Stress oxydant et Vieillissement DIU ONCOGERIATRIE 2010 Isabelle Petropoulos Equipe Biologie Cellulaire du Vieillissement UR4, Vieillissement, stress et Inflammation
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
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
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
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
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
Production mitochondriale des ERO
Systèmes de défenses cellulaires O2 - + O2 - + 2H + 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
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)
Principales modifications oxydatives de l ADN
Dommages oxydatifs à l ADN ADN nucléaire (foie) ADN mitochondrial (foie) Âge (en mois)
Oxydation des acides gras insaturés
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
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,
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
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)
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
Surexpression de la catalase dans les mitochondries U/mg U/mg Activité catalase dans la fraction mitochondriale de coeur Activité catalase dans différents tissus
Protection contre le stress oxydant Production d ERO Oxydation et lésions de l ADN
ELIMINATION DES PROTEINES OXYDEES LE PROTEASOME Rôles dans le vieillissement et les maladies liées à l âge
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
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
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)
Levine and Stadtman, 2001, Exp. Gerontol., 36:1495-1502 (fibroblastes humains, cristallin human, cerveau humain, foie de rat, mouche)
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
Le protéasome : machinerie d élimination des protéines endommagées α β β α Chymotrypsine-similaire Hydrolase post-glutamique Trypsine-similaire Protéasome 20S
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)
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
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
Effet de l âge sur les activités du protéasome espèce tissu âge effet sur l activité Humain Lymphocytes T 21-30 ans vs 65-85 ans Chymotrypsine Cristallin clair vs cataracte Chymotrypsine Rat Foie Coeur Poumon Cerveau muscle 3-8 mois vs 24-34 mois 3 mois vs 28 mois 4 mois vs 34 mois Chymotrypsine Trypsine PGPH Chymotrypsine Chymotrypsine Trypsine PGPH
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)
Protéasome et vieillissement des drosophiles Performances physiques drosophiles jeunes : 1-2 jours / drosophiles âgées : 43-47 jours (Vernace et al., 2007)
Surexpression du protéasome Rpn11 contrôle Rpn + Rpn - Protéines ubiquitinylées
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
Inhibition du protéasome dans les cerveaux de patients Alzheimer Accumulation de protéines oxydées Dégénérescence cellulaire Mort neuronale