Définition et marqueurs de la sénescence cellulaire

Définition et marqueurs de la sénescence cellulaire

Définition

Suggéré par A. Weismann au 19ème siècle, confirmé par L. Hayflick en culture cellulaire, en 1961, le vieillissement de l’organisme peut s’expliquer par le vieillissement de ses cellules somatiques, conduisant à un arrêt irréversible de la prolifération cellulaire, et donc à une absence de renouvellement des cellules et tissus endommagés (Hayflick et al. 1961). La sénescence est un état cellulaire viable distinct de l’arrêt de croissance temporaire observé dans les cellules fonctionnelles (Reddel 1998). In vitro, des passages répétés de cellules en culture montrent une réduction de la densité cellulaire et une augmentation du temps de doublement de la population cellulaire. En parallèle, le nombre de cellules en sénescence augmente à chaque passage et est dépendant de l’âge du donneur, suggérant que la sénescence est une caractéristique de l’âge cellulaire (Campisi 1996, Smith et al. 1996). La sénescence cellulaire est multifactorielle. On distingue néanmoins trois types de sénescence : la sénescence réplicative associée à un raccourcissement des télomères, la sénescence prématurée induite par un stress (SIPS), et la sénescence induite par les oncogènes (OIS).

Caractéristiques et marqueurs de la cellule sénescente

La caractéristique la plus évident de la sénescence cellulaire est l’arrêt de la croissance cellulaire, avec un arrêt du cycle cellulaire en phase de transition G1/S (Sherwood et al. 1988, Cristofalo et al. 1993). Diverses modifications phénotypiques sont aussi caractéristiques de la sénescence, comme un élargissement et un étalement des cellules. Les cellules sénescentes présentent des modifications du cytosquelette et un élargissement de leurs noyaux et de leurs nucléoles (Bayreuther et al. 1988). Au niveau nucléaire, l’utilisation d’un marqueur de l’ADN tel que le DAPI montre l’apparition dans les cellules sénescentes de foyers d’hétérochromatine (chromatine condensée, transcriptionnellement inactive). Ces foyers sont appelés SAHF, pour senescence-associated heterochromatin foci (Narita et al. 2003) (Figure 1). Par ailleurs, on observe au cours de la sénescence une augmentation de l’activité lysosomale, une accumulation d’agrégats lipido-protéiques (lipofuscine), ainsi qu’un phénotype sécrétoire particulier appelé SASP (Senescence associated secretory phenotype) (Campisi et al. 2007). La détection de la lipofuscine mais aussi le marquage positif de l’activité β-galactosidase à pH6 sont très utilisés comme marqueurs de la sénescence cellulaire. La β-galactosidase est une hydrolase, active strictement dans les lysosomes à pH4. La détection dans les cellules sénescentes de l’activité β-galactosidase à un pH plus élevé, résulterait de l’augmentation au cours du vieillissement du volume et de l’activité lysosomale (Kurz et al. 2000)(Figure 1).

Enfin, l’entrée en sénescence des cellules induit une résistance à la mort programmée par apoptose. En effet, les cellules sénescentes expriment des protéines anti-apoptotiques mais aussi la protéine p53, qui en bloquant le cycle cellulaire empêche l’entrée en apoptose (Jackson et al. 2006) (Figure 1).

Cycle cellulaire et sénescence

Le cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est composé de quatre phases permettant la division cellulaire : la phase G1 est une phase de préparation à la réplication de l’ADN, la cellule est sensible pendant cette phase aux signaux mitogéniques qui permettront d’enclencher la phase S, au cours de laquelle a lieu la réplication de l’ADN à proprement parler. La phase G2 prépare les cellules à la mitose qui va avoir lieu en phase M, au cours de laquelle le matériel génétique est rigoureusement réparti entre les deux cellules filles. En parallèle de la phase G1, les cellules peuvent également se trouver à un stade quiescent de non-division G0. Elles auront alors besoin d’être activées par des signaux mitogéniques afin de réintégrer le cycle cellulaire (Coller 2007) (Figure 2). Il est important à ce point de distinguer cellule quiescente, et cellule sénescente. Les cellules sénescentes ne peuvent pas réintégrer le cycle cellulaire (Sherwood et al. 1988, Cristofalo and Pignolo 1993), même si ces cellules restent métaboliquement actives (Matsumura et al. 1979).

