가와 유사하며, (2) 노화 세포는 줄기세포와 전구세포의 고갈을 통해 조직 재생의 연령 관련 감소를 가속화합니다 [8, 97]. 예를 들어, 증식 억제(노화), 면역 식세포의 모집(제거), 조직 재생 촉진(재생)의 순서는 손상된 조직에서는 유익하지만, 노화 조직에서는 이 순서가 비효율적으로 완료되어 노화 세포가 만성적으로 축적되게 됩니다 [163]. 또한 세포 노화가 종양 억제에 미치는 긍정적인 영향과 노화 관련 과정에 미치는 부정적인 영향 사이에는 미묘한 균형이 존재합니다 [164]. 전사인자 및 종양 억제 인자 p53은 DNA 복구와 세포 스트레스 반응, 세포 주기 조절에 관여합니다. 또한 p53은 특정 세포 경로의 조정을 통해 세포 노화와 노화 과정을 모두 조절합니다 [165, 166]. 세포 노화와 노화에서 p53 메커니즘이 공통적인지는 명확하지 않습니다 [160]. 노화 분비종의 증가는 수년에 걸쳐 해로운 영향을 미치며 노화된 조직의 전형적인 파괴에 기여합니다 [8, 167, 168]. 노화 p16의 반선택적 마커가 부여된 노화 세포는 노화 세포의 선택적 제거에 의해 지연되거나 예방되는 노화 관련 병리를 유발합니다 [169]. 노화 및 노화 관련 병리의 영향을 받는 인간 조직에서 세포 노화를 나타내는 마커의 일부 목록은 표 2에 나와 있습니다 [170-197]. 폐는 진행성 노화 관련 장기 기능 장애와 관련된 세포 노화의 전형적인 예를 보여줍니다. 강력한 담배 산화제에 의해 생성되는 산소 포화도는 만성 흡연에 의해 유발되는 폐 폐기종의 발병 기전에서 핵심적인 요소입니다. 폐의 완전성을 위해 필수적인 지원과 매트릭스를 제공하는 섬유아세포는 폐 폐기종의 영향을 받는 환자에서 증식 속도가 감소하고 SA-βgal 활성이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이러한 노화 섬유아세포는 조직 항상성에 영향을 미쳐 폐 질환에 기여합니다. 또한 만성 흡연자의 내피 세포의 노화 특징은 조기 혈관 죽상 경화증과 관련이 있습니다. 중증 관상동맥 질환 환자에서 OS는 내피 세포의 노화를 가속화하며, 이는 심혈관 질환의 위험 인자와 관련이 있습니다 [198]. 세포 노화와 관련된 노화 기능 장애의 또 다른 예는 해면체의 분자 신호를 조절하는 스캐폴딩 단백질인 카베올린 1(Cav1)에 의해 나타납니다. Cav1은 EGF 조절, 국소 부착, 작은 Rho GTPase 의존적 신호 전달을 통해 p53 활성화를 매개하여 노화 관련 병리에서 세포 노화를 촉진합니다. 높은 ROS 수준에 의한 Cav1 프로모터의 상향 조절은 OS가 노화 및 노화 관련 질환에서 세포 노화 효과를 촉진하는 방법을 설명하는 데 기여합니다 [198]. 또한 미토콘드리아 항상성의 다양한 조건과 ROS 의존적 신호 경로 간의 상호 작용은 세포 노화 유도 및 안정화를 통해 노화 과정에 기여합니다 [199]. 그러나 ROS 독립적 신호 경로는 세포 노화 과정을 통해 미토콘드리아의 기능 장애와 노화를 연결합니다 [6, 151]. 새로운 접근법으로, 전임상 및 임상 연구에서 세포 노화에 관여하는 신호 경로를 가진 노화 억제제 라파마이신의 치료 효과가 입증되었습니다 [160, 200].

Table 2

Clinical examples of senescence-associated biomarkers detected in organs and tissues of patients affected by age-related diseases.

Organ/tissueSenescence-associated biomarkersClinical references

Cardiovascular diseases
Aged vascular tissues	Telomeres length, SA-βGal, p16, and p21	[170, 171]
Atherosclerosis
Systolic heart failure
Malignant tumors
Lung cancer	Telomeres length, SA-βgal	[172, 173]
Breast cancer	SA-βgal, p21, p16, DEP1, NTAL, EBP50, STX4, VAMP3, ARMX3, B2MG, LANCL1, VPS26A, and PLD3	[174, 175]
Neuroblastoma	SA-βgal	[176]
Astrocytoma	SA-βgal	[177]
Mesothelioma	SA-βgal, p21	[178]
Melanoma	SA-βgal, p16, and p21	[179]
Prostate cancer	SA-βgal, Glb1, and HP1g	[154, 180]
Liver cancer	Telomeres length, SA-βgal	[181]
Colorectal cancer	Short telomeres	[182]
Fibrosis
Idiopathic pulmonary fibrosis	Telomeres length, IGFBP5, and SA-βgal	[183, 184]
Cystic fibrosis	Telomere length, p16	[185]
Liver fibrosis	Telomere length, IGFBP-5, SA-β-gal, and p21	[183, 186]
Renal fibrosis	p16	[187, 188]
Neurological disorders
Alzheimer's disease	SA-β-gal	[189, 190]
Other diseases
Chronic obstructive pulmonary disease	Telomere length, p16, p21, and SA-βgal	[191, 192]
Pulmonary hypertension	p16, p21	[192, 193]
Emphysema	Telomere length, IGFBP-3, IGFBP-rP1, p16INK4a, and p21	[194, 195]
Benign prostatic hyperplasia	SA-βgal	[196, 197]

