biologie cellulaire du

vieillissement

Hang Korng Ea

Vieillissement : généralités

• Durée de vie différente suivant les espèces

• Ressemblance familiale de la durée de vie (familles de centenaires)

• Maladie humaines dues à des mutations dans un seul gène responsable de vieillissement accéléré

• → control génétique du vieillissement

• → « environnement » et vieillissement

l’accumulation des radicaux libres et nutrition

Biologie du vieillissement : les modèles (1)

• Modèle in vitro

• cultures de fibroblastes : arrêt de la prolifération

après 25 à 50 cycles = sénescence réplicative

ou modèle de Hayflick

• Prolifération cellulaire varie en fonction de l’âge

du donneur

• Nombre de cycles de réplication // durée de vie

Biologie du vieillissement : les modèles (2)

Modèles in vivo

• Maladies humaines monogéniques avec

vieillissement prématuré

• Modèles murins

– race de souris avec vieillissement prématuré

– souris invalidées pour un gène

– Modification de facteurs environnementaux

entrainement une modification du vieillissement

Gènes et vieillissement

• Raccourcissement des télomères

• Gènes impliqués dans les pathologies

monogéniques humaines du vieillissement

Structure des télomères

• Télomères : hétérochromatine constitutive : présence de protéine HP1 (Heterochromatin Protein) et histone H3 méthylé. Séquence répétée TTAGGG

• Télomérase = reverse transcriptase, présente uniquement dans les cellules germinales, cancéreuses et souches

• TRF1 (Telomere Repeat binding Factor) et 2 complexes protéiques comprenant des protéines ayant aussi un rôle dans la stabilité et la réparation de l’ADN et encadrant les séquences répétées: permet la formation des boucles protectrices

• En l’absence de télomérase, raccourcissement de plusieurs dizaines de nucléotides/an

Anne Bigot

Anne Bigot

Anne Bigot

Anne Bigot

Anne Bigot

amorce

Anne Bigot

Taille des télomères et sénescence

Pas assez de télomérase → Raccourcissement des télomères avec l’âge dans les

cellules somatiques → Altération ADN, instabilité génétique

Rôle de la télomérase in vivo

• Souris invalidées pour le gène de la

télomérase

– Longévité diminuée

– Perte de fertilité

– Atrophie de plusieurs tissus, insuffisance

rénales

– Moins de cancer (≠ vieillissement chez

l’homme)

– de p53 dans les tissus

Sénescence cellulaire et télomères

•Transfection des fibroblastes avec htert

→ plus de sénescence, cellules immortelles

• Pas idem dans les autres cellules

• Diminution des télomères →

p53 car reconnu comme cassure ADN →

arrêt du cycle et apoptose

CDK (4) Cycline (D) p21

Fin G1

si lésion de l’ADN

Gène de p21

Synthèse p53

pRb facteur de transcription

Promoteur d'un gène impliqué dans la réplication ADN

Ralentissement du cycle

CDI = CDK inhibiteur et sénescence

sénescence

Sénescence, cycle cellulaire et

télomères

• cellules sénescentes.:

– p16 et p21 (CDI)

– P19 arf inhibition de MDM2 (=E3 ubiquitine ligase) qui

dégrade p53 p53

• Si transfection htert + inactivation de p16 → toutes cellules deviennent immortelles

Gènes suppresseurs de tumeur,

sénescence et télomères

• Certaines cellules peuvent surmonter la « barrière » p53 et sont en « crise » = instabilité génétique importante apoptose.

• Si adjonction télomérase (immortalisation) + oncogène cancer

Télomères : Cancer et sénescence

Structure de TRF2 et de la télomérase

TRF2

Primordial pour protéger

le simple brin.

Nombreuses protéines

impliquées dans la

réparation des régions

télomériques et non

télomériques de l’ADN

WRN= syndrome de Werner

ERC =Xeroderma pigmentosum

ATM =ataxie telangectasie

Longueurs des télomères et

mortalité?