La transition entre les différentes phases du cycle cellulaire se fait sous le contrôle de complexes cycline/CDK. Plus particulièrement l’activation de la phase S est dépendante de la libération du facteur de transcription E2F, ce-dernier est séquestré en phase G1 par la protéine pRb. En réponse aux signaux mitogéniques, les complexes cycline D/CDK4-6 et cycline E/CDK2 en phosphorylant pRb permettent la libération d’E2F et donc le passage G1/S (Coller 2007)(Figure 2).

Arrêt du cycle cellulaire en transition G1/S 

La sénescence est caractérisée par une inhibition de kinases cycline-dépendantes, en particulier celles régulant la transition G1/S. Deux voies de signalisation essentielles sont impliquées dans l’induction de la sénescence :

La voie p53-p21-pRb : Différents stress comme la réduction de la taille des télomères, les radiations, le stress oxydant, un stress oncogénique vont induire la DDR (DNA damage response), se traduisant par l’activation des checkpoint-kinases ATM/ATR, CHK1/2, et l’activation par phosphorylation de p53 (d’Adda di Fagagna et al. 2003, Gire et al. 2004). Diverses études ont pu montrer l’importance de ce facteur de transcription, suppresseur de tumeur, dans l’activation de la sénescence, puisque l’inhibition de p53 retarde l’apparition de la sénescence réplicative dans des cellules humaines (Beausejour et al. 2003). Un des gènes cibles de p53 est le gène p21CIP1/WAF1 dont l’expression augmente au cours de la sénescence. p21 est une protéine inhibitrice des complexes cycline-CDK induisant une séquestration d’E2F et donc un arrêt du cycle cellulaire (Figure 2).

-La voie p16-pRb : L’autre voie d’induction de la sénescence fait appel à l’activation de p16-pRb. Tout comme p21, p16Ink4A est aussi un inhibiteur des cycline-CDK (Figure 2). Les voies d’activation de p16 sont moins bien comprises que celles de p53, néanmoins p16 est souvent mise en cause dans la sénescence induite par un stress (SIPS). A contrario de p53, p16 n’est par contre pas activée lors de la sénescence réplicative (Lanigan et al. 2011).

L’inactivation de p53-p21 et p16-pRb est souvent nécessaire pour abroger la sénescence cellulaire, indiquant que ces deux voies agissent en parallèle (Wei et al. 2003). p21 et p16 induisent une hypophosphorylation de pRb, et donc une répression des gènes cible de E2F, pérennisée par l’accumulation de foyers d’hétérochromatine, les SAHF, autour des régions promotrices des gènes cibles d’E2F (Narita et al. 2003, Lanigan et al. 2011).

La sénescence replicative, caractérisée par un raccourcissement de la taille des télomères, la sénescence induite par un stress et la sénescence induite par les oncogènes activent donc les protéines d’arrêt du cycle cellulaire, permettant l’instauration de la sénescence. Dans la suite de l’exposé nous décrirons la sénescence induite par un stress .