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In conclusion, cell senescence reduces the age-related tumor development and contributes to human aging, suggesting that aging might be switched for tumorigenesis [201, 202]. ROS may modulate tumor suppression process, which is induced by the senescence, thus participating in anticancer mechanisms, although ROS may act as tumor promoters in definite conditions [48]. With the cell senescence and aging controlled by cells and cellular environment, the possibility is suggested that the two processes may be subjected to interventional therapies [203, 204].

결론적으로, 세포 노화는 노화와 관련된 종양 발생을 감소시키고 인간의 노화에 기여하여 노화가 종양 형성을 위해 전환될 수 있음을 시사합니다 [201, 202]. ROS는 노화에 의해 유도되는 종양 억제 과정을 조절하여 항암 메커니즘에 관여할 수 있지만, 특정 조건에서는 종양 촉진제로 작용할 수도 있습니다 [48]. 세포 노화와 노화는 세포와 세포 환경에 의해 제어되기 때문에 이 두 가지 과정이 중재 요법의 대상이 될 수 있다는 가능성이 제시되고 있습니다 [203, 204].

5.2. Epigenetic Mechanism in Cell Senescence (ROS Involvement)

The epigenetic control of acute and chronic cellular senescence allows for the two processes that are involved in various conditions that lead to the cells longevity preventing cell death and tumorigenesis [205]. The abrogation of tumor suppressor pathways, as p53 and p16/Rb, bypasses the cell senescence, thus leading to the tumorigenic phenotypes acquiring [206]. The mechanisms that balance the transcriptional state of the chromatin are not fully understood. Some regulative changes involve the histone proteins that coordinate the DNA accessibility, through transcription factors, besides the DNA replication and repair. The Polycomb Repressor Complex 2 (PRC2) initiates and preserves specific histone methylations, thus acting as an epigenetic mark that mediates targeted genes [207]. The repression of the histone activity by the Polycomb Group (PcG) proteins causes gene silencing, but it can be countered by specific demethylases, which erases the methyl mark [208]. The upregulation of many PRC target genes leads to global epigenetic changes [209–211]. Specific transcription factors [212], as well as long noncoding RNAs [213], are involved in the recruitment performed by PRC. PRC2 takes a crucial part in silencing the locus of p16, the marker that is upregulated during cell senescence [212]. The reversal of chromatin epigenetic pattern via deacetylation, demethylation, and dephosphorylation is significantly involved in underscoring both flexible and dynamic nature of histone modifications [214]. The histone demethylases JMJD3 produce diverse outputs of biological function, depending on the action of their transcriptional complexes. Different expression‎ of these demethylases, which have tumor suppressor activities during the “stress-induced senescence” [215, 216], is reflected into cellular phenotype changes and variations associated with cellular senescence [217]. The JMJD3 gene is located near the p53 tumor suppressor gene, that is, a genomic area that is frequently lost in various malignancies. The SIRT1 histone deacetylase (SIRT1) is a known regulator of age-related diseases that regulates the senescence secretoma components, by silencing their promoter regions epigenetically. SIRT1 plays a pivotal role in stress modulation also through p53 deacetylation, acting against aging and age-related diseases. As indicated above, the high ROS levels activate p53, which, in turn, activates p53-mediated apoptosis and cell senescence. Moreover, SIRT1 regulates the ROS-dependent FOXO factors, which are responsible for cell growth, proliferation, and longevity. The characteristic ROS increase during aging may be responsible for the decreased SIRT1 activity, which facilitates the senescent-like phenotype. SIRT1 causes oxidant effects, as well as antioxidant effects, by acting on epigenetic modifications, which include acetylation and deacetylation (see references in [128, 146]). Experiments on cell senescence induction show different molecular mechanisms in acute versus chronic senescent cells. A better knowledge of the order in which epigenetics mechanisms change during the cell senescence progression, from initial towards full senescence, is believed to be vital for finding therapies against age-related disorders [9].

