Biologie cellulaire du vieillissement

UE1 Biologie cellulaire Pr. EA 12/12/2018 de 15h30 à 17h30 Ronéotypeur : Léa Sebag Ronéoficheur : Kévin Chaloeiwutthirot

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Ronéo12UE1BiocellCours6

Introduction

I/ Facteurs génétiques

A) Raccourcissement des télomères

1) Généralités

2) Modèles

3) Sénescence réplicative

a) raccourcissement des thélomères

b) Théorie de l’horloge biologique

4) Télomères et cancer

B) Maladie humaine monogénique et vieillissement prématuré

1) Syndrome de Werner

2) Progéria

II/ Environnement et vieillissement

A) La restriction calorique

B) Les radicaux libres

1) Rôle

2) Gènes impliqués dans la réponse au stress oxydatif

3) Autophagie

Conclusion

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Introduction : La longévité diffère en fonction des espèces, et au cours de l’évolution au sein d’une même espèce Ex : les chasseurs cueilleurs avaient une espérance vie autour de 30-40 ans alors que les gênes étaient les mêmes mais des modifications de l’expression des gènes et de l’environnement sont apparues : aujourd’hui on n’est plus confronté au danger de la chasse ou à la carence alimentaire (dans les pays développés) Le prof évoque cependant le fait qu’il vaut une carence qu’un excès d’aliments. Ce point sera développé plus tard dans le A retenir de l’introduction : régulations génétiques et environnementales de la longévité

I/ Facteurs génétiques

A) Raccourcissement des télomères

1) Généralités L’existence de familles de centenaire démontre l’impact de la génétique sur la longévite. Parfois, un seul gène muté est responsable d’un vieillissement accéléré . 2) Modèles Plusieurs études ont porté sur la longévité : -Sur des Modèles in vitro : Hayflick a montré que la prolifération n’est pas systématique dans une boite de pétri. Normalement, les cellules prolifèrent jusqu’à la confluence totale (=quand les cellules se touchent et qu’il n’y a plus d’espace libre). A ce moment là, pour prolonger la prolifération, le scientifique les détache (on appelle cette étape un passage) puis elles recommencent à proliférer. Constat : dans une culture de fibroblastes, la prolifération s’arrête après 25 à 50 cycles. C’est dû à la sénescence réplicative. La date à laquelle cette sénescence survient dépend de l’âge du donneur de cellule et aussi de l’âge auquel elle a subi son premier passage (plus on l’habitue tôt plus elle prolifère longtemps) -Modèles in vivo : A partie de maladies humaines monogéniques avec vieillissement prématuré, on analyse les gênes mutés pour en déduire le rôle de chaque gène Sur des modèles murins, la sénescence dépend de : - La race des souris : souris sauvages ont une esperance de vie de 1 an à 1,5 ans alors qu’en labo c’est 2-3 ans - Leur état génétique : Les scientifiques les rendent KO (knock out) sur un gène pour identifier la spécificité des gènes - Facteurs environnementaux, alimentaires Retenir que différents modèles ont montré l’implication de facteurs génétique et environnementaux dans la modification de la longévité 3) Sénescence réplicative Certains gènes sont impliqués dans les pathologies monogéniques humaines du vieillissement. Mais le vieillissement physiologique dépend de la structure des télomères


a) raccourcissement des thélomères Les télomères correspondent à l’extrémité des chromosmes, l’ADN est compacté en hétérochromatine constitutive avec la présence de protéines HP1 (Heterochromatin Protein) et histones H3 méthylés. Les protéines associées qui protègent le télomère font partie du groupe de protéines Shleperin. Dans les cellules somatiques, la taille des télomères diminue à chaque division cellulaire : le décalage se fait dans la région d’initiation de la réplication. Donc une partie de l’ADN sera monobrin, et, comme un reflex cellulaire, cette partie monobrin sera clivée. Donc on perd un petit bout à chaque fois (50 à 200 pdb) SAUF pour l’ADN circulaire ( mitochondrial qui garde toujours la même longueur). On va voir qu’en fait le clivage se fait mal donc un bout de simple brin persiste et va s’organiser en boucle T Loop La télomérase est une reverse transcriptase, présente uniquement dans les cellules souches, les cellules germinales et certaines cellules cancéreuses pour contribuer à leur immortalité. Elle permet de répliquer un brin de l’ADN et reconstruire la longueur des télomères. En l’absence de télomérase (cellules somatiques), raccourcissement de plusieurs dizaines de nucléotides par réplication TRF1 (Telomere Repeat binding Factor) et 2 autres complexes protéiques ont aussi un rôle dans la stabilité et la réparation des destructions ou des cassures de l’ADN et encadrant les séquences répétées: permet la formation des boucles protectrices T loop. Cellules sénescentes.: = absence de prolifération, cellule vieillissante et expression importante de P53, P15, P19, P16, P21 (expliqué un peu plus loin) A retenir : Les télomères se raccourcissent à chaque réplication par un décalage de l’ADN polymérase au niveau du site d’inititation. Malgré la présence de systèmes d’égalisation des brins, de l’ADN monobrin persiste aux extrémités et est organisé en boucle T loop. b) Théorie de l’horloge biologique

