génétique et epigénétique du vieillissement · 2016. 3. 18. · génétique et epigénétique...
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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)
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0
0
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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
?