Stress oxydant et Vieillissement

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1 Stress oxydant et Vieillissement DIU ONCOGERIATRIE 2010 Isabelle Petropoulos Equipe Biologie Cellulaire du Vieillissement UR4, Vieillissement, stress et Inflammation

2 Le Vieillissement 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 Les 3 âges de la femme, Klimt Vieillissement : Processus progressif et irréversible de modification des structures et des fonctions de l organisme et de sa capacité d adaptation aux conditions de l environnement. Altération voire perte des fonctions physiologiques Augmentation de la susceptibilité de l apparition des maladies Diminution de la résistance au stress

3 Théorie des radicaux libres Usure de l organisme suite à l accumulation d altérations subies au cours du temps Les changements associés au vieillissement sont dus à l accumulation des dommages produits pas les Espèces Réactives de l Oxygène (ERO). Production des ERO Défenses antioxydantes Systèmes de maintenance qui aident la cellule à répondre au stress oxydant

4 Effet de l hyperoxie (Baret et al., 1994) L hyperoxie entraîne une diminution de la durée de vie des drosophiles et accélère le processus de vieillissement Pas de modification du taux métabolique (respiration) mais des ERO Les altérations dues à l oxygène (oxydations) représentent une part importante dans le vieillissement normal

5 Petit historique de la théorie des ERO 1956, théorie des radicaux libres du vieillissement Harman Mise en évidence de la production mitochondriale D ERO 1972, théorie mitochondriale du vieillissement Harman Mise en évidence de l augmentation des dommages oxydatifs avec le vieillissement Production d animaux transgéniques surexprimant des enzymes anti-oxydantes

6 Origine et réponses cellulaires aux ERO Sources endogènes Mitochondries Péroxysomes Lipoxygénases NADPH oxydase Cytochrome P450 Défenses antioxydantes Systèmes enzymatiques : CAT, SOD, GPx Systèmes non-enzymatiques : Glutathion vitamines (A, C et E) Sources exogènes UV, Radiations ionisantes polluants Xénobiotiques oxydants inflammation (cytokines) Taux basal ONOO - H 2 O 2 ERO ROO. O. 2 NO 2 NO. OH. Taux élevé Homéostasie Croissance normale métabolisme normal Altération des fonctions physiologiques vieillissement maladie mort cellulaire

7 Production mitochondriale des ERO

8 Systèmes de défenses cellulaires O2 - + O H + SOD H 2 O 2 + O 2 CAT H 2 O 2 + H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 H 2 O 2 + 2GSH ROOH + 2GSH GPx GSSG + 2 H 2 O GSSG + H 2 O + ROH

9 Les principales cibles des ERO L ADN - Mutations : la guanine peut réagir avec 1 radical hydroxyl - 8-OH-dG : 8 hydroxydesoxyguanine - Coupures simple brin et double brins - Délétions (ADN mitochondrial) Les lipides Oxydation des phospholipides des membranes. Formation de peroxydes lipidiques Aldéhydes - 4-hydroxynonenal (4-HNE) - malonaldéhyde (MDA) Les protéines Modifications oxydatives multiples (carbonyles)

10 Principales modifications oxydatives de l ADN

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12 Dommages oxydatifs à l ADN ADN nucléaire (foie) ADN mitochondrial (foie) Âge (en mois)

13 Oxydation des acides gras insaturés

14 Modification oxydatives des protéines Oxydation Tous les acides aminés Hydroxyls R-OH Carbonyls R-C-H, R-C-R, O O Disulfide cys-s-s-cys Methionine sulfoxide MeSO Protéine native Histidine Cystéine Lysine Glycation Produits d Amadori Lysine Arginine Conjugaison avec des produits de péroxydation lipidique (e.g. HNE, MDA) Glycoxydation N AGEs N R N H N H R R NH CH2 COO - Carboxymethylysine Pentosidine

