CM5: Cellules Souches, Vieillissement et Rajeunissement - Licence Santé 3ème année

Licence Santé 3ème année UE Biologie et pathologies du vieillissement CM 5: Cellules souches, vieillissement et rajeunissement Audrey DER VARTANIAN (MCF) TEAM GEIC2O GENE-ENVIRONMENT INTERACTIONS IN COPD, CYSTIC FIBROSIS AND OTHER CHRON...

Licence Santé 3ème année UE Biologie et pathologies du vieillissement CM 5: Cellules souches, vieillissement et rajeunissement Audrey DER VARTANIAN (MCF) TEAM GEIC2O GENE-ENVIRONMENT INTERACTIONS IN COPD, CYSTIC FIBROSIS AND OTHER CHRONIC LUNG DISEASES Team leader: Sophie LANONE Institut Mondor de Recherche Biomédicale (IMRB) – INSERM U955 Faculté de Santé – 8 rue du Général Sarrail – 5ème étage CONTACT: [email protected] Licence Santé 3ème année CM5: cellules souches, vieillissement et UE Biologie et pathologies rajeunissement du vieillissement u Partie 1: Vieillissement u Partie 2: Cellules souches & niche environnementale u Partie 3: Exemples des HSC et MuSC Rajeunissement u Partie 4: Etude parabiose & rajeunissement Cellules ? Pourquoi? Quel est le lien entre les cellules souches et le vieillissement? Peut-on envisager un rajeunissement tissulaire? souches Etre capable d’en discuter Vieillissement Objectif final u Comprendre les concepts du vieillissement u Savoir citer les atteintes subit par les cellules souches au cours du vieillissement u Savoir réexpliquer les différences et similitudes entre les différentes types de cellules souches âgées u Comprendre les pistes usitées pour des thérapies de rajeunissement Partie 1: Le vieillissement  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Qu’est ce que le vieillissement? u Le vieillissement se caractérise par u une perte progressive de l'intégrité physiologique, u Déclin de la fonction physiologique u vulnérabilité accrue à la mort. u Cette détérioration est le premier facteur de risque de grandes pathologies humaines, dont le cancer, le diabète, les troubles cardiovasculaires et les maladies neurodégénératives. Aging process Fonction physiologique Fonction physiologique Physiopathologie Mort optimale en déclin Lopez-Otin et al., 2013, Cell  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Les théories du vieillissement Aging process Le vieillissement, un processus écrit ou stochastique? Lopez-Otin et al., 2013, Cell  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Les théories du vieillissement Théorie programmée Aging program Théorie pseudo- De très nombreuses Théorie Mixte programmée Deleteriome activating an Deleterious perpetuation of théories s’affrontent et aging program development se confondent. On peut à peu près toutes les classer selon 4 grandes classes: Théorie stochastique Deleteriome Schmeer et al., 2019 Cells Le vieillissement, un processus écrit ou stochastique? Lopez-Otin et al., 2013, Cell Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Théorie Classification des théories stochastique Deleteriome Théorie stochastique: u La théorie stochastique propage le concept selon lequel le vieillissement est l’accumulation au cours du temps d’ événements génotoxiques, du stress oxydatif, de la perte des capacités de réparation et d'autres caractéristiques qui expliquent la détérioration cellulaire. è on parle de « Deleteriome » u Il est dépourvu d'un but biologique, il suit l'objectif évolutif de donner la priorité aux organismes jeunes par rapport aux organismes âgés pour assurer la continuité de l’espèce. Ex: la théorie des radicaux libres proposée par Denhan Harman en 1956, suggérant que la dégradation des composants cellulaires par accumulation successive d'espèces oxygénées dépasse les mécanismes anti-oxydant Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Théorie Théorie Classification des théories stochastique programmée Deleteriome Aging program Théorie programmée: u Sénescence réplicative: Une approche intéressante est celle du “Vieillissement cellulaire programmé” développée par le biologiste L. Haylflick(1961) qui a découvert que les cellules humaines normales ont un potentiel de division limité avant leur mort. u Télomère & division cellulaire:. En 1971, le biologiste russe A.Olovnikov è raccourcissement progressif des Télomères, En 1985, E. Blackburn et C.Greider ont renforcé cette explication par la découverte de la Télomérase. èNobel de médecine en 2009. Attention senescence réplicative ≠ senescence induite par le