Cellular Senescence as a Regulated Regenerative Program: Spatiotemporal Dynamics in Skin Repair and Aging

Abstract

Zelluläre Seneszenz wurde lange als ein langsam akkumulierender, stochastischer Zellzustand betrachtet, der zur Alterung und zu altersassoziierten Erkrankungen beiträgt. Seneszente Zellen erfüllen jedoch auch essenzielle Funktionen in der Embryonalentwicklung und der Wundheilung, woraus sich ein grundlegendes Paradoxon ergibt: Wie kann derselbe zelluläre Phänotyp einerseits für die Gewebereparatur förderlich und andererseits im Verlauf der Alterung schädlich sein? Die vorliegende kumulative Dissertation adressiert dieses Paradoxon, indem sie die Entstehung, räumliche Organisation und Funktion zellulärer Seneszenz in der kutanen Wundheilung untersucht und die gewonnenen Erkenntnisse in ein übergreifendes konzeptuelles Rahmenwerk einbettet, das Entwicklung, Regeneration und Alterung umfasst.Unter Verwendung von Verletzungsmodellen mit hoher zeitlicher Auflösung in Mäusen und Schweinen zeigt diese Arbeit, dass Hautverletzungen innerhalb von Minuten über einen transkriptionsunabhängigen Mechanismus Seneszenz induzieren. Keratinozyten halten präexistente p21-mRNA in einem nukleären Retentionskomplex vor und translatieren diese nach Verletzung rasch, wodurch eine „programmierte schnelle Seneszenz" ausgeführt wird. Diese p21-positiven Zellen entstehen nicht stochastisch, sondern in einem räumlich deterministischen Muster innerhalb einer durch phosphoryliertes rpS6 definierten Gewebeaktivierungszone am Wundrand. Die genetische und pharmakologische Depletion p21-positiver Zellen während der akuten Wundphase beeinträchtigt die Reepithelisierung, wohingegen eine Depletion in der Spätphase keinen Effekt zeigt – dies belegt, dass frühe seneszente Zellen funktionell für die Reparatur erforderlich sind. Diese pro-regenerative Rolle ist mechanistisch mit der Sekretion von Epigen verknüpft, einem niedrigaffinen EGFR-Liganden, der als einzigartiger Faktor des seneszenzassoziierten sekretorischen Phänotyps in wundresponsiven Keratinozyten identifiziert wurde. Die Analyse von rpS6-Phosphorylierungs-defizienten Mäusen offenbart darüber hinaus eine beeinträchtigte p21-Induktion am Wundrand, und die vorliegende Arbeit stellt die Hypothese auf, dass die rpS6-Phosphorylierung einen selektiven translationalen Vorteil für Transkripte mit kurzer kodierender Sequenz verleiht, darunter p21 und p16, wodurch die räumliche Aktivierungszone mit der Regulation des Seneszenzeintritts verknüpft wird.Ein umfassender Übersichtsartikel erweitert diese Befunde durch die Synthese vorhandener Evidenz zur Lokalisation seneszenter Zellen in Entwicklung, Wundheilung und Alterung. Organspezifische Akkumulationsmuster bei altersassoziierten Erkrankungen, darunter die chronische Nierenerkrankung und die nichtalkoholische Fettlebererkrankung, bestätigen, dass seneszente Zellen konsistent an Orten erhöhter Stressbelastung auftreten und sich nicht zufällig verteilen. Aus diesen Beobachtungen wird ein vereinheitlichendes Rahmenwerk vorgeschlagen, in dem seneszente Zellen als „Barrieren" fungieren, die die Gewebeintegrität an feindlichen Grenzflächen aufrechterhalten, sowie als „Dirigenten", die das Verhalten umliegender Zellen durch parakrine Signalgebung orchestrieren. Zur Ermöglichung einer therapeutischen Translation wurde eine robuste ex-vivo-Plattform auf Basis porziner Haut etabliert, die die Kinetik der schnell einsetzenden Seneszenz rekapituliert und ein zeitlich gezieltes Wirkstoffscreening erlaubt.Zusammenfassend rekonzeptualisiert diese Dissertation Seneszenz als ein schnelles, räumlich organisiertes Programm zur Regenerationsinitiierung, das erst bei chronischer Aufrechterhaltung pathologisch wird. Dies legt nahe, dass ein dauerhafter Anti-Aging-Nutzen eher die Modulation vorgeschalteter Auslöser erfordert, als die unterschiedslose Eliminierung seneszenter Zellen.

Cellular senescence has long been regarded as a slowly accumulating, stochastic cellular state that contributes to aging and age-related disease. However, senescent cells also fulfill essential roles in embryonic development and wound healing, creating a fundamental paradox: how can the same cellular phenotype be both beneficial for tissue repair and detrimental during aging? This cumulative thesis addresses this paradox by investigating the formation, spatial organization, and function of cellular senescence in skin wound healing, and by extending these findings into a broader conceptual framework spanning development, regeneration, and aging.Using high-temporal-resolution injury models in mice and pigs, this work demonstrates that skin injury induces senescence within minutes through a transcription-independent mechanism. Keratinocytes maintain pre-existing p21 messenger ribonucleic acid (mRNA) in a nuclear retention complex and rapidly translate it upon injury, executing "programmed rapid senescence." These p21-positive cells arise not stochastically but in a spatially deterministic pattern within a phosphorylated rpS6 tissue activation zone at the wound edge. Genetic and pharmacological depletion of p21-positive cells during the acute wound phase impairs re-epithelialization, while late-phase depletion has no effect, establishing early senescent cells as functionally required for repair. This pro-regenerative role is mechanistically linked to secretion of Epigen, a low-affinity EGFR ligand identified as a unique senescence-associated secretory phenotype factor in wound-responsive keratinocytes. Analysis of rpS6 phospho-deficient mice further reveals impaired p21 induction at the wound margin, and this thesis hypothesizes that rpS6 phosphorylation confers a selective translational advantage to short coding-sequence transcripts, including p21 and p16, thereby linking the spatial activation zone to the regulation of senescence onset.A comprehensive review extends these findings by synthesizing evidence on senescent cell localization across development, healing, and aging. Organ-specific accumulation patterns in age-related diseases, including Chronic Kidney Disease and Non-Alcoholic Fatty Liver Disease, confirm that senescent cells consistently occupy sites of heightened stress rather than distributing randomly. From these observations, a unifying framework is proposed in which senescent cells serve as "barriers," maintaining tissue integrity at hostile interfaces, and "conductors," orchestrating surrounding cell behavior through paracrine signaling. To enable therapeutic translation, a robust ex vivo porcine skin platform was established that recapitulates rapid-onset senescence kinetics and permits temporally targeted drug screening.Collectively, this thesis reframes senescence as a rapid, spatially organized regeneration-initiation program that becomes pathological only when chronically sustained, suggesting that durable anti-aging benefit may require modulation of upstream triggers rather than indiscriminate elimination of senescent cells.