génétique et epigénétique du vieillissement · 2016. 3. 18. · génétique et epigénétique...

Génétique et Epigénétique du Vieillissement

Jean Mariani, Université P. & M. Curie, Paris Capacité de Gérontologie,09 février2015.

Espérancedevie

77,5 ans pour les hommes 84,4 ans pour les femmes Augmente d’un trimestre tous les ans

16,2 % des personnes en France ont plus de 65 ans

Chiffres INSEE 2007

VieillissementàdifférentsniveauxCellules Organes Organismes

MAIS…Lesindividusnesontpas

desimples«sacsd’organes»

Et de plus, … ils forment des groupes sociaux : famille, tribus, sociétés … Objet d’études nécessairement inter et pluridisciplinaires

VieillissementSBgmatescellulairescommuns

Vieillissement=>déclindesperformanceetdéficitspourla

plupartdesgrandesfoncBonsphysiologiques

Ilexisteuncorpusd’anomaliesélémentairesdontl’intensitéaugmenteavecl’âge,

etquisous-tendentlaplupartdecesdéficits

Senescenceréplica-ve(horlogetélomérique)Inflamma-on

Stressoxyda-f–radicauxlibresDégrada-onetélimina-ondesprotéines(protéasome–autophagie)

Répara-ondel’ADN

CesdysfoncBonnementsabouBssent àdesétatsdesouffrancepuisdemortcellulaire

L’une des différences fondamentales entre les cellules normales, dites aussi primaires, et les cellules tumorales est la capacité différente de prolifération in vitro de ces dernières. Les cellules tumorales peuvent proliférer indéfiniment et sont donc décrites comme immortelles (ex : cellules He La, 1952 !! Carcinome cervical)) À l’inverse, les cellules primaires ont une durée de vie limitée, c’est-à-dire qu’en culture elles ne se divisent que durant une période de temps restreinte et subissent un arrêt irréversible dans la phase G1 du cycle cellulaire, appelé sénescence cellulaire ou réplicative

Sénescence Cellulaire

Repiquages successifs: à la confluence, l’inhibition de contact stoppe l’entrée dans le cycle

Cellules immortelles = nombre de passages illimités

Cellules en culture primaire = nombre de passages limités

Horlogebiologiquecellulaire50divisionsdefibroblastesenculture:lalimitedeHayflick(1959)

rôledunombrededivisionsetnondutempsécoulé:sénescenceréplica3veLenombremaximaldesdivisionscellulairesvarieenfoncBondel’âgeetdes

espèces =>fibroblastesdefœtus:50cycles =>fibroblastesadulte:40cycles =>fibroblasteshommede80ans:30cycles

LasénescenceinvitropeutdoncexpliquerenparBelevieillissementin-vivo

lenombredecyclescellulairesd'unfibroblasteen culturediminueavecl'âgedudonneur

NOMBREDEDIVISIONSLIMITESAUFpourCELLULESIMMORTELLES:=>lignéescellulairesimmortalisées=>cellulessouchesembryonnaires

Cellulesimmortelles:aucunelimitedunombrededivisionsCellulestransformées:divisionsindépendantesdelaprésencedefacteursmitogènes

Lescellulesgardenten«mémoire»l’histoiredeleursdivisions

Extrémitédeschromosomes Télomères

Enzymesquicopientlesextrémités Télomérases

Chromosome Ends are specialized structures called Telomeres

Blue = chromosomes White = Telomere protein

Lalongueurdestélomères«décide»dunombrededivisionsetdeladuréedevie

denoscellulesLaréducBontélomèriqueestunecaractérisBqueduvieillissementcellulaireetdelasénescence

Lestélomères:composésdecentainesd’élémentsnucléoBdiquesrépéBBfsplacésentandemdanslesrégionsterminalesdechaquechromosome(rôleprotecteur)-Extrémitésdeschromosomes(linéaires)nonrépliquéesparl’ADNpolymérase• Taillede5-15kbchezl’homme:séquencesnoncodantes• RépéBBons(TTAGGG)n• laséquencetélomériqueseraccourcitàchaquedivisioncellulaire(50-200pb/mitose)invitromaisaussiinvivodansdesBssushumainssenescents• Réserved’unecinquantainedemitoses