15 Produits d oxydation des protéines Acide aminé Cysteine Methionine Tyrosine Tryptophane Phenylalanine Valine, Leucine Histidine Glutamyl Proline Threonine Arginine Lysine Produits d oxydation Disulfides, mixed disulfides (e.g., glutathiolation), acides cystéiques Methionine sulfoxide, methionine sulfone Dityrosine, nitrotyrosine, chlorotyrosines, DOPA Hydroxy- and nitro-tryptophans, kynurenines Hydroxyphenylalanines Hydroperoxides 2-Oxohistidine, asparagine, aspartate acide oxalique, acide pyruvique Hydroxyproline, pyrrolidone, glutamic semialdehyde Acide 2-Amino-3-cetobutyrique semialdehyde glutamique, chloramines semialdehyde, chloramines,

16 Stress oxydant et mitochondries Théorie mitochondriale du Vieillissement, notion de cercle vicieux ROS Inhibition des complexes Mutations dans l ADNmt Dégradation des membranes ATP Changement d'état stationnaire ADN mitochondrial plus sensible à l oxydation Mutations et délétions de l ADN mitochondrial associées au vieillissement

17 Surexpression de la catalase dans les mitochondries H 2 O 2 Fe, Cu Catalase OH Muscle H 2 O Fibroblastes Effets de la surexpression de la catalase humaine spécifiquement dans : les péroxysomes Le noyau mitochondries (Schriner et al., 2005)

18 Effets sur la longévité des souris catalase péroxysomale catalase nucléaire catalase mitochondriale de 20% de la durée de vie moyenne de 10% de la durée de vie maximale

19 Surexpression de la catalase dans les mitochondries U/mg U/mg Activité catalase dans la fraction mitochondriale de coeur Activité catalase dans différents tissus

20 Protection contre le stress oxydant Production d ERO Oxydation et lésions de l ADN

21 ELIMINATION DES PROTEINES OXYDEES LE PROTEASOME Rôles dans le vieillissement et les maladies liées à l âge

22 Qu est-ce que l oxydation des protéines? Modifications covalentes des protéines provoquées par des espèces réactives de l oxygène ou par des dérivés induits par le stress oxydant Oxydation Protéine active Protéine oxydée non fonctionnelle

23 Maladies et situations dans lesquelles est impliquée l oxydation des protéines Athérosclérose (LDL) Arthrite rhumatoïde (IgG) Ischemie-reperfusion cardiaque et cérébrale Emphysème pulmonaire (inhibiteur de l α-1-proteinase, elastase) Maladies neurodegeneratives - Alzheimer - Parkinson Dystrophie musculaire Syndrome de détresse respiratoire Vieillissement Progeria/syndrome de Werner Alcoolisme Cataracte (a-crystallines) Cancer

24 Oxydation des protéines et systèmes de maintenance ERO O 2 O 2. - H 2 O. 2 OH Carbonyles acides sulfonique (SO 3- ) Clivage des chaînes polypeptidiques Disulfide cys-s-s-cys Acide sulfénique (SO) Acide sulfinique (SO 2- ) Méthionine sulfoxide MeSO Dégradation Réparation Thiorédoxine/Thiorédoxine R. Sulfirédoxine Méthionine Sulfoxide Réductases Protéase LON (Mitochondrie) Protéasome (Cytoplasme / Noyau)

25 Levine and Stadtman, 2001, Exp. Gerontol., 36: (fibroblastes humains, cristallin human, cerveau humain, foie de rat, mouche)

26 Oxydation des protéines et systèmes de maintenance ERO O 2 O 2. - H 2 O. 2 OH Carbonyles acides sulfonique (SO 3- ) Clivage des chaînes polypeptidiques Disulfide cys-s-s-cys Acide sulfénique (SO) Acide sulfinique (SO 2- ) Méthionine sulfoxide MeSO Dégradation Réparation Protéase LON (Mitochondrie) Protéasome (Cytoplasme / Noyau) Thiorédoxine/Thiorédoxine R. Sulfirédoxine Méthionine Sulfoxide Réductases Accumulation des protéines oxydées Stress oxydant / Vieillissement