La diminution de taille des télomères

est associée à une plus grande

mortalité

Epel et al Aging 2009

Maladies humaines monogéniques

et vieillissement prématuré

Syndrome progéroïdes

• progéria = vieillissement prématuré

• Plusieurs syndromes qui présentent

plusieurs des traits du vieillissement

humain normal

– Trisomie 21, ataxie télangectasie, syndrome

de Cokaine;

– Werner

– Hutchinson Progeria

Syndrome de Werner

vieillissement prématuré

Homme de 37 ans atteint de syndrome de

Werner

Autosomique

Récessif

Petite taille

Cataracte

Cheveux gris

Peau sclérodermique

Syndrome de Werner

vieillissement prématuré

Mutation d’une hélicase

Qui est nécessaire au

Déroulement de

L’ADN durant sa réparation

Mécanisme moléculaire du syndrome de Werner

Gène WRN identifié en 1996

Protéine = hélicase et exonucléase

- Rôle de la réparation de l’ADN lors des recombinaisons

homologues

- Située dans les télomères

- Permet le maintien d’une taille correcte des télomères

En son absence, cellules ayant une instabilité génétique

importante

Progéria (Hutchinson-Gilford progeria)

• Autosomale dominante très rare

(1/8.106) 100 cas rapportés

• Diagnostic vers 2 ans,

vieillissement très accéléré : perte

des cheveux, rides, arthrose. Mort

vers 13 ans d’insuffisance

cardiaque (pas de cancer)

• Mutations dans le gène de la

lamine A : LMNA

lamines

2 gènes LMN B1 et LAMB2

Exprimés dans toutes les

cellules → Lamines B

farnésylées

LMNA → par épissage

alternatif

Lamine A exprimée dans

toutes les cellules

différenciées et Lamine C

dans les cellules

germinales

Lamines A et C non

farnésylées

Maturation pré-lamine A en lamine A

farnésylation

Clivage du site de

farnesylation par une

endopeptidase ZMPSTE24

Lamine A normale non farnésylée

Lamines et Progéria

Erikson et al nature 2003

Progérine et autre mutations LMNA

Dystrophies musculaires

Lipodystrophies

Neuropathies

Lamines et Progéria

•«Fragilité nucléaire » → organisation de l’hétérochromatine

• Réparation de l’ADN

Sujet normal Sujet atteint de progéria

noyau Anticorps

anti lamine

Erikson et al Nature 2003

Inhibiteurs de la farnesylation

Traitement des souris atteintes

d’un syndrome progeroïde

Valera et al Nature med 2008

Environnement et

vieillissement

Restriction calorique et vieillissement

Souris C3B en restriction calorique

dès la naissance

poids

survie

Souris C3B en restriction calorique

depuis l’âge de 12 mois

La restriction calorique augmente aussi la durée

de vie des singes

30% diminution apports caloriques

Colman et al Science 2009

Restriction calorique et

vieillissement : mécanisme

• Diminution des dégâts oxydatifs

• Diminution du déclin de l’autophagie avec l’âge

• Diminution des produits de glycations

• Diminution des fonctions reproductives

• Diminution des taux d’IGF

Radicaux libres et leur cibles

• Radicaux libres de l’oxygène : O-2 = Anion

superoxide

• O-2 +2H+

H2O2 = peroxyde d’hydrogène

• OH . =Radical hydroxyle. Le plus réactif

Lipides : diminution de la fluidité des membranes

ADN : oxydation des bases → lésions

Protéine : inactivation de certaines enzymes

Radicaux libres : production et défenses

Génération Transport d’électrons de la mitochondrie

B oxydation des acides gras dans les peroxysome

Cytochrome P450

Les phagocytes activés

Défenses Superoxyde dismutase (SOD): transforme O-

2 en H2O2

Glutathion peroxydase : convertit H202 en H2O

Radicaux scavenger hydrophiles acide ascorbique (vitamine C)

Radicaux scavanger lypophiles (tocophéroles (vitamine E),

Flavonoides, carotènes

Glutathion réductase

Super oxide dismutase et durée de vie

Chez la drosophile la sur expression de la SOD1

dans les neurones augmente la durée de vie

Restriction calorique et production

de radicaux libres chez le rat vieillissant

Consommation

d’oxygène

Production

de radicaux libres

controls

restriction

Radicaux libres et sénescence

• Vieillissement = plus de dégâts dus aux radicaux

libres :

– Diminution des systèmes de défense avec l’âge ?

– Production plus importante avec l’âge de radicaux

oxydés?

• Vieillissement = conséquence de altérations des

macromolécules par des réactifs oxygénés.