Télomères-TélomérasesAction de la télomérase

Modification de l’activité « télomérase » au cours d’une vie

RNA

Protein

’3 5’

C A A U C C C A A U C

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’ 3’

(TTAGGG)n

dGTP

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

12

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

RNA

’3 5’

C A A U C C C A A U C

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T

13

RNA

’3 5’

C A A U C C C A A U C

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

14

RNA

’3 5’

C A A U C C C A A U C

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

15

RNA

’3 5’

C A A U C C C A A U C

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T A G G G T T

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

16

RNA

’3 5’

C A A U C C C A A U C

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T A G G G T T

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

17

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T A G G G T T

primer

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

18

DNA polymerase

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T A G G G T T

primer

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

19

DNA polymerase

G G G T T

(AATCCC)n

A

5’

(TTAGGG)n A G G G T T A G G G T T

C A A T C

primer

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

20

DNA polymerase

G G G T T

(AATCCC)n

A (TTAGGG)n A G G G T T A G G G T T

C A A T C C A A T C C T C C

TélomeraseUnetranscriptaseinversequiallongel’ADNtélomérique

21

Activité télomérase dans les tissus

22

Longueur des télomères

Divisions cellulaires

Lignée germinale (télomérase+)

M1

12

4,5

( kb)

Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x

0

0

12

124,5Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur

ARRÊT DU CYCLE

Cellules immortelles

P53+

Quelestlesignalenvoyéparlestélomèresendessousd’unelongueurcriBque??Commentlecycleest-ilarrêtéenG1?P53?et/ouP16

P21

23

Vieillissement:dessBgmatescellulairesetmoléculairescommunsauxdifférentsBssus

Vieillissement=>déclindesperformanceetdéficitspourla

plupartdesgrandesfoncBonsphysiologiquesIlexisteuncorpusdephénomènesélémentaires,quise

modifientavecl’âge,etquisous-tendentlaplupartdesdéficitsphysiologiques

Senescenceréplica-ve(horlogetélomérique)Inflamma-on

Stressoxyda-f–radicauxlibresDégrada-onetélimina-ondesprotéines

(protéasome–autophagie)Répara-ondel’ADN

CesdysfoncBonnementspeuventabouBràdesétatsdesouffrancepuisdemortcellulaire(apoptose….)

Défenses antioxydantes Sources endogènes Sources exogènes

ROS ONOO-

H2O2 RO.

O2.-

NO.

ROO. NO2

OH.

•  Systèmes enzymatiques: CAT, SOD, GPx

•  Systèmes non-enzymatiques Glutathion et vitamines (A, C et E)

Taux basal Taux élevé

•  Mitochondries •  Péroxysomes •  Lipoxygénases •  NADPH oxydase •  Cytochrome P450

•  UV •  Radiations ionisantes • Toxines •  inflammation (cytokines)

Homéostasie •  Croissance normale •  métabolisme normal

Altération des fonctions physiologiques •  vieillissement •  maladie •  mort cellulaire

Origine et réponses cellulaires aux ROS reactive oxygen species (ou ERO: espèces réactives à l’oxygène)

Les principales cibles des ROS dans la cellule Oxydation de l’ADN

mutations : la guanine peut réagir avec 1 radical hydroxyl : 8 hydroxyguanine

Coupures simple brin et double brin

Délétions (ADN mitochondrial)

Oxydation des lipides

Oxydation des phospholipides des membranes Formation de peroxydes lipidiques - 4-hydroxynonenal (4-HNE) - malonaldéhyde (MDA)

Oxydation des protéines Modifications oxydatives multiples (carbonyles)

Protéasome machinerie d’élimination des protéines endommagées

complexes enzymatiques multi-protéiques qui a pour fonction de dégrader les protéines mal repliées, dénaturées

Commentmejreenévidencel’existence de«gènesdelalongévité»?

