Regulation of cell proliferation and differentiation by p38 MAPK in distinct physiopathological processes

Abstract

The p38 mitogen activated protein kinase (MAPK) has a crucial role in cells’ stress adaptation and survival. It also plays a role in physiological processes such as differentiation of skeletal muscle or in pathologies such as cancer.

In response to environmental stresses, a delay in cell cycle progression is required for cell adaptation. In the present study, we demonstrate that p38 MAPK maximizes cell survival upon stress by downregulating the E2F transcriptional program through the direct targeting of Retinoblastoma (RB) protein, a key regulator of the G1/S transition. p38 phosphorylation of RB at specific sites in the N terminus increases its affinity towards E2F, represses E2F-driven gene expression, and delays cell-cycle progression. These phosphorylation events render RB insensitive to CDK regulation, converting it into a strong suppressor of cell proliferation. Remarkably, the expression of a phosphomimetic RB mutant in cancer cell lines reduces colony formation and decreases their proliferative and tumorigenic potential in a mouse xenograft model.

The p38 MAPK signaling pathway is also a major regulator of myogenesis (the process whereby quiescent muscle stem cells -satellite cells- expand and differentiate to form muscle fibers), by inducing cell cycle withdrawal and the expression of the muscle-specific transcriptional program. RB is also a regulator of the myogenic differentiation process. We explored the possible role of p38 in muscle cell differentiation using normal myoblasts and rhabdomyosarcoma (RMS) cells (which are defective in p38 MAPK activation), via RB phosphorylation. Our results strongly suggest that, despite the important role of p38 for differentiation of both myogenic models, this function does not depend on p38-phosphorylated RB.

p38 MAPK has also been associated to aging of muscle stem cells. Aged satellite cells have a cell-autonomous increase in the activity of p38, thus contributing to defective control of quiescence, expansion and self-renewal capacities. In this study we show that p38α-deficient aged satellite cells display an increased proliferative capacity and reduced levels of senescence-associated markers. Moreover, we demonstrate that attenuation of p38 signaling enhanced the regenerative capacity of aged satellite cells. These findings have potential biomedical implications for regeneration of old skeletal muscle.

p38 MAPK tiene un papel fundamental en la adaptación al estrés y la supervivencia celular. Además, también regula otros procesos fisiológicos como la diferenciación del músculo esquelético o patologías como el cáncer.

En respuesta a estrés, la célula requiere un retraso en la progresión del ciclo celular para adaptarse. En el presente estudio, demostramos que p38 MAPK maximiza la supervivencia celular en repuesta a estrés mediante la regulación negativa del programa E2F actuando directamente sobre la proteína Retinoblastoma (RB), un regulador clave de la transición G1/S. p38 fosforila a RB en sitios específicos en el extremo N terminal, aumenta su afinidad hacia E2F, reprime la expresión génica dirigida por E2F y retrasa la progresión del ciclo celular. Estas fosforilaciones hacen que RB sea insensible a la regulación por CDKs, convirtiéndolo en un fuerte supresor de la proliferación celular. Sorprendentemente, la expresión de un mutante RB fosfomimético en líneas celulares de cáncer reduce la formación de colonias y disminuye su potencial proliferativo y tumorogénico en un modelo de xenoinjerto en ratón.

La vía de señalización de p38 MAPK es también un importante regulador de la miogénesis (el proceso por el cual las células madre musculares -células satélite- en quiescencia se expanden y diferencian para formar fibras musculares), mediante la inducción de una parada del ciclo celular y la expresión del programa transcripcional específico del músculo. Hemos estudiado el posible papel de p38 en la diferenciación miogénica, empleando modelos de mioblastos normales y de células de rhabdomyosarcoma (RMS) (los cuales tienen un defecto en la activación de p38), a través de la fosforilación de RB. Nuestros resultados sugieren que, a pesar de la importancia de p38 en la diferenciación de ambos modelos miogénicos, dicha function no depende de la fosforilación de RB por p38.

p38 MAPK también se ha asociado al envejecimiento de las células madre musculares. Las células satélite envejecidas sufren un aumento en la actividad de p38, lo que contribuye a una deficiente capacidad para mantener la quiescencia, expansión y autorrenovación. En este estudio, mostramos que las células satélite envejecidas deficientes en p38α muestran una capacidad proliferativa aumentada y niveles reducidos de marcadores asociados a la senescencia. Además, demostramos que la atenuación de la señalización por p38 aumenta la capacidad regenerativa de las células satélite envejecidas. Estos hallazgos tienen potenciales implicaciones biomédicas para la regeneración del músculo esquelético durante la vejez.