5.2. 세포 노화의 후성유전학적 메커니즘(ROS 관여)
급성 및 만성 세포 노화의 후성유전학적 제어는 세포의 수명을 연장하는 다양한 조건에 관여하는 두 가지 과정을 통해 세포 사멸과 종양 형성을 방지할 수 있습니다 [205]. 종양 억제 경로인 p53 및 p16/Rb의 폐지는 세포 노화를 우회하여 종양 생성 표현형을 획득하게 합니다 [206]. 염색질의 전사 상태의 균형을 맞추는 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다. 일부 조절 변화에는 DNA 복제 및 복구 외에도 전사 인자를 통해 DNA 접근성을 조정하는 히스톤 단백질이 포함됩니다. 폴리콤 억제 복합체 2(PRC2)는 특정 히스톤 메틸화를 시작하고 보존하여 표적 유전자를 매개하는 후성유전학적 표식으로 작용합니다[207]. 폴리콤 그룹(PcG) 단백질에 의한 히스톤 활성 억제는 유전자 침묵을 유발하지만 메틸화 마크를 지우는 특정 탈메틸화 효소에 의해 대응할 수 있습니다[208]. 많은 PRC 표적 유전자의 상향 조절은 전 세계적인 후성유전학적 변화로 이어집니다[209-211]. 특정 전사인자[212]와 긴 비코딩 RNA[213]가 PRC에 의해 수행되는 모집에 관여합니다. PRC2는 세포 노화 과정에서 상향 조절되는 마커인 p16의 유전자좌를 침묵시키는 데 중요한 역할을 합니다[212]. 탈아세틸화, 탈메틸화, 탈인산화를 통한 염색질 후성유전학적 패턴의 반전은 히스톤 변형의 유연하고 역동적인 특성을 강조하는 데 크게 관여합니다 [214]. 히스톤 탈메틸화 효소 JMJD3는 전사 복합체의 작용에 따라 다양한 생물학적 기능의 결과물을 생성합니다. "스트레스 유발 노화"[215, 216] 동안 종양 억제 활동을 하는 이러한 탈메틸화 효소의 다양한 발현은 세포 노화와 관련된 세포 표현형 변화 및 변이에 반영됩니다 [217]. JMJD3 유전자는 p53 종양 억제 유전자, 즉 다양한 악성 종양에서 자주 손실되는 게놈 영역 근처에 위치합니다. SIRT1 히스톤 탈아세틸화 효소(SIRT1)는 프로모터 영역을 후성유전적으로 침묵시켜 노화 비밀종 성분을 조절하는 노화 관련 질병의 조절 인자로 알려져 있습니다. SIRT1은 p53 탈아세틸화를 통해 스트레스 조절에도 중추적인 역할을 하며 노화 및 노화 관련 질병에 대항하는 역할을 합니다. 위에서 설명한 바와 같이, 높은 ROS 수치는 p53을 활성화하고, 이는 다시 p53 매개 세포 사멸 및 세포 노화를 활성화합니다. 또한 SIRT1은 세포 성장, 증식 및 수명을 담당하는 ROS 의존성 FOXO 인자를 조절합니다. 노화 중 특징적인 ROS 증가는 SIRT1 활성 감소의 원인이 될 수 있으며, 이는 노화 유사 표현형을 촉진합니다. SIRT1은 아세틸화 및 탈아세틸화를 포함하는 후성유전학적 변형에 작용하여 항산화 효과뿐만 아니라 산화 효과를 유발합니다([128, 146]의 참고 문헌 참조). 세포 노화 유도에 대한 실험은 급성 노화 세포와 만성 노화 세포에서 서로 다른 분자 메커니즘을 보여줍니다. 세포 노화가 진행되는 동안 후성유전학적 메커니즘이 초기 노화에서 완전 노화로 변화하는 순서에 대한 더 나은 지식은 노화 관련 장애에 대한 치료법을 찾는 데 필수적인 것으로 여겨집니다 [9].

5.2.1. Noncoding RNA 

Latest genomics tools and sequencing approaches have helped unravel large chromosomes stretches, which were previously deemed not transcribed [218, 219]. These sequence regions contain noncoding RNA (ncRNA), which is known as long lncRNAs, and short ncRNAs. Among short ncRNAs, the microRNAs (miRNAs) have emerged as being able to control the gene expression‎, either by blocking targeted mRNA translation or by mRNA degrading [220, 221]. Recently, ncRNA role is gaining more importance in age-associated dysfunctions as cardiovascular diseases [222, 223]. The senescence-associated lncRNAs are differentially expressed in proliferating and senescent fibroblasts, as assessed by RNA sequencing [224–226]. Toxicological studies associate increased ROS production with increased expression‎ of a set of 115 lncRNAs, which significantly affect p53 signaling pathway [227]. A mitochondrial-transcribed lncRNA is induced in aorta and endothelial cells aging, during the “replicative vascular senescence,” which is partly responsible for age-associated cardiovascular diseases, but not in the “stress-induced premature senescence” by ROS [228].

5.2.1. 비코딩 RNA
최신 유전체학 도구와 시퀀싱 접근법은 이전에는 전사되지 않는 것으로 간주되었던 큰 염색체 길이를 밝혀내는 데 도움이 되었습니다[218, 219]. 이러한 염기서열 영역에는 긴 lncRNA로 알려진 비코딩 RNA(ncRNA)와 짧은 ncRNA가 포함되어 있습니다. 짧은 엔시알엔에이 중 마이크로알엔에이(miRNA)는 표적 mRNA 번역을 차단하거나 mRNA를 분해하여 유전자 발현을 조절할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다 [220, 221]. 최근에는 심혈관 질환과 같은 노화 관련 기능 장애에서 ncRNA의 역할이 더욱 중요해지고 있습니다[222, 223]. 노화 관련 lncRNA는 증식하는 섬유아세포와 노화 섬유아세포에서 차별적으로 발현되며, 이는 RNA 시퀀싱으로 평가됩니다 [224-226]. 독성학 연구에 따르면 ROS 생성 증가는 115개의 lncRNA 세트의 발현 증가와 관련이 있으며, 이는 p53 신호 경로에 상당한 영향을 미칩니다[227]. 미토콘드리아 전사 lncRNA는 노화와 관련된 심혈관 질환의 일부 원인이 되는 '복제 혈관 노화' 동안 대동맥 및 내피 세포 노화에서 유도되지만, ROS에 의한 '스트레스 유발 조기 노화'에서는 유도되지 않습니다 [228].