27 Le protéasome : machinerie d élimination des protéines endommagées α β β α Chymotrypsine-similaire Hydrolase post-glutamique Trypsine-similaire Protéasome 20S

28 Le protéasome Régulateur 19 S + ATP Protéasome 20 S Protéasome 26 S Dégradation des protéines modifiées par oxydation Dégradation des protéines marquées par les chaînes de polyubiquitines Rôles physiologiques importants dans: Le cycle cellulaire (dégradation des cyclines) la présentation de l antigène L inflammation (activation de NFκB) L apoptose (p53) La réparation de l ADN (PARP)

29 Protéasome et vieillissement de la peau Vieillissement intrinsèque chronologique et génétique Vieillissement extrinsèque Stress oxydant, photo-vieillissement Diminution du renouvellement cellulaire, sénescence Dégradation de la matrice extra-cellulaire Endommagement des macromolécules cellulaires Oxydation des protéines au cours du vieillissement de l épiderme Rôle du protéasome dans les processus de vieillissement

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32 Proteasome et vieillissement de la peau Le contenu en groupements carbonyls des protéines augmentent avec l age dans les kératinocytes et les fibroblastes. Ces groupements peuvent etre générés : - soit par oxydation directe d acides aminés - soit par conjugaison avec des produits de péroxydation lipidique - soit par glycation Deux des activités (chymotrypsine et Peptidyl-glutamylpeptide hydrolase) du protéasome diminuent avec l âge, ce qui peut s expliquer, au moins en partie, par une diminution de la quantité de protéasome cellulaire. Une diminution de l activité, de la quantité du protéasome est également observée au cours de la sénescence réplicative (kératinocytes et fibroblastes en culture). Une diminution de l expression de certains gènes codant des sous-unités catalytiques et régulatrices a été observée dans les fibroblastes âgés. Les centenaires semblent avoir la capacité de «préserver» leur protéasome

33 Effet de l âge sur les activités du protéasome espèce tissu âge effet sur l activité Humain Lymphocytes T ans vs ans Chymotrypsine Cristallin clair vs cataracte Chymotrypsine Rat Foie Coeur Poumon Cerveau muscle 3-8 mois vs mois 3 mois vs 28 mois 4 mois vs 34 mois Chymotrypsine Trypsine PGPH Chymotrypsine Chymotrypsine Trypsine PGPH

34 Effet de l âge sur l expression du protéasome Analyse de transcriptome espèce tissu âge Effet sur l expression restriction calorique Humain Fibroblastes 8 ans vs 92 ans α2, α7 (protéasome 20 S) sous-unités du 19S (protéasome 26S) souris Muscle squelettique 5 mois vs 30 mois β2, β7 (protéasome 20 S) sous-unités du 19S (protéasome 26S)

35 Protéasome et vieillissement des drosophiles Performances physiques drosophiles jeunes : 1-2 jours / drosophiles âgées : jours (Vernace et al., 2007)

36 Surexpression du protéasome Rpn11 contrôle Rpn + Rpn - Protéines ubiquitinylées

37 Rôle de l oxydation des LDL dans l athérogenèse Les LDL oxydées représentent un facteur de risque majeur dans l athérogenèse et sont impliquées dans les événements précoces de formation de la plaque : - Attraction dans la paroi des cellules mononuclées (macrophages et lymphocytes T) - Formation de cellules spumeuses - Migration et prolifération des cellules musculaires lisses - Dysfonction endothéliale (apoptose et nécrose) - Potentialisation des effets toxiques des LDL oxydées par inhibition du protéasome

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40 Inhibition du protéasome dans les cerveaux de patients Alzheimer Accumulation de protéines oxydées Dégénérescence cellulaire Mort neuronale