La sénescence cellulaire

Conférencière : Sharon Marr, B.Sc., M.D., FRCP(C), M.Ed., Université McMaster & Centre des Sciences de la Santé d’Hamilton, Division de médecine gériatrique et de médecine interne générale, Hamilton, ON.

Dans son allocution prononcée devant les stagiaires en gériatrie, la D^re Marr s’est attachée à promouvoir une meilleure compréhension des changements cellulaires accompagnant le vieillissement, à clarifier les concepts de base concernant l’ADN et l’expression des gènes affectant la sénescence, à exposer en détail les mécanismes de défense cellulaire et à faire le point sur les implications cli-niques de la sénescence cellulaire.

Étant donné les augmentations prévues de la population des personnes âgées et le fardeau des maladies liées au vieillissement sur le système de soins de santé, une meilleure compréhension de la biologie du vieillissement est très importante pour les cliniciens. La D^re Marr a distingué le concept de durée de vie, définie comme une durée constante maximale de la vie d’un membre d’une espèce dans des conditions optimales de vie (p. ex., 120 ans), de celui d’es-pérance de vie, qui est l’estimation statistique du nombre d’années de vie qu’on peut espérer vivre à un âge donné.

Les facteurs de la durée de la vie en rapport avec les changements cellulaires liés au vieillissement comprennent des facteurs génétiques et environnementaux (p. ex. l’impact qu’ont sur la durée de vie, la restriction calorique, les dommages/ mutations de l’ADN, le rayonnement ionisant, le stress oxydatif à l’intérieur ou à l’extérieur de la cellule), ainsi que les stress psychologiques et métaboliques, comme le diabète.

La sénescence cellulaire (du latin senex, âgé) est fondamentalement comprise comme un processus induit par l’évolution de la constitution génétique d’un organisme. Le concept englobe tous les processus biologiques d’un organisme vivant qui vieillit. La sénescence induit des modifications fonctionnelles dans les cellules qui ont un « potentiel réplicatif complet » et dans celles qui sont en phase post-mitotique.

Elle a abordé l’importance du phénomène de Hayflick dans la sénescence cellulaire. La limite fait référence à la découverte que les cellules humaines dérivées de tissus embryonnaires ne peuvent se diviser qu’un nombre de fois li-mité en culture. Le D^r Hayflick et ses collègues, qui travaillaient sur des fibroblastes diploïdes humains (un type cellulaire présent dans le tissu conjonctif), ont trouvé qu’ils cessent de croître in vitro après un nombre limité de doublements de population (~ 50 réplications), un phénomène dénommé « sénescence réplicative », qui sert de modèle à la compréhension du vieillissement humain.

La D^re Marr a parlé de l’importance du raccourcissement des télomères. Les télomères sont des sections non codantes situées aux extrémités des chromosomes ; ils protègent ainsi contre la fusion des extrémités chromosomiques. Chez les vertébrés, ils sont composés de séquences répétitives de TTAGGG. À chaque réplication, notre ADN se raccourcit un peu.

Le raccourcissement des télomères est maintenant considéré comme le mécanisme causal principal de la sénescence réplicative.¹ Une autre découverte capitale a aussi été celle de James Watson qui a montré que l’ADN polymérase ne pouvait pas complètement synthétiser l’extrémité 3’ de l’ADN linéaire. À partir de l’idée de réplications incomplètes des extrémités chromosomiques, Alexey Olovnikov a observé que les cellules somatiques humaines ne pouvaient pas complètement réparer le raccourcissement chromosomique au cours de la réplication de l’ADN, et que cette dégradation se produisait chaque fois. Olovnikov a suggéré que le problème de la réplication des extrémités occasionnerait un raccourcissement du télomère au cours de chaque réplication et que ce mécanisme serait la cause de la sénescence réplicative. Néanmoins, d’autres recherches ont montré que l’activité de la télomérase peut aussi allonger les télomères et corriger l’érosion normale du télomère.

Les recherches génétiques ont également ouvert de nouvelles perspectives sur le vieillissement humain et la sénescence cellulaire. Les syndromes de vieillissement accéléré ont mis en évidence le rôle des gènes, comme dans le syndrome de Werner, une anomalie du gène WRN, situé sur le bras court du chromosome 8. L’anomalie est directement causée par un mauvais entretien du télomère, qui devient plus court que la normale, ce qui affecte la réplication de l’ADN.