5.2.2. microRNA (miRNA, miR) 

Normal cellular development and homeostasis are under the control of miRNAs, throughout the entire life [229], since miRNAs regulate the gene expression‎ in biological processes as proliferation, development, differentiation, and apoptosis. Yet several miRNAs families control cell senescence at multiple levels, by regulating the autophagy process and the gene expression‎ involved in ATP and ROS production. Some miRNAs may induce ROS production that generates a self-sustaining ROS vicious cycle [159]. miRNAs constitute a connection between aging, cell senescence, and cancer. The miRNAs dysregulation causes the activation of pathways they normally repress. The event may activate aberrant pathways and also aging mechanism in young individuals [222]. Although current studies are monitoring miRNA tissues and systemic alterations, instead of miRNA changes through lifespan and metabolic modifications, several profiles of miRNA expression‎ demonstrate changes during the aging. As an example, miR-29, which targets the genes of type IV collagen and maintains the structure of the extracellular matrix, increases in elderly mice, thus causing collagen decreasing, a tissues basement membranes weakening [230]. Only few miRNAs have been directly linked to age-related changes in cellular and organ functions, whereas many miRNAs have been directly connected with disease states. It is unclear if the modifications of miRNA profiles are mostly involved in pathological changes onset or if they mark the senescence end, which leads to the organ aging and dysfunction. Altered expression‎ in miRNA activity has been observed in elderly people, as in the case of miR-34a, which belongs to a family with conserved functions in controlling aging and age-related diseases [203, 231, 232]. miR-34a targets ROS scavenger enzymes inducing OS [159]. The miR-34a upregulation or overexpression‎ has been associated with cell proliferation inhibition, subsequent cell senescence induction, and premature death, in both endothelial progenitor and mature cells. miR-34a causes memory function impairment when it is upregulated in aged mice and in models for Alzheimer's disease (AD), while miR-34a targeting restores the memory function [233]. Also, the miR-34 mutation of the loss-of-function delays the age-related decline markedly, thus resulting in extended lifespan and increased resistance to the heat and the OS. The human miR-34a is downregulated in Parkinson's disease brain, while it is upregulated in AD brains [234] and in plasma of Huntington's disease patients [235].

Several miRNA families are modulated by ROS in the development of mitochondria-mediated cell senescence, which are, indirectly or directly, implicated in human pathologies. Little is known about the roles of ROS-modulated miRNAs in cell function. The molecular mechanisms that control neuronal response to OS have been deeply studied in different strains of senescence accelerated mice, based on the consideration that OS plays a critical role in AD etiology and pathogenesis. OS upregulates a group of miRNAs (miR-329, miR-193b, miR-20a, miR-296, and miR-130b), which is associated with affecting 83 target genes. Among the genes, mitogen-activated protein kinase signaling pathway has been suggested to play a role in pathogenesis of neurodegenerative diseases [233]. OS effects on vascular homeostasis, including angiogenesis in physiological processes and age-related diseases, are largely studied in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), considering that miRNAs modulate endothelial cells response to OS. ROS induce the expression‎ of miR-200 family members (miR-200c, miR-141, miR-200a, miR-200b, and miR-429), which determines apoptosis and cell senescence both in HUVEC cells and in a model of hind limb ischemia, which shows OS-mediated mechanism [236]. The miR-200 family plays a causative role in the vascular diabetic inflammatory phenotype in a diabetic model and in the human vasculopathy disease, suggesting that miR-200 inhibition might represent a therapeutic target to prevent OS negative effects on cell function and survival [146]. Also, miR-200 family has been extensively studied in epithelial-to-mesenchymal transition of cancer cells [236]. Lately, miR-760 and miR-186 upregulation has been associated with replicative senescence in human lung fibroblast cells. These miRNAs cooperate to induce senescence through the ROS-p53-p21Cip1/WAF1 pathway, which depends on the ROS generated by the downregulation of the protein kinase 2 (CK2α). A better understanding of the mechanisms of CK2 regulation might provide new therapeutic options to restore the function of lungs in aged people. An example of the increasing evidence that miRNAs are critically involved in the posttranscriptional regulation of cell functions, including the ROS signaling modulation, is underlined in Figure 2.

5.2.2. 마이크로RNA(miRNA, miR)

정상적인 세포 발달과 항상성은

전 생애에 걸쳐

miRNA의 통제 하에 있으며[229],

miRNA는 증식, 발달, 분화, 세포 사멸과 같은

생물학적 과정에서 유전자 발현을 조절하기 때문입니다.