stress Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Théorie Théorie Mixte Théorie Classification des théories stochastique Deleteriome programmée Deleteriome activating an aging Aging program program Théorie mixte: u Longivité programmée: la théorie programmée proposée (nutrition & gènes) par Valter Longo et ses collègues en 2005 est basée sur les idées d'August Weismann au 19ème siècle, u explique le vieillissement et la mort grâce à un programme génétique qui a évolué pour profiter aux générations futures. u Théorie qui instituait pour la première fois la distinction au cœur du vivant entre d’une part l’hérédité (plasma germinatif) et d’autre part, la structure et l’activité métabolique de l’organisme (plasma somatique). Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Théorie Théorie Mixte Théorie Théorie de la Classification des théories stochastique Deleteriome programmée géroconversion Deleteriome activating an aging Aging program Deleterious perpetuation of program development Théorie pseudo-programmée, théorie de l’hyperactivité: u Géroconversion: reflète la pléiotropie antagoniste de G. Williams inventée par Mikhail Blagosklonny en 2013, selon laquelle le vieillissement "n'est pas et ne peut pas être programmé", car il reflète la poursuite d'un programme embryonnaire à l'âge adulte, qui ne peut pas être désactivé mais perd son sens avec le temps. u Un tel pseudo-programme est caractérisé par: u une croissance sans division cellulaire, u la sénescence cellulaire, considérée comme une continuation de la différenciation. (*pléiotropie : un gène détermine plusieurs caractères phénotypiques)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Théorie Théorie Mixte Théorie Théorie de la Classification des théories stochastique Deleteriome programmée géroconversion Deleteriome activating an aging Aging program Deleterious perpetuation of program development Théorie pseudo-programmé, théorie de l’hyperactivité: u la théorie de l'hyperfonctionnement: énoncée par Mikhail Blagosklonny en 2008 qui suggère qu'une hyperactivité soutenue des gènes pendant la fenêtre de l'âge de procréer provoque un état d'hypertrophie cellulaire qui entraîne le vieillissement, mais n'est pas principalement lié aux dommages moléculaires. : nt è En conclusion, le vieillissement est donc supposé provenir d'un pseudo-programme génétique rappelant me les reliques d'un programme d’une croissance développementale, pourtant indépendant d’un tre « deleteriome ». au Dit Conceptuellement complexe: le vieillissement pourrait ne pas être programmé il n’est qu’une conséquence du programme de développement, avec une dérive stochastique (mais pas d’événement stochastique) Sur quel ensemble de caractéristiques du vieillissement sont vraiment basées ces théories?  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Caractéristiques du vieillissement Le vieillissement se caractérise par u Une altération de la communication cellulaire u Instabilité génomique, Vu avec M. Borok u Raccourcissement des télomères, u Altérations épigénétiques, u Diminution de la synthèse protéique u Dérégulation des mécanismes de détection des nutriments, u Dysfonctionnement mitochondriale u Sénescence cellulaire, u Epuisement des cellules souches Lopez-O(n et al., 2013, Cell Brunet et al. 2022  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Introduction Caractéristiques du vieillissement Le vieillissement se caractérise par Une altération de la communication ire u Gé cellulaire la Instabilité génomique, né u lu el Raccourcissement des télomères, tiq u C ue u Altérations épigénétiques, u Diminution de la synthèse protéique u Dérégulation des mécanismes de détection des nutriments, u Dysfonctionnement mitochondriale u Sénescence cellulaire, u Epuisement des cellules souches Un défi majeur consiste à disséquer les marques relatives au Métabolique vieillissement. Lopez-Otin et al., 2013, Cell Brunet et al. 2022  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques génétiques Dommages à l’ADN u L'intégrité et la stabilité de l'ADN sont continuellement mises à l'épreuve par des agents physiques, chimiques et biologiques exogènes, ainsi que par des menaces endogènes, notamment des erreurs de réplication de l'ADN, des réactions hydrolytiques spontanées et des ROS u Les lésions génétiques résultant de dommages extrinsèques ou intrinsèques sont très diverses et comprennent des mutations