La réplication de l’ADN est bidirectionelle donc de chaque côté et à chaque réplication on perd quelques nucléotides au site d’initiation (la séquence répétée TTAGGG). L’extrémité du télomère s’organise en boucle T Loop qui protège et isole l’ADN simple brin. Lorsque la quantité de nucléotides devient trop faible pour former T Loop, les télomères ont atteint la « taille critique » qui va déclencher la sénescence Rappelons qu’existe la télomérase qui stabilise la taille des télomères DANS CERTAINES CELLULES. C’est surtout

une histoire d’équilibre entre des facteurs rétablissant le longueur des télomères et les réplications qui la réduisent.

4) Télomères et cancer

La télomérase stabilise la taille des télomères. S’il n’y a pas assez de télomérase → Raccourcissement des télomères avec l’âge dans les cellules somatiques → les télomères atteignent la taille critique → la cellule déclenche l’apoptose

Rôle de la télomérase in vivo : Les souris invalidées pour le gène de la télomérase :

- Voient leur espérance de vie / longévité diminuer - Phénotypes du vieillissement. Donc L’enzyme intervient sur le vieillissement. - Atrophie de plusieurs tissus, insuffisance rénales - Perte de fertilité


- Effet protecteur : ces souris développent moins de cancer car ont moins de temps. - Augmentation de l’expression de la P53

Le prof rappelle que la p53 régule les kinases du cycle cellulaire En faisant une transfection des fibroblastes avec htert (le gène qui code pour la télomérase) :

- Disparition de la sénescence (cellules immortelles elles prolifèrent tout le temps) pour certaines cellules - En inactivant p16 aussi, toutes cellules deviennent immortelles car les moyens de défense sont bloqués - Accumulation de mutations sans apoptose à cancers

Diminution des télomères à reconnu comme cassures de l’ADN à ↑ p53 à arrêt du cycle et apoptose

P53 est en temps normal détruite car reliée à une Ubiquitine ligase qui l’envoie au protéasome donc son expression est très faible. Mais si lésion (ADN surtout), P53 n’est plus dégradée et va dans le noyau activer des gênes qui inhibent les CDK. Tentative de réparation et si ca ne suffit pas, apoptose

CDI = Kinase dépendante de la cycline (CDK) inhibiteur et sénescence

Dans une cellule sénescente, - p19 augmente car cette protéine inhibe MDM2 et donc libère P53 - P16 et P21 augmentent car ce sont des CDI qui arrêtent le cycle cellulaire

Si absence de télomérase, la taille de l’ADN diminue ++ jusqu’à activer P53 qui active l’apoptose. Si présence de télomérase, plus de diminution de la taille des télomères, donc plus d’activation de P53 accumulation des dégats génétiques à tumeurs

TRF2 : Autres protéine qui stabilise les télomères et répare si destruction ou dégâts importants. Si ces systèmes fonctionnent mal, raccourcissement accéléré et donc vieillissement accéléré. Structure de TRF2 et de la télomérase : Primordial pour protéger le simple brin.