그러나

여러 miRNA 계열은 자가포식 과정과 A

TP 및 ROS 생산에 관여하는 유전자 발현을 조절하여

여러 수준에서 세포 노화를 제어합니다. 일

부 miRNA는 자생적인 ROS 악순환을 생성하는 ROS 생성을 유도할 수 있습니다[159]. miRNA는 노화, 세포 노화, 암 사이의 연결고리를 구성합니다. miRNA의 조절 장애는 일반적으로 억제하는 경로의 활성화를 유발합니다. 이 사건은 비정상적인 경로를 활성화하고 젊은 사람의 노화 메커니즘도 활성화할 수 있습니다 [222]. 현재 연구에서는 수명과 대사 변형을 통한 miRNA 변화 대신 조직 및 전신 변화를 모니터링하고 있지만, 노화 과정에서 여러 miRNA 발현 프로필이 변화하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 제4형 콜라겐의 유전자를 표적으로 하고 세포 외 기질의 구조를 유지하는 miR-29는 노인 마우스에서 증가하여 조직 기저막을 약화시키는 콜라겐 감소를 유발합니다 [230]. 노화와 관련된 세포 및 장기 기능의 변화와 직접적으로 연관된 miRNA는 소수에 불과한 반면, 질병 상태와 직접적으로 연관된 miRNA는 많습니다. miRNA 프로파일의 변형이 주로 병리학적 변화의 시작에 관여하는지, 아니면 노화의 끝을 표시하여 장기 노화와 기능 장애로 이어지는지는 불분명합니다. 노화 및 노화 관련 질병을 조절하는 기능이 보존된 계열에 속하는 miR-34a의 경우와 같이 노인에서 miRNA 활성의 발현 변화가 관찰되었습니다 [203, 231, 232]. miR-34a는 OS를 유도하는 ROS 소거 효소를 표적으로 삼습니다 [159]. miR-34a의 상향 조절 또는 과발현은 내피 전구세포와 성숙 세포 모두에서 세포 증식 억제, 후속 세포 노화 유도 및 조기 사멸과 관련이 있으며, 노화된 마우스와 알츠하이머병(AD) 모델에서 miR-34a가 상향 조절되면 기억 기능 장애를 일으키는 반면 miR-34a를 표적으로 하면 기억 기능이 회복됩니다 [233]. 또한 miR-34의 기능 상실 돌연변이는 노화와 관련된 기능 저하를 현저하게 지연시켜 수명을 연장하고 더위와 OS에 대한 저항력을 증가시킵니다. 인간 miR-34a는 파킨슨병 뇌에서는 하향 조절되는 반면, AD 뇌에서는 상향 조절되고 [234], 헌팅턴병 환자의 혈장에서는 상향 조절됩니다 [235].
미토콘드리아 매개 세포 노화의 발달에서 여러 miRNA 계열이 ROS에 의해 조절되며, 이는 인간 병리에 직간접적으로 관련되어 있습니다. 세포 기능에서 ROS 조절 miRNA의 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. OS가 알츠하이머 병인 및 발병에 중요한 역할을 한다는 점을 고려하여 다양한 노화 촉진 마우스에서 OS에 대한 신경세포 반응을 제어하는 분자 메커니즘을 심층적으로 연구해 왔습니다. OS는 83개의 표적 유전자에 영향을 미치는 것과 연관된 miRNA 그룹(miR-329, miR-193b, miR-20a, miR-296, miR-130b)을 상향 조절합니다. 이 유전자 중 미토겐 활성화 단백질 키나제 신호 전달 경로는 신경 퇴행성 질환의 발병에 중요한 역할을 하는 것으로 제안되었습니다[233]. 생리적 과정과 노화 관련 질환에서 혈관 신생을 포함한 혈관 항상성에 대한 OS의 영향은 주로 인간 제대 정맥 내피 세포(HUVEC)에서 연구되는데, 이는 miRNA가 내피 세포의 OS 반응을 조절한다는 점을 고려할 때, 내피 세포의 혈관 항상성 유지에 미치는 영향은 매우 중요한 연구 대상입니다. ROS는 HUVEC 세포와 하지 허혈 모델에서 세포 사멸과 세포 노화를 결정하는 miR-200 계열(miR-200c, miR-141, miR-200a, miR-200b, miR-429)의 발현을 유도하여 OS 매개 메커니즘을 보여줍니다 [236]. miR-200 계열은 당뇨병 모델과 인간 혈관병증 질환에서 혈관 당뇨병 염증 표현형에서 원인 역할을 하며, 이는 miR-200 억제가 세포 기능 및 생존에 대한 OS의 부정적인 영향을 방지하는 치료 표적이 될 수 있음을 시사합니다 [146]. 또한 miR-200 계열은 암세포의 상피에서 중간엽 전이에서도 광범위하게 연구되고 있습니다 [236]. 최근에는 인간 폐 섬유아세포 세포에서 miR-760 및 miR-186의 상향 조절이 복제 노화와 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 miRNA는 단백질 키나아제 2(CK2α)의 하향 조절에 의해 생성된 ROS에 의존하는 ROS-p53-p21Cip1/WAF1 경로를 통해 노화를 유도하기 위해 협력합니다. CK2 조절 메커니즘을 더 잘 이해하면 노인의 폐 기능을 회복할 수 있는 새로운 치료 옵션을 제공할 수 있습니다. miRNA가 ROS 신호 조절을 포함하여 세포 기능의 전사 후 조절에 중요하게 관여한다는 증거가 증가하고 있는 예는 그림 2에 밑줄이 그어져 있습니다.