ponctuelles, des translocations, des gains et des pertes chromosomiques, un raccourcissement des télomères et des perturbations génétiques causées par l'intégration de virus ou transposons. Réparation de l’ADN Agression BER, base excision repair; HR, homologous recombination; NER, nucleotide excision repair; NHEJ, nonhomologous end-joining; MMR, mismatch repair; ROS, reactive oxygen species; TLS, translesion synthesis; SAC, spindle assembly checkpoint moléculaire Lopez-Otin et al., 2013, Cell  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques génétiques Epigénétique & régulation du transcriptome u Altérations épigénétiques è toutes les cellules et tous les tissus tout au long de la vie. u méthylation de l'ADN, u une modification post-traductionnelle des histones u et un remodelage de la chromatine. u ADN méthyltransférases, u les histones acétylases, u les désacétylases, u les méthylases Signature spécifique u et les déméthylases, u ainsi que les complexes protéiques impliqués dans le remodelage de la chromatine. (Talens et al., 2012) Lopez-Otin et al., 2013, Cell  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques génétiques Epigénétique & régulation du transcriptome u Le bruit transcriptionnel est une cause principale de la variabilité de l'expression génique se produisant entre les cellules dans les populations isogéniques. Bruit transcriptionnel lié à l'âge et expression de gènes illégitimes dans les cellules. Lopez-Otin et al., 2013, Cell  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques métaboliques Altération de l’homéostasie protéique u Diminution de l’expression des protéines chaperonnes de la famille des HSP (Heat choc protein). u La réponse au stress du protéasome est majoritairement médiée par le facteur de transcription HSF-1 qui est compromise à cause des modification post-traductionnelles de HSF-1 au cours du vieillissement (phosphorylation et acétylation) Clairance Agression protéasome (Koga et al., 2011 ; Powers et al., 2009; van Ham et al., 2010).  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques métaboliques Altération de l’homéostasie protéique u Perte d’efficacité de la dégradation protéique u Altérations des mécanismes de repliement des protéines u Mauvaise régulation de la protéotoxicité. Dégradation protéique Repliement Protéotoxicité Tous ces systèmes fonctionnent de manière coordonnée pour: - restaurer la structure des polypeptides mal repliés - éliminer et les dégrader complètement - assurer le renouvellement continu des protéines intracellulaires. Clairance Agression protéasome (Koga et al., 2011 ; Powers et al., 2009; van Ham et al., 2010). Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques métaboliques Altération de l’homéostasie protéique Exemple: MOAG-4/SERF favorise l'agrégation des protéines de maladies sujettes à l'agrégation dans la pathologie d’Alzheimer et Parkinson. (Van Ham et al., 2010). Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques métaboliques Altération des systèmes de détection de nutriments Insulin and IGF-1 signaling (voie ISS) u La voie IIS est la voie de contrôle du vieillissement la plus conservée dans l'évolution. u Les polymorphismes génétiques ou les mutations qui réduisent les fonctions de la GH, du récepteur à l’ IGF-1, du récepteur de l'insuline ou des effecteurs intracellulaires en aval tels que AKT, mTOR et FOXO ont été associés à la longévité. Collectivement, les preuves actuellement disponibles soutiennent fortement l'idée que la signalisation anabolique accélère le vieillissement et que la diminution de la signalisation des nutriments prolonge la longévité. (Barzilai et al., 2012 ; Fontana et al., 2010 ; Kenyon, 2010). Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques cellulaires Senescence u la sénescence cellulaire peut être définie comme un arrêt stable du cycle cellulaire couplé à des changements phénotypiques stéréotypés. u Sénescence réplicative liée au raccourcissement des télomères. u les dommages à l'ADN non télomérique et l’expression du locus INK4/ARF (p16), qui se produisent tous deux progressivement avec le vieillissement chronologique, sont également capables d'induire la sénescence u la sénescence n'est pas homogène (+++ foie, peau, poumons, rate; - - - dans cœur, muscles et reins) (Campisi et d'Adda di Fagagna, 2007 ; Collado et al., 2007 ; Kuilman et al., 2010)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Partie 