Des études menées chez l’animal portant sur l’érosion et le raccourcissement du télomère ont suggéré que ce raccourcissement était corrélé au vieillissement, et que l’âge chronologique n’était pas un prédicteur de l’espérance de vie.²

En général, a résumé la D^re Marr, la sénescence réplicative est associée à la perte progressive de la réplication du brin d’ADN télomérique aux extrémités des molécules d’ADN, et les télomères deviennent plus courts à chaque division cellulaire. On a observé que certaines protéines (p. ex., la b-galactosidase et les protéines suppresseurs de tumeurs) sont protectrices contre certains cancers (p53, p21, et p16) et sont sujettes à une régulation positive. Le dommage génétique et le stress oxydatif contribuent aussi au raccourcissement télomérique par une atteinte directe de l’ADN.

La D^re Marr a alors parlé des effets de l’âge sur les organes, qui vieillissent à des vitesses différentes, puis est passée aux baisses du système immunitaire avec l’âge. Le système immunitaire inné, première ligne de défense contre l’infection, comprend les neutrophiles, les macrophages, les cellules tueuses naturelles, ainsi que les cytokines et les chimiokines. Par exemple, les neutrophiles sont sujets à des réductions, liées à l’âge, de la phagocytose, de l’explosion oxydative et de l’activité bactéricide, alors que les macrophages perdent en vieillissant l’efficacité de phagocytose, de l’explosion oxydative et de l’expression des CMH de classe II. Comme autre changement important, il y a aussi le renforcement d’un état pro-inflammatoire avec une augmentation des cytokines. Un tel état peut accroître ou stimuler le développement de maladies comme l’ostéoporose, la neurodégénérescence et l’athérosclérose coronarienne, et il génère des produits de dégradation difficiles à éliminer.

Pour ce qui est de l’altération de l’immunité adaptative, dans les cellules T, l’involution thymique accélère la perte progressive des cellules T naïves, et il y a une diminution de la capacité de traiter de nouveaux pathogènes, entre autres effets délétères. Les principales modifications au niveau des cellules B comprennent la réduction des cellules B naïves, la baisse de production d’immunoglobuline (IgM>IgG), l’augmentation des autoanticorps et la réduction de l’affinité de liaison des anticorps.

Malgré une immunogénicité réduite, il y des données clairement en faveur de certaines vaccinations chez les personnes âgées. Par exemple, avec le nouveau vaccin contre la varicelle et le zona on observe une réduction de 61 % de l’herpès zoster et de 66 % de la névralgie post-herpétique.³

Quant aux implications de la sénescence cellulaire sur les maladies cardiovasculaires et leur traitement, les cellules endothéliales coronariennes et les cellules musculaires lisses vieillissent avec nous, a fait remarquer la D^re Marr en citant un travail de coloration de dépôts de protéines qui était positive pour la b-galactosidase (associée à la sénescence). D’autres études portant sur l’altération des télomères ont mis en évidence une augmentation de la prolifération des myocytes cardiaques, une hypertrophie des myocytes et une insuffisance cardiaque, ce qui suggère que le raccourcissement des télomères avec l’âge peut aussi contribuer à l’insuffisance cardiaque chez les humains.⁴

Le vieillissement du muscle squelettique est également préoccupant, et elle a rappelé à son auditoire que le vieillissement est associé à une perte graduelle de la masse et de la force musculaires, déclin débutant dès l’âge de 25 ans (Figure 1). Il y a une infiltration plus importante de graisses dans les cellules, et les fibres musculaires à contraction rapide vieillissent plus rapidement que les fibres à contraction lente.⁵ Les facteurs contribuant au vieillissement du muscle squelettique comprennent une capacité proliférative réduite des cellules musculaires et les effets indésirables du stress oxydatif, pouvant occasionner un vieillissement musculaire prématuré. De plus, il y a les effets bien connus du vieillissement osseux, avec une réduction de la formation osseuse et une réduction de l’entretien et de la réparation du cartilage.

 

Pour terminer par une réflexion sur les implications cliniques du vieillissement cellulaire, la D^re Marr a signalé le risque accru d’infection, et l’augmentation du fardeau de la maladie liée à une immunogénicité plus faible ; cependant, un espoir réside dans de nouvelles recherches sur la prévention de nombreuses formes de cancers de la vieillesse (p. ex., par répression de la télomérase ectopique ou l’inhibition de la télomérase) et dans l’importance de plus en plus reconnue d’éviter les stress environnementaux et de promouvoir des habitudes de vie saines.