Figure 2

ROS-mediated senescence.

Besides causing DNA damage and mitochondria dysfunction, OS activates p53 that, in turn, induces prooxidant genes and imbalances antioxidant genes induction. The set of alterations caused by ROS lead to induction of cell senescence, which, in turn, can develop both positive and negative effects; miR34a expression‎ increases with aging in many tissues downregulating SIRT1 protein activity (a longevity promoting factor) and PNUT protein (a DNA protecting factor which prevents telomere attrition and is involved in tissues repairs).

ROS 매개 노화. 

활성산소는 DNA 손상과 미토콘드리아 기능 장애를 유발할 뿐만 아니라 p53을 활성화하여 과산화 방지 유전자를 유도하고 항산화 유전자 유도의 불균형을 초래합니다. ROS에 의한 일련의 변화는 세포 노화를 유도하여 긍정적 및 부정적 영향을 모두 일으킬 수 있으며, 많은 조직에서 노화와 함께 miR34a 발현이 증가하여 SIRT1 단백질 활성(수명 촉진 인자)과 PNUT 단백질(텔로미어 감소를 방지하고 조직 복구에 관여하는 DNA 보호 인자)을 하향 조절합니다.

6. Conclusion and Future Perspectives

The multifactorial and inexorable phenomenon of aging worsens the human functions at multiple levels, causing a gradual reduced ability to resist stress, damage, and illness. Healthy aging appears to be an ideal healthcare priority that entails a better understanding of aging, with the aim of slowing down the process and preventing or even treating its related pathologies [200]. Indeed, genetic insights combined with findings from animal and cellular models have advanced our understanding of pathways that lead to age-related features, highlighting possible interventional targets [2–5]. The cellular senescence process is considered an aging hallmark, because it drives the cells through longevity, by hampering tumorigenesis and cell death, and is involved in many age-related diseases [97, 205, 206]. The cell senescence is a feature that characterizes somatic cells, except for most tumor cells and certain stem cells [6–10]. The senescent cells produce a specific secretoma that cause beneficial effects, through its autocrine and paracrine mechanisms. When the senescent cell program is inefficiently developed, as it occurs during the aging, the secretoma causes detrimental effects [151–153, 167, 168, 199]. In the recent years, evidence has been accumulating that ROS, which include H2O2, superoxide, anion, and hydroxyl radicals, generated from both intrinsic and extrinsic events, inhibit cell growth and induce cell death and senescence in a context-dependent manner [157, 236]. Through the understanding of the ROS role as signaling molecules in a myriad of signaling pathways, ROS levels are no longer considered as mere metabolic byproducts but are believed to be a “redox biology” that regulates physiological functions, including signal transduction, gene expression‎, and proliferation [37]. Firstly, it has been evidenced that the DNA damage caused by ROS acting as mutating agents contributes to the induction and maintenance of the cell senescence process [9, 156]. More recently, particular attention has been focused on the ROS involvement as signaling molecules in cell senescence induction, without causing DNA damage. Signaling pathways via Ras, p53, p21, and p16 have been defined to generate ROS, which may act as tightly regulated process contributing to the cell senescence induction [20, 157, 158]. Cause-effect relationships between cell ROS production and cell senescence have been investigated through diverse pathways that include the field of mitochondrial DNA and autophagy inhibition and the effects of the microRNAs miR-210 and miR-494 in various mitochondrial processes [159]. These pathways highlight ROS contribution to prime cell senescence at diverse levels, among which epigenetic level is attracting more and more attention in studies aimed at the senescence control [227, 233, 236]. Indeed, the epigenetic modulation provides the essential and flexible interface between the organisms and the environment, which results in being essential for all the cell functions [122, 123, 129], throughout the lifespan [135–137]. A major breakthrough in the last decades has been the understanding that epigenetics contribute to human diseases development.

In parallel, the “OS theory of aging” remains the most documented mechanistic hypothesis of aging, although it does not necessarily imply ROS imbalance as the earliest trigger or the main cause of aging [98–103]. Therapeutic ROS modulation is suggested as relevant in aging and related events [95, 96, 114]. Also, the senescent cells have been identified as a novel potential therapeutic target in the aging and age-related diseases [169, 171]. Further research is needed to define when and where cell senescence results in being favorable or unfavorable to organismal health. Both pro- and antisenescent therapies can be equally helpful, when they are opportunely modulated and balanced. Prosenescent therapies contribute to minimize damage in the cancer disease and in the active tissue repair by limiting proliferation and fibrosis, respectively, while antisenescent therapies may help to eliminate accumulated senescent cells and to recover tissue function. The current research points to a double objective: to define the changes about the redox-sensitive cell pathways and to define the OS role in linking environmental factors with epigenetic modifications.