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Table des matières

INTRODUCTION
A-Le vieillissement
B-La sénescence cellulaire
B-1-Définition et marqueurs de la sénescence cellulaire
B-1-1-Définition
B-1-2-Caractéristiques et marqueurs de la cellule sénescente
B-1-3-Cycle cellulaire et sénescence
-Le cycle cellulaire
-Arrêt du cycle cellulaire en transition G1/S
B-2-Sénescence prématurée induite par un stress (SIPS)
B-2-1-Le stress oxydant
B-2-2-Les dysfonctions mitochondriales
B-2-3-Dommages à l’ADN et raccourcissement des télomères
B-3-Sénescence et autophagie
B-3-1-Définition de l’autophagie
B-3-2-Déroulement de l’autophagie
B-3-3-Régulation de l’autophagie
-L’autophagie, senseur nutritionnel et énergétique de la cellule
-L’autophagie, une réponse aux stress
B-3-4-Autophagie et vieillissement
B-4-Sénescence et inflammation
B-5-La sénescence cellulaire in vivo
B-5-1-Accumulation des cellules sénescentes avec l’âge
B-5-2-Les syndromes de vieillissement prématuré
B-5-3-Epuisement des cellules souches et immunosénescence
C-Le tissu osseux
C-1-Physiologie de l’os
C-1-1-On est tombé sur un os
C-1-2-Composition du tissu osseux
-L’organisation des niches au sein de la moelle osseuse
-La matrice extracellulaire
-Les ostéoclastes
-Les ostéoblastes
C-1-3-Renouvellement osseux
C-2-Les cellules souches mésenchymateuses
C-2-1-La découverte des MSC, mutlipotence et plasticité
C-2-2-Auto-renouvellement et sénescence des MSC
C-2-3-Capacité de différenciation des MSC
-Focus sur la différenciation ostéoblastique
-Focus sur la différenciation adipocytaire
C-2-4-Applications cliniques des MSC
C-3-La déminéralisation osseuse
C-3-1-Ostéoporose et ostéopénie
C-3-2-Que se passe t-il au niveau cellulaire ?
-Os vieillissant
-Défauts de différenciation et/ou de recrutement
-Ostéo-immunologie
D-Le VIH & les traitements ARV
D-1-L’infection par le VIH
D-1-1-Origine du virus
D-1-2-Les phases de l’infection
D-1-3-Le génome du VIH
D-1-4-Vue générale du cycle viral
D-1-5-Les protéines structurales Gag, Pol, Env
D-1-6-Les protéines régulatrices
-La protéine Tat
-La protéine Rev
D-1-7-Les protéines accessoires
-La protéine Nef
-La protéine Vpu
-La protéine Vif
-La protéine Vpr
D-1-8-Effets pléïotropes des protéines du VIH
-Apoptose
-Stress oxydant et dysfonction mitochondriales
-Sécrétion de cytokines et chimiokines
-Autophagie
-Longueur des télomères
D-2-Le traitement par les ARV
D-2-1-Les premières stratégies anti-VIH
D-2-2-Les différentes classes de traitement ARV et la résistance aux traitements
-Les inhibiteurs de la transcriptase inverse
-Les inhibiteurs de la protéase virale
-Les inhibiteurs de l’intégrase
-Les inhibiteurs d’entrée
D-2-3-Pharmacologie
E-Comorbidités observées chez les patients infectés par le VIH sous traitement ARV efficace
E-1-Infection par le VIH et vieillissement accentué
E-1-1-Survenue précoce des comorbidités
E-1-2-Marqueurs de vieillissement observés chez les patients infectés par le VIH
E-1-3-Mécanismes en cause dans le vieillissement accéléré
E-1-4-Atteintes du tissu adipeux et cardiométabolique
E-2-VIH et pathologies osseuses
E-2-1-Données cliniques : ostéoporose/ostéopénie
E-2-2-Données in vitro : Impact du VIH et des ARV sur la balance osseuse
-Rôle de l’inflammation
-Impact des ARV sur les cellules osseuses
-Impact du VIH sur les cellules osseuses
E-3-Conclusion et objectifs des travaux
II-Résultats
A-Etude 1 : The HIV proteins Tat and Nef promote human bone marrow mesenchymal stem cell senescence and alter osteoblastic differentiation
A-1-Introduction et objectifs de travail
A-1-1-Le choix du modèle cellulaire : MSC
A-1-2-Le choix des protéines du VIH Tat et Nef
A-1-3-Objectifs de travail
A-2-Résultats principaux
A-3-Résultats complémentaires
A-4-Discussion 111
B-Etude 2 : HIV protease inhibitors induce senescence and alter osteoblastic potential of human bone marrow mesenchymal stem cells: beneficial effect of pravastatin
B-1-Introduction et objectifs de travail
B-1-1-Objectifs de travail
B-1-2-Introduction aux mécanismes de régulation de la prélamine A
B-2-Résultats principaux
B-3-Discussion
III-Discussion générale et perspectives
INDEX DES ILLUSTRATIONS
CONCLUSION

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