Dequelstypesdegèness’agit-il?Peut-onenmodifiantlesgènesagirsurlevieillissement?Quelssontlesautresfacteurs quipeuventinfluencerlalongévité?

Gènesetlongévité:quesBonsclés

Longévité:généBquementprogrammée?Aspectinter-spécifique

DifférenteselonlesespècesQuelquesexemples…

Durée de vie maximale dans une espèce: un déterminisme génétique vraisemblable

Tortue 200 ans

Homo sapiens 100 ans

Souris 2 ans

Mouche 2-3 semaines

C. Elegans 1 mois

NoBondemodèlesanimauxLa découverte de gènes impliqués dans la longévité n’a été possible que grâce à des systèmes modèles simples

En manipulant les gènes, on peut changer la durée de vie

Technique du « knock out »

© La recherche

souris drosophile C. elegans levure

Unmodèleincontournabledansl’étudeduvieillissement

Caenorhabdi,selegans

Ver nématode 1 mm de long

Nombre de cellules fixe Génome totalement séquencé

Le vieillissement de C. elegans

Jeune adulte Adulte “vieux”

Cycledevieduc.elegans

En cherchant les gènes régulateurs de l’entrée en dormance on a trouvé les premiers gènes impliqués dans la longévité

Egg

L1

L2

L3

L4

Adultdauer

En état de dormance (dauer), la larve peut vivre jusqu’à 7 fois plus longtemps

LepremiergèneidenBfiédaf-2dafpourdauerformaBon

Kenyon 1993

Le gène daf-2 code pour le récepteur à l’insuline de C. elegans

daf-2 fait partie d’une voie de signalisation qui comprend en aval le gène daf-16/foxo-3

C. elegans muté pour daf-2 vit deux fois plus longtemps que la souche non mutée

Voie de signalisation de l’insuline

De l’insuline à l’ADN…

«Voiedel’insuline»

unevoiequiagitdanslevieillissement

Voie très conservée entre les espèces !

Durée de vie augmentée chez des souris mutées pour IGF-1R

IGF-1R pour insulin-like growth factor type1 receptor

Martin Holzenberger et al, 2003 - Nature

Femelles : longévité augmentée de 33%

Males : longévité augmentée de 16% Les souris mutées vivent plus longtemps mais elles sont plus petites

La voie de l’insuline contrôle des gènes multiples impliqués dans les phénomènes cellulaires en particulier le stress oxydatif

Biendesgènespeuventchangerladuréedevie

•  Klotho(-/-)–  Réduitladuréedevieetaccélèrelevieillissement–  Inhibel’insulineetlavoiedesignalisaBonde

l’insuline•  Thioredoxinsur-expression

–  GèneanB-oxydant–  Allongeladuréedeviede22-35%

•  Peroxiredoxin(-/-)–  Enzymed’éliminaBondesradicauxlibres–  Diminueladuréedevie–  Induitdesanémiesetdescancers

•  MutaBonquitouchentlaréparaBondel’ADN–  Réduitladuréedevie

(p53mutaBons,XPDTTD(5’->3’helicase),Wrn(DNAhelicase))

En manipulant tous ces gènes, on peut fabriquer de multiples modèles animaux

Etl’Hommedanstoutcela?C’estmoinsclair!

Complexitédel’étudechezl’homme onnepeutpasfairelesmêmesexpériences duréeviepluslongue problèmeséthiques …

Étudesgéné3queschezl’homme cohortedejumeaux(Scandinavie) quesBonnaire analysedupolymorphisme choixdegènescandidats

Seulementdeuxgènesclairementassociésàlalongévité

APOEetfoxo-3

Perspectives : Génotypage à grande échelle

Iln’yapasquelesgènesdanslavie!