B) Maladie humaine monogénique et vieillissement prématuré La progeria signifie une accélération du vieillissement Plusieurs syndromes existent, qui présentent plusieurs des traits du vieillissement humain normal : – Trisomie 21 (Maladies liées à l’âge apparaissent autour de 30-40ans au lieu de 70-80)


– Werner touche une enzyme qui devrait réparer l’ADN (hélicase) à Réparation défectueuses de l’ADN – Hutchinson Progeria

1) Syndrome de Werner (=vieillissement prématuré) - Maladie génétique à transmission Autosomique Récessive - Petite taille - Cataracte - Cheveux gris, pertes capillaires - Peau sclérodermique ridée, fibrosée, - Maladies osseuses plus précoces que la population normale Mécanisme moléculaire du syndrome de Werner : Gène WRN a été identifié en 1996. Mutation du gène codant pour des hélicases et exonucléases : - Rôle de la réparation de l’ADN lors des recombinaisons homologues - Situées dans les télomères - Permet le maintien d’une taille correcte des télomères - Leur absence induit une une instabilité génétique

2) Progéria (Hutchinson-Gilford progeria)

- Maladie à transmission autosomale dominante très rare (1/8.106) - 100 cas rapportés Diagnostic vers 2 ans, vieillissement très accéléré : perte des cheveux, rides, arthrose, maladie osseuse, insuffisance cardiaque. Mort vers 13 ans (15 ans à l’oral) de maladies de vieillesse qu’ils développent précocemment. Origine de la maladie : Mutations dans le gène de la lamine A : LMNA

3 types de lamines dans les cellules : A, B et C Les lamines B sont farnésylées et les A et C sont non farnésylées Lamine A exprimée dans toutes les cellules différenciées et Lamine C dans les cellules germinales LMNA obtenu par épissage alternatif Provoque aussi des dystrophies musculaires, lidodystrophie neuropathique


La lamine A stabilise la membrane et l’ADN nucléaire.

Farnésylation = modification post traductionnelle de la protéine sur un domaine spécifique puis est clivée pour

la lamine A. Mais dans la progéria, mutation du domaine de clivage et donc la lamine reste farnésylée.

Progérine (= lamine A) est aussi impliquée dans d’autres maladies que la progeria (dystrophie musculaire,

lipodystrophie)

L’utilisation d’Ac anti lamine A montre que chez des sujets atteints de la progeria, la répartition de la protéine

diffère de celle des cellules normales : Le noyau est plus fragile, instable, avec cassures, lésions plus fréquentes,

avec défauts de réparation de l’ADN. Et donc vieillissement accéléré.

Cette farnésylation intervient aussi dans le métabolisme de l’Acetyl CoA : il est transformé en cholestérol en

passant par des étapes de farnésylation.

Le traitement de la progeria consiste en des inhibiteurs de farnésylation pour obtenir des lamines A de bonne

configuration (problème est que les autres lamines ne sont pas farnésylées non plus). Les biphosphonates et les

statines sont utilisés comme inhibiteurs. Ils interviennent aussi dans le cadre de l’ostéoporose pour empêcher la

différenciation des ostéoclastes (biphosphonates) et dans l’hypercholestérolémie en inhibant l’HMG3 coa

réductase pour diminuer la production de cholestérol (statines)

Quand on mute la protéine impliquée dans la progéria sur des souris, elles seront de petite taille. Si on inhibe la

farnésylation (statines ou biphosphonates) on récupère une souris de taille et poids et longévité presque normale.

Attention : on ne récupère pas tout. (car moins de cholestérol, lamines B pas farnésylées, + de cancers). Tout ca est

corrélé à moins de dégâts nucléaires. On constate aussi une augmentation de l’épaisseur de l’os sur des souris

traitées par des inhibiteurs de farnésylation si elles ont une mutation de la LMNA


à Ces inhibiteurs constituent un bon traitement de la progeria

II) Environnement et vieillissement

A) La restriction calorique

Les tests sur des souris montrent que déjà, plus les souris mangent, plus elles meurent vite.

Aussi, plus la restriction est importante, plus elles vivent longtemps.

Test sur des primates (diapo 37) : - les deux photos de gauche : alimentation normale avec traits de

vieillissement, perte de pelage, rides

- les deux photos de droite : singe avec restriction alimentaires n’a pas

ces signes de vieillesse.