Références :

1. Shawi M, Autexier C. Telomerase, senescence and ageing. Mech Age Devel 2008;129:3–10.
2. Bize P, Criscuolo F, Metcalfe NB, et al. Telomere dynamics rather than age predict life expectancy in the wild. Proc Biol Sci 2009;276:1679-83.
3. Oxman MN, Levin MJ, Johnson GR, et al. A vaccine to prevent herpes zoster and postherpetic neuralgia in older adults. N Engl J Med 2005;352:2271–84.
4. Leri A, Franco S, Zacheo A, et al. Ablation of telomerase and telomere loss leads to cardiac dilatation and heart failure associated with p53 upregulation. EMBO J 2003;22:131–9.
5. Lexell J. Human aging, muscle mass, and fiber type composition. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 1995;50 Spec No:11–6.

Cellular Senescence

Speaker: Sharon Marr, BSc, MD, FRCP(C), MEd, McMaster University & Hamilton Health Sciences Centre, Division of Geriatrics and General Internal Medicine, Hamilton, ON.

In her address to geriatrics trainees, Dr. Sharon Marr aimed to promote a clearer understanding of the cellular changes accompanying aging, to clarify basic concepts relevant to DNA and gene expression that affect senescence, to detail cellular defense mechanisms, and to review the clinical implications of cellular senescence.

Given projected increases in the population of older adults, and the burden of age-associated disease on the health care system, a better understanding of the biology of aging is of value to clinicians. Dr. Marr distinguished between the concepts of lifespan, defined as a constant, maximum length of life for a member of a species under optimum living conditions (e.g., 120 years), and life expectancy, which is the statistically calculated estimate of the number of years of life one is expected to live at any given age.

Lifespan factors relevant to cellular changes with aging include genetic and environmental factors (e.g., impact on lifespan of caloric restriction, DNA damage/mutations, ionizing radiation, oxidative stress within or outside the cell), as well as psychological and metabolic stress, such as diabetes.

Cellular senescence (derived from the Latin senex, or old age) is fundamentally understood as a process induced by evolution into an organism’s genetic make-up. The concept encompasses all of the biological processes of a living organism as it ages. Senescence induces functional changes in cells with “full replicative potential” and in those in the post-mitotic phase.

She discussed the relevance of the Hayflick phenomenon to cellular senescence. The limit refers to the finding that human cells derived from embryonic tissues can only divide a finite number of times in culture. Dr. Hayflick and colleagues, working with human diploid fibroblasts (a cell type found in connective tissue) found that they cease to grow in vitro after a limited number of population doublings (~50 replications), a phenomenon named “replicative senescence,” which serves as a model to understand human aging.

Dr. Marr then discussed the relevance of telomere shortening. Telomeres are noncoding regions at the tips of chromosomes; this capping prevents chromosome fusions. In vertebrates, they are composed of repeated sequences of TTAGGG. With each replication our DNA starts to shorten a bit.

Telomere shortening is now considered the main causal mechanism of replicative senescence.¹ Also key were James Watson’s findings that DNA polymerase could not fully synthesize the 3’ end of linear DNA. Building on the insight into incomplete replications of chromosome ends, Alexey Olovnikov observed that human somatic cells could not fully repair chromosome shortening during DNA replication, and that damage occurs each time. Olovnikov proposed that the end-replication problem would result in telomere shortening with each round of replication and that this mechanism could be the cause of replicative senescence. However, further research has shown that telomerase activity can also elongate telomeres and correct the normal telomere erosion.

Research in genetics has also provided insight into human aging and cell senescence. Accelerated aging syndromes have highlighted the role of genes, such as in Werner’s syndrome, a defect on the WRN gene, located on the short arm of the 8th chromosome. The disorder is directly caused by shorter-than-normal length telomere maintenance and impairs DNA replication.

Animal studies into telomere erosion and shortening have suggested that this shortening is correlated with aging, and that chronological age is not a predictor of life expectancy.²

In general, Dr. Marr summarized, replicative senescence is associated with progressive loss of telomeric DNA strand replication of the ends of DNA molecules and telomeres become shorter with each cell division. Certain proteins (e.g., b-Galactosidase and tumour suppressor proteins) have been found to be protective against certain cancers (p53, p21, and p16) are up-regulated. Genetic and oxidative damage also contributes to telomere shortening by direct damage to DNA.