Même dans la vie simple de C. elegans

RéparBBondeladuréedeviedesversC.eleganssauvageset

mutants

A l’intérieur de chaque groupe variabilité interindividuelle importante qui reflète l’influence de facteurs non génétiques

0 5

10 15 20 25 30 35

0 10 20 30 40 50 Jours

No

dyin

g

Kirkwood & Finch Nature 2002

Durée de vie : individu / groupe

Importance des facteurs d’environnement et du mode de vie

Facteurs nutritionnels: restriction calorique

Facteurs psycho-moteurs: activité physique, stimulation cognitive

EffetdelarestricBoncalorique

Mc Kay et coll. 1935, 1ère étude sur le rat ü  Augmentation de la durée de vie maximale ü  Augmentation de la durée de vie moyenne ü  Diminution des affections cardiaques, rénales et des cancers

ü  Augmentation de la durée de vie maximale ü  Augmentation de la durée de vie moyenne (même si la restriction est démarrée à partir de 12 mois) ü  Effet « dose-réponse ». Réduction de 65% de calories entraîne une augmentation de 60% de la durée de vie.

Effet de la restriction calorique chez la souris

Effet de la restriction calorique chez le rat

Singes rhésus : durée de vie longue (40 ans), Caloric restriction delays disease onset and mortality in rhesus monkeys (Colman et al Science 2009)

Restriction calorique de 40% appliquée dès la naissance

ModificaBondel’expressiondegènes:larestricBoncaloriquemodifielemétabolisme

énergéBque

Extraction du tissu musculaire (muscle gastrocnémien)

Extraction des ARNms

cDNA marqués différentiellement par des fluorochromes

souris jeune souris vieille souris restreinte Hybridation sur puces à ADN

Analyses statistiques 6347 gènes analysés (15-20% du génome ) -  au cours du vieillissement 55 présentent une diminution de plus de 2 fois -  58 présentent une augmentation de plus de 2

- La plupart des modifications sont annulés par la Restriction calorique (84%) +++

LarestricBoncaloriqueagitenacBvantunefamilledeprotéines,lessirtuines

Caloric restriction

Les sirtuines sont des histones déacetylases qui régulent l’accessibilité aux promoteurs des gènes cibles sur l’ADN

Souris KO ou surexprimant les sirt

RestricBonCalorique:conclusions

•  LaRCaugmentelalongévitédansungrandnombred’espècesétudiées(processusuniversel).

•  LaRCn’estpasunprocessuspassif,c’estunprocessusréguléquirequiertl’expressiondeprotéines(Sirtuines)

•  Ceprocessusestdépendantdel’augmenta3ondelarespira3oncellulaire etd’uneaugmenta3ondunombreetdelafonc3ondesmitochondries.

•  Est-celaRCquiprolongelavieoulasurnutri3onquilaraccourcit(étudesursourisobèsesetsurdessujetsensurpoids?

RestricBoncaloriquechezl’homme:difficile!Lecasdel’iled’Okinawa

ü  Durée de vie moyenne la plus longue.

ü  Proportion de centenaires la plus élevée (3 fois plus élevée que dans le reste des pays développés = 10 centenaires/100 000 habitants).

ü  Restriction calorique traditionnelle : le « hara hachi bu » (ne manger que jusqu’à être 80% plein). Consommation de 40% de calories en moins que les américains et 17% de moins que les japonais.

ü  Alimentation saine : peu de graisses, beaucoup de fruits et légumes.

Unexemple:lespolyphénolsleplusconnuestleresvératrolprésentdanslevinrouge

agitcommeunacBvateurdessirtuines

Des agents pharmacologiques qui activent les sirtuines

49

SBmulaBonsmotricesetcogniBves•  Exercicephysique:acBonsurl’ensembledel’organismey

comprislecerveau•  AcBvitéscomplexes:motricesetcogniBves:

– Environnementenrichi– Réalitévirtuelle…

•  Etudeschezl’animaletchezl’Hommeaucoursduvieillissement

normalet/oupathologique

Nithianantharajah and Hannan Nature Reviews Neurosci (2006)

Les phénomènes induits par l’environnement

enrichi sont analysés au niveau cellulaire et moléculaire

En particulier induction de la synthèse périphérique et

centrale de facteurs trophiques

type BDNF, IGF-1, VEGF..

Etjusqu’àprésentjen’aipasparlédemaladies…

Ostéoporose Athérosclérose Cancer Alzheimer

La liste pourrait être longue ….

Existe-t-il des « maladies du vieillissement ? » En première approximation… très rares !