Les restrictions alimentaires augmentent l’espérance de vie. Epidémie d’obésité : l’obésité est une des deux raisons principales de la diminution de l’espérance de vie aux États Unis car elle génère du stress oxydatif et des maladies cardiovasculaires. La deuxième raison étant un usage excessif d’opiacés La restriction calorique permet de :

- Diminuer les diminuer les dégâts oxydatifs - Diminuer le déclin de l’autophagie avec l’âge - Diminuer les produits de glycation - Diminuer les taux d’IGF qui agit sur le stress oxydatif

B) Les radicaux libres

1) Rôle

Le stress oxydatif provient surtout des chaines mitochondriales et des enzymes de la membrane cellulaire (NADPH). Certains acteurs enzymatiques diminuent le stress oxydatif, de même que des antioxydants non enzymatiques qui proviennent de l’alimentation/environnement comme les vitamines C. Dans les années 2000, on pensait que le vieillissement était uniquement du au stress oxydatif. Donc ils ont fait des études qui montrent que si on diminue le stress oxydatif, on augmente l’espérance de vie.

Plusieurs espèces réactives de l’oxygènes sont délétères en excès à Cassures de l’adn, modification de lipides, protéines à Diminution de la fluidité des membranes, inactivation de certaines enzymes et tue les cellules

Radicaux libres de l’oxygène :

- O2-

Anion superoxide - O2- + 2H+ à H2O2 = peroxyde d’hydrogène

- OH .

=Radical hydroxyle. (Le plus réactif)


Le vieillissement c’est la conséquence des 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 : en exposant rapidement une culture à de l’H2O2, on observe une diminution de longueur des télomères et un arrêt de la croissance. à Le stress oxydatif accélère les lésions des télomères

2) Gènes impliqués dans la réponse au stress oxydatif

IGFR SH66 Khloto Sirtuin - Si souris inactivées à l’hétérozygote de ce gène : augmentation de la longévité (surtout chez des souris femelles) - L’activation de ce récepteur inhibe le facteur fOXO qui active SOT qui active la production de molécules anti oxydantes

- Si souris inactivées de ce gène, l’exposition au stress oxydatif induit une mort moins importante.

- Cofacteur d’un récepteur qui régule des voies de signalisation intracellulaires - Klotho diminue la signalisation de Insuline/IGF1- R ce qui augmente la durée de vie - Si on inactive ce gène, l’espérance de vie passe à environ 2 mois - Les souris Klotho -/- croisée avec des souris Insuline R +/- ont une durée de vie un peu augmentée

- Intervient dans l’autophagie et régule la longévité des cellules et de l’espèce - Si on l’inactive, l’autophagie disparait


Dernière protéine : - SIRT : désacétylase qui stimule l’autophagie : si on surexprime son gène, on augmente la longévité par

rapport à des souris sauvages. Elle stimule Foxo et inhibe P53

3) Autophagie

L’autophagie est un mécanisme de défense de survie cellulaire qui passe par 3 mécanismes : - 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 Si on augmente l’autophagie : à On diminue les protéines et organites défectueux à On augmente nos capacités de défense à On diminue les cellules nécrotiques et apoptotiques à On diminue la sénescence L’ Autophagie prévient le vieillissement car : • 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 Le LC3B-II est un marqueur de l’autophagie. On peut ainsi faire la mise en évidence de l’autophagie grâce à un Ac anti LC3BII fluorescent. Et on remarque qu’avec la carence nutritive, l’autophagie est activée Elle implique de nombreuses protéines dont mTor qui, activée, inhibe la voie autophagique en phosphorylant les protéines Atg. L’absence de nutriments inhibe TOR donc les complexes d’Atg ne sont pas phosphorylés ce qui déclenche l’autophagie avec formation d’un complexe qui contient une PI3K classe III et Beclin (Atg6) → nucléation des vésicules. Un traitement par la rapamycine, (inhibiteur de mtor) augmente la longévité sur les deux sexes. L’autophagie se reconnaît facilement sur de la microscopie électronique grace à la membrane ou l’autophagosome. Uns des approche pharmacologiques pour augmenter la longévité pourrait passer par la limitation de la diminution de l’autophagie du vieillissement. Les tissus des animaux ayant une restriction calorique ont moins de composants endommagés : donc à La restriction calorique limite la diminution de l’autophagie due à l’âge à Les mutations inactivatrices de TOR augmentent l’autophagie et donc la longévité. Conclusion Donc les facteurs du vieillissement sont les télomères, le stress oxydatif (en activant des protéines comme P53 qui activent des voies de signalisation comme P16, P21, P19 qui mettent la cellule en sénescence), l’alimentation. Les animaux ayant une espérance de vie très longue ont un mécanisme d’autophagie important et une capacité de reproduction importante.


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