Dr. Marr then spoke to aging’s effects on organs, which age at different rates, and then turned to age-related decrements in the immune system. The innate immune system, the first line of defense against infection, comprises neutrophils, macrophages, natural killer cells, and cytokines and chemokines. For example, neutrophils experience age-related decreases in phagocytosis, oxidative burst, and bactericidal activity, while macrophages with age lose efficiency in phagocytosis, oxidative burst, and MHC class II expression. Other key changes include promotion of a pro-inflammatory state with increased cytokines. Such a state may increase or stimulate the development of diseases such as osteoporosis, neurodegeneration, and atherosclerotic heart disease, and such a state produces degradation products that are difficult to eliminate.

In terms of altered adaptive immunity, in T-cells, thymic involution hastens progressive loss of naïve T-cells, and there is decreased ability to process new pathogens, among other deleterious effects. Key B-cell changes include reduced naïve B cells, decreased immunoglobulin generation (IgM>IgG), increased autoantibodies, and reduced antibody binding affinity
Despite reduced immunogenicity, evidence for certain vaccinations in older adults is clear. For example, the new varicella zoster vaccine found that herpes zoster was reduced by 61% and post-herpetic neuralgia by 66%.³

Regarding the implications of cell senescence on cardiovascular disease and treatment, Dr. Marr noted that coronary endothelial cells and smooth muscle cells age as we age, citing work with stains on protein deposition that were positive for b-Galactosidase (associated with senescence). Other studies investigating telomere knock out have cited an increase in cardiac myocyte proliferation, myocyte hypertrophy and heart failure, suggesting that telomere shortening with age could also contribute to cardiac failure in humans.⁴

Skeletal muscle aging is also of concern, and she reminded listeners that aging is associated with gradual loss of muscle mass and strength, a decline that begins as early as age 25 (Figure 1). There is more infiltration of fat into cells, and fast-twitch muscle fibres age at an accelerated pace compared to slow-twitch.⁵ Factors that contribute to skeletal muscle aging include the decreased proliferative ability of muscle cells and the adverse effects of oxidative stress, which can cause premature muscle aging. In addition, there are well-known effects of aging bone, with decreased bone formation and decreased cartilage maintenance and repair.

 

Closing with a consideration of the clinical implications of cellular aging, Dr. Marr cited increased risk of infection, and increased burden of illness with poorer immunogenicity; however, hope lies in new research into preventing many forms of late-life cancer (e.g., via repressing ectopic telomerase or inhibition of telomerase), and the increasingly recognized importance of avoiding environmental stresses and promoting good lifestyle habits.

References:

1. Shawi M, Autexier C. Telomerase, senescence and ageing. Mech Age Devel 2008;129:3–10.
2. Bize P, Criscuolo F, Metcalfe NB, et al. Telomere dynamics rather than age predict life expectancy in the wild. Proc Biol Sci 2009;276:1679–83.
3. Oxman MN, Levin MJ, Johnson GR, et al. A vaccine to prevent herpes zoster and postherpetic neuralgia in older adults. N Engl J Med 2005;352:2271–84.
4. Leri A, Franco S, Zacheo A, et al. Ablation of telomerase and telomere loss leads to cardiac dilatation and heart failure associated with p53 upregulation. EMBO J 2003;22:131–9.
5. Lexell J. Human aging, muscle mass, and fiber type composition. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 1995;50 Spec No:11–6.

Anna Liachenko, BSc, MSc
Managing Editor,
Geriatrics & Aging

The relationship between aging and cancer has its basis in cell cycle alterations. While multiple factors affect cell cycle progression, recent research has directed a great deal of attention to telomere length as a key factor affecting mammalian cell proliferation. This article discusses recent findings with respect to the role of telomeres and telomerase in cancer, cellular aging, and longevity.

Telomeres are short DNA repeats located at the ends of eukaryotic chromosomes. Telomeres cap chromosomal ends preventing the loss of important genes during cell division. With every cell division, the length of telomeres decreases unless it is corrected by telomerase, a ribonucleoprotein enzyme that extends the telomeres by adding hexameric nucleotide repeats to the ends of chromosomes. In humans, telomeres are short, and telomerase activity is low in many somatic tissues but is present in germ cells, activated leukocytes, and stem cells from a variety of organs. The study of telomeres has been hampered by the fact that classical animal models, such as mice, have highly active telomerase. This results in long telomeres that do not shorten enough during the animal lifespan to play a significant role in cellular aging. Recently, a genetically altered telomerase-deficient mouse model has been created by a group of researchers at Harvard.