Particular emphasis is addressed to novel mechanism of ROS and epigenetics in cell senescence and aging [160, 165, 166]. The histone demethylases network is often synergizing with the action of histone deacetylases, histone methyl transferases, and various nuclear transcriptional complexes, thus ensuring that the chromatinic environment is correct for the cell [128, 146]. Preclinical and clinical examples of ROS-dependent epigenetic modifications [125–127, 130–134, 138] extend their effects to aging [135, 136] and age-related diseases [137, 142–144, 146–149], particularly towards cancer disease [139–141, 145]. Among the noncoding RNAs, miRNAs families provide a broad silencing activity of mRNA targets, in a sequence dependent fashion that modulates the stress response [159]. Accumulating evidences show that stressors, including ROS, potentially alter the function of miRNA-processing in aging organisms, which renders the cells even more prone to stress, linking aging and cancer. Several miRNAs families induce ROS level increase in aging or target factors involved in the ROS signaling. In addition, ROS increase highly correlates with a specific miRNA dysregulation, which mediates the cross talk between p53, NF-κB p65, and ROS. All these events have been associated with cell senescence [203, 231, 232]. At the same time, certainly several miRNAs families are modulated by ROS in the development of mitochondria-mediated cell senescence, which are, indirectly or directly, implicated in human pathologies [159, 233, 236]. Because epigenome is so tightly regulated and complex, understanding individual modifications and their network of interaction offers the potential to design drugs that are very effective therapies against a number of diseases [124, 203–205, 219–222]. More reliable OS biomarkers, as well as OS related epigenetic mechanisms, have emerged over the last years as potentially useful tools to design therapeutic approaches aimed at modulating in vivo enhanced OS.

6. 결론 및 향후 전망
다인성적이고 냉혹한 노화 현상은 여러 수준에서 인체 기능을 악화시켜 스트레스, 손상 및 질병에 대한 저항 능력을 점진적으로 감소시킵니다. 건강한 노화는 노화 과정을 늦추고 관련 병리를 예방하거나 치료하는 것을 목표로 노화에 대한 더 나은 이해를 수반하는 이상적인 의료 우선 순위로 보입니다[200]. 실제로 동물 및 세포 모델의 연구 결과와 결합된 유전적 통찰력은 노화와 관련된 특징으로 이어지는 경로에 대한 이해를 발전시켜 중재 가능한 표적을 강조하고 있습니다[2-5]. 세포 노화 과정은 종양 형성과 세포 사멸을 방해하여 세포의 수명을 연장하고 많은 노화 관련 질병에 관여하기 때문에 노화의 특징으로 간주됩니다[97, 205, 206]. 세포 노화는 대부분의 종양 세포와 특정 줄기세포를 제외한 체세포를 특징짓는 특징입니다[6-10]. 노화 세포는 자가분비 및 파라크린 메커니즘을 통해 유익한 효과를 유발하는 특정 분비물을 생성합니다. 노화 과정에서 발생하는 것처럼 노화 세포 프로그램이 비효율적으로 개발되면 비밀종은 해로운 영향을 미칩니다 [151-153, 167, 168, 199].

최근에는 내인성 및 외인성 사건에서 생성되는

H2O2, 슈퍼옥사이드, 음이온, 하이드록실 라디칼을 포함하는 ROS가

상황 의존적으로 세포 성장을 억제하고

세포 사멸 및 노화를 유도한다는 증거가 축적되고 있습니다 [157, 236].

무수히 많은 신호 전달 경로에서

신호 전달 분자로서의 ROS 역할에 대한 이해를 통해

ROS 수준은 더 이상 단순한 대사 부산물로 간주되지 않고

신호 전달, 유전자 발현 및 증식을 포함한 생리적 기능을 조절하는 "산화 환원 생물학"으로 여겨지고 있습니다 [37].

먼저,

돌연변이 유발 물질로 작용하는

ROS에 의한 DNA 손상이

세포 노화 과정의 유도 및 유지에 기여한다는 사실이 입증되었습니다[9, 156].

최근에는

DNA 손상을 일으키지 않으면서

세포 노화를 유도하는 신호 분자로서의 ROS 관여에 특히 관심이 집중되고 있습니다.

Ras, p53, p21, p16을 통한 신호 경로는

세포 노화 유도에 기여하는 엄격하게 조절되는 과정으로 작용할 수 있는

ROS를 생성하는 것으로 정의되었습니다 [20, 157, 158].