Fréquence des maladies augmente avec l’âge

Progéria

15 ans 48 ans Syndrome de Werner

Maladies du vieillissement

Maladies:causessouventidenBfiées

Maladie:l’effetdutempsestimportant accumulaBondedéficits gènesdesuscepBbilité…

delaprobabilitéd’appariBon demaladiesplusonavancedansl’âge

=> Sujets âgés malades souvent poly-pathologiques

=> Chez les sujets âgés : fragilité - vulnérabilité

FronBères«maladie/vieillissement» enthéorieclaires enréalitéplussubBles

Dansbeaucoupdemaladies,lesmécanismesélémentaires quel’onadécritdanslevieillissement sontaussilesacteursdelapathologie…

Cequichange c’estlefacteurdéclenchant etledegrédecesphénomènes

Corpus d’anomalies communes

Interactions entre Age, maladies, facteurs génétiques et d’environnement

Les réseaux de gènes (des milliers) impliqués dans le contrôle de la longévité interagissent de façon très complexe avec les réseaux de gènes (des milliers) modifiés par une situation pathologique donnée

Avenir : analyse de ces interactions par une nouvelle discipline la biologie systémique permettant (peut-être) de dégager de nouvelles cibles thérapeutiques par exemple des gènes régulateurs (facteurs de transcription, récepteurs nucléaires…)

Merci de votre attention !

daf-16/FoxoagitàdifférentesétapesducycledeviedeC.elegans

« Dauer » Larve dormante

Dépisteretsupprimerles«bourreaux»ducerveauHypertensionartérielle,diabète,hypercholestérolémie,tabagismeetexcès

d’alcoolPraBqueruneacBvitéphysiqueadaptéemaisrégulière

acBonsurlaproducBonintracérébraledefacteursneurotrophiquesAvoiruneacBvitéintellectuellemaintenueervariée

privilégiantl’adaptaBonàl’imprévu,l’anBcipaBonetleplaisirMaintenirunepersonnalitéopBmisteÉviterlesstresschroniques(glucocorBcoïdesethippocampe)

Quelques règles pour lutter contre le vieillissement des neurones…

Nouveauté: activités évaluées / testées comme l’effets des médicaments connaissance des mécanismes élémentaires

Vieillissement: des souris et des hommes

AGE (log)

For

me

M

alad

ies

(Can

cer,

osté

opor

oses

, dia

bète

s, e

tc.)

18 mois 50 ans

SOURIS HUMAINS

Les souris et les humains ont 97% de gènes en commun

Unparadoxe…

DéterminismegénéBqueinter-espècealorsquelesgènessonttrèsconservésaucoursdel’évoluBonetentrelesdifférentesespècesOnnesaittoujourspaspourquoilessourisnepeuventpasvivreplusde4ansalorsqueleshommespeuventvivreplusde100ans!

Un petit nombre de gènes régulateurs / gènes maîtres ?

LesmécanismesdelaRestricBonCalorique:hypothèseiniBale

Restriction calorique

Diminution du métabolisme cellulaire ???

Diminution des dommages oxydatifs sur l’ADN, les lipides et les protéines

Longévité

StressoxydantetRestricBoncalorique

Résultats identiques dans le cerveau et le cœur

rein

Leresvératrol:mimedelaRC

•  Polyphénolquel’ontrouvedansleraisin,lesmûres…

•  PrésentenquanBtéimportantedanslevin

•  Biodisponibilitéimportante

•  EffetanB-oxydant(chélateursdemétauxetneutralisentlesradicauxpéroxylesLOO.enradicauxhydroxyleLOOH,moinsréacBfs)

•  Effetbénéfiquesurlesmaladiescoronariennes(paradoxefrançais),l’inflammaBon,lemainBendelamasseosseuse,laréducBondelamasseadipeuse,laneuroprotecBon,levieillissement.

•  Augmentelalongévitédansplusieursespèces

leresvératrolagitcommeunacBvateurdessirtuines

resvératrol

Leresvératrolallongeladuréedelaviedeplusieursorganismes

?