Télomères et antioxydants : le lien in vitro

• Les lésions de l’ADN dues à son oxydation peuvent être responsables du raccourcissement des télomères et du phénomène de sénescence réplicative in vitro

• Expériences: – Exposition brève à l’H2O2

– Culture avec 40% d’O2

– Diminution de longueur des télomères

– Arrêt de croissance

Gènes impliqués dans la réponse

au stress oxydatif/vieillissement

• IGF-R durée de vie

• SH66 durée de vie

• Khloto ↑ durée de vie

• Sirtuin ↑ durée de vie

IGF1 et mortalité

Les souris IGF1-R-/+

Résistent mieux à

un stress oxidant par

le parquat surtout

les femelles

Holzenberger Nature 2003

Signalisation IGF et radicaux libres

Gènes de défense contre ROS

IGF-R et Insuline R inhibent le passage dans le noyau

de FoxO un facteur de transcription induisant la

transcription de gènes de défense contre ROS (SOD)

Radicaux libres et sh66

• KO de Shc 66 augmente la longévité de 30% des souris

et les cellules résistent au stress oxydatif et à l’apoptose

in vitro. Mécanisme ?

Miggliaccio et al Nature 1999

Klotho et vieillissement

Kuoro et al Nature 1997

Les souris invalidées

pour Klotho

Multiples fonctions de Klotho

IGF/Insuline et Klotho dans le

vieillissement

• Klotho diminue la signalisation de Insuline/IGF1-

R ce qui augmente la durée de vie

• Les souris Klotho -/- croisée avec des souris

Insuline R +/- ont une durée de vie un peu

augmentée

Sirt et longévité

L’augmentation de l’expression de Sirt 2

augmente la longévité de Tissenbaum et al Nature 2001

Sirtuin et longévité

Deacétylase

Expression augmentée par NAD+,

revastrol (antioxydant présent

dans le vin) et restriction calorique

Augmentation de sirt augmente la

longévité (↑ foxo3 et p 53)

Action par l’intermédiaire

d’autophagie ?

En l’absence de sirtuin (-/-)

pas d’ induction d’autophagie

Lee PNAS2007

Sirtuin et autophagie

Autophagie =

Survie cellulaire

- Dégradation des

composants endommagés

- Source de nutriments Vésicule à double membrane

Autophagie : particularité

• Des zones entières de cytoplasme comprenant des organelles sont séquestrées dans des doubles membranes faites « de novo » : autophagosome

• Fusion avec lysosomes et formation de « autolysosomes »

• Dégradation et réutilisation des composés dégradés

Mécanisme moléculaires de l’autophagie

mTOR (mamalian target of

rapamycine)

Inhibe l’autophagie en

phosphorylant les protéines

Atg

L’absence de nutriment

inhibe TOR → complexes

d’Atg non phosphorylés →

déclenchement de

l’autophagie et formation de

Un complexe qui contient

une PI3K classe III et Beclin

(Atg6) → nucléation des

vésicules

De Bruin et al 2008

Nutriments, insuline, protéine, facteurs de croissance

Vésicules d’autophagie (mitophagie) Mise en évidence de la protéine LC3-B II

(Atg8)

L’ Autophagie prévient le vieillissement

• Le vieillissement s’accompagne d’une de composants (organelles, protéines) endommagés dans les cellules

• Les lysosomes sont un peu « faibles » chez les vieux ↓ autophagie

• Les mutations inactivatrices de TOR autophagie et longévité

• Prévenir pharmacologiquement la ↓ de l’autophagie du vieillissement pourrait elle augmenter la longévité?

Autophagie et longévité

Nature Cell Biology 2010

La rapamycine, l’inhibiteur de mTOR, augmente la

longévité des souris (augmentation de l’autophagie)

Nature 2009

Autophagie, restriction calorique et

vieillissement

• Les tissus des animaux ayant une

restriction calorique ont moins de

composants endommagés

• La restriction calorique prévient la ↓ de

l’autophagie avec l’âge

• Les mutations inactivatrices de TOR

autophagie et longévité mais plus de

réponse à la restriction calorique

Gènes qui influent sur la durée de vie de

la souris

• Igf1-r → ↓ longévité (↑ production radicaux libres)

• SH66 → ↓ longévité (↑ stress oxydant→ apoptose)

• Khloto → ↑ longévité (↓ phosphorémie et ↓ signal IGF1-

R)

• SIRT → ↑ longévité en ↑ l’autophagie et ↓stress oxydant

La restriction calorique ↑ longévité en

↓ production de radicaux libres

↑ autophagie

Vieillissement une théorie générale

↓Autophagie

Accumulation

protéine

endomagées

Le vieillissement est il inéluctable?

ce rouget de roche

a 205 ans

La tortue à trois orteils

se reproduit jusqu’à 70 ans

Augmentation exponentielle de la mortalité avec l’âge (modèle)

Diminution de la mortalité après 80 ans (observé) survivant « sain »

Diminution de la mortalité après 110 ans (espéré)