세포 ROS 생성과 세포 노화 사이의 인과 관계는 미토콘드리아 DNA 및 자가포식 억제 분야와 다양한 미토콘드리아 과정에서 마이크로RNA miR-210 및 miR-494의 영향을 포함하는 다양한 경로를 통해 연구되었습니다 [159]. 이러한 경로는 다양한 수준에서 원시 세포 노화에 대한 ROS의 기여를 강조하며, 그중 후성 유전학적 수준은 노화 제어를 목표로 하는 연구에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다 [227, 233, 236]. 실제로 후성유전학적 조절은 유기체와 환경 사이의 필수적이고 유연한 인터페이스를 제공하며, 그 결과 모든 세포 기능[122, 123, 129]에 전 생애에 걸쳐 필수적인 역할을 합니다[135-137]. 지난 수십 년 동안 후성유전학이 인간의 질병 발생에 기여한다는 사실이 밝혀진 것은 중요한 돌파구였습니다

.
이와 동시에, "노화의 OS 이론"은 노화에 대한 가장 많이 문서화된 기계론적 가설로 남아 있지만, 반드시 ROS 불균형이 노화의 초기 유발 요인이나 주요 원인이라는 것을 의미하지는 않습니다 [98-103]. 치료적 ROS 조절은 노화 및 관련 사건과 관련이 있는 것으로 제안됩니다 [95, 96, 114]. 또한 노화 세포는 노화 및 노화 관련 질환에서 새로운 잠재적 치료 표적으로 확인되었습니다 [169, 171]. 세포 노화가 유기체 건강에 유리하거나 불리한 결과를 초래하는 시기와 위치를 정의하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 노화 촉진 요법과 노화 방지 요법 모두 적절하게 조절되고 균형을 이룰 때 똑같이 도움이 될 수 있습니다. 노화 촉진 요법은 각각 증식과 섬유화를 제한하여 암 질환의 손상을 최소화하고 활발한 조직 복구에 기여하는 반면, 노화 방지 요법은 축적된 노화 세포를 제거하고 조직 기능을 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재 연구는 산화 환원에 민감한 세포 경로에 대한 변화를 정의하고 환경 요인과 후성 유전적 변형을 연결하는 OS의 역할을 정의하는 두 가지 목표를 목표로 하고 있습니다.
특히 세포 노화와 노화에서 ROS와 후성유전학의 새로운 메커니즘에 중점을 두고 있습니다[160, 165, 166]. 히스톤 탈메틸화 효소 네트워크는 종종 히스톤 탈아세틸화 효소, 히스톤 메틸 전이 효소 및 다양한 핵 전사 복합체의 작용과 시너지 효과를 발휘하여 세포의 염색질 환경이 올바르게 유지되도록 합니다 [128, 146]. ROS 의존 후성유전학적 변형의 전임상 및 임상 사례[125-127, 130-134, 138]는 노화[135, 136] 및 연령 관련 질환[137, 142-144, 146-149], 특히 암 질환[139-141, 145]으로 그 영향을 확장합니다. 비코딩 RNA 중 miRNA 계열은 스트레스 반응을 조절하는 서열 의존적인 방식으로 mRNA 표적의 광범위한 침묵 활동을 제공합니다 [159]. 축적된 증거에 따르면 ROS를 포함한 스트레스 요인이 노화된 유기체에서 miRNA 처리 기능을 잠재적으로 변화시켜 세포가 스트레스에 더욱 취약해져 노화와 암이 연결될 수 있습니다. 여러 miRNA 계열은 노화에서 ROS 수준 증가를 유도하거나 ROS 신호에 관여하는 인자를 표적으로 삼습니다. 또한 ROS 증가는 p53, NF-κB p65 및 ROS 간의 교차 대화를 매개하는 특정 miRNA 조절 이상과 높은 상관관계가 있습니다. 이러한 모든 사건은 세포 노화와 관련이 있습니다[203, 231, 232]. 동시에, 미토콘드리아를 매개로 하는 세포 노화의 발달 과정에서 ROS에 의해 여러 miRNA 계열이 조절되며, 이는 인간 병리에 직간접적으로 관여합니다 [159, 233, 236]. 후성유전체는 매우 엄격하게 조절되고 복잡하기 때문에 개별 변형과 그 상호작용 네트워크를 이해하면 여러 질병에 매우 효과적인 치료제를 설계할 수 있는 잠재력을 제공합니다[124, 203-205, 219-222]. 지난 몇 년 동안 보다 신뢰할 수 있는 OS 바이오마커와 OS 관련 후성유전학적 메커니즘이 생체 내 강화된 OS를 조절하는 것을 목표로 하는 치료 접근법을 설계하는 데 잠재적으로 유용한 도구로 부상하고 있습니다.

Acknowledgments

The authors sincerely apologize to colleagues whose work they could not include due to space limitations.

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Abbreviations

AP-1:	Activator protein-1
DDR:	DNA Damage Response
FOXO3a:	Forkead homeobox type O
HIF-1a:	Hypoxia inducible factor-1a
hTERT:	Human telomerase reverse transcriptase
miRNA, miR:	MicroRNA
JAK/STAT:	Janus kinase/signal transducers and activators of transcription
Nox:	NADPH oxidases
NF-κB:	Nuclear factor kappa B
NS:	Nitrosative stress
Nrf2-ARE:	NF-E2-related factor 2 binding to the antioxidant responsive elements
p53:	Tumor suppressor p53
OS:	Oxidative stress
PPARγ:	Peroxisome proliferator-activated receptor gamma
RNS:	Reactive Nitrosative Species
ROS:	Reactive Oxygen Species
SA-βgal:	Senescence-associated β-galactosidase
SOD:	Superoxide dismutase.