1: le vieillissement Caractéristiques cellulaires Epuisement des cellules souches u Perte du nombre et/ou de l'activité des cellules souches. u Exemples: système hématopoïétique, intestin, muscles, cerveau, la peau et la lignée germinale. u Les cellules souches peuvent accumuler des dommages (senescence induite par le stress). è Leur position à la base des lignées cellulaires rend leur dysfonctionnement potentiellement plus impactant que celui des autres types cellulaires Comprendre le vieillissement des cellules souches = comprendre le vieillissement au niveau des organes. Partie 2: Les cellules souches  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Introduction Qu’est ce qu’une cellule souche? « u Cellules souches: cellules indifférenciées capables de se différencier en une multiplicité de type cellulaire. » Balistreri et al., 2020 Molecular Biology Reports Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Introduction Origine(s) des cellules souches? zygote I ) Cellules souches embryonnaires: totipotent Temps blastocyste u Ce sont des cellules indifférenciées issue de la masse cellulaire interne d’un embryon préimplantatoire au stade de blastocyste: u blastocyste = embryon humain 4 à 5 jours après la fécondation. u masse cellulaire interne = un amas de 50 à 150 cellules (trophectoderme) qui a la propriété de donner naissance in vivo aux trois feuillets embryonnaires (endoderme, mésoderme et ectoderme) à l'origine de tous les tissus d’un être humain adulte. …Théoriquement il est donc possible d’utiliser les cellules souches embryonnaires pour la médecine Thomson, J. et al., Science, , 1998 Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Introduction Origine(s) des cellules souches? zygote II) Cellules souches adultes: totipotent u appelées aussi « cellules souches somatiques » ou « cellules souches tissulaires » = populations rares de cellules sui constitues un réservoir cellulaire en postnatal. Temps blastocyste u donnent naissance à un nombre limité de types de cellules matures qui: u construisent le tissu dans lequel elles résident. u remplacent les cellules perdues en raison du renouvellement ou suite à une agression tissulaire = l'homéostasie tissulaire. u è on parle de cellules progénitrices. èOn parle de cellules progénitrices. Exemple: de cellules souches adultes bien étudiées chez les mammifères comprennent les cellules souches du sang, de la peau, de l’ intestin, des muscles. Nature Reviews Molecular Cell Biology (Nat Rev Mol Cell Biol) ISSN 1471-0080 (online) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Différences conceptuelles zygote totipotent Cellules souches embryonnaires vs. adultes: Temps blastocyste u Il existe donc une hétérogénéité des cellules souches en fonction de la dynamique du temps. u Il existe donc une capacité différentielle entre les cellules souches dans leur devenir cellulaire. u Elles peuvent donc avoir des finalités différentes. ? Pourquoi elles sont regroupées sous le même terme de « cellules souches » alors? Nature Reviews Molecular Cell Biology (Nat Rev Mol Cell Biol) ISSN 1471-0080 (online)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Similitudes conceptuelles zygote La différenciation cellulaire totipotent u cellules indifférenciées capables de se différencier en une multiplicité de type cellulaire vers un stade plus mature. Temps blastocyste Spécification différenciation ? Cellule souche ? Cellule différenciée mature u Totipotentes génèrent tous les types cellulaire (ex: zygote) u Pluripotentes génèrent toutes les cellules embryoniques des 3 feuillets (endo-, ecto-, mesoderme) è Ne peut pas donner les tissues extra-embryonnaire (ex: placenta). u Multipotentes génèrent un nombre limité de types cellulaire, en fonction de leur tissu d’origine. u Oligopotentes génèrent que quelques cellules relativement proches (Ex: lignée myéloide) Dites u Unipotentes génèrent UN seul type cellulaire (Ex: cellules souches du muscle) « Progénitrices » Nature Reviews Molecular Cell Biology (Nat Rev Mol Cell Biol)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Similitudes conceptuelles zygote La différenciation cellulaire totipotent u cellules indifférenciées capables de se différencier en une multiplicité de type cellulaire vers un stade plus mature. Temps blastocyste ? Spécification différenciation ? Cellule souche ? Cellule différenciée mature ? ? L’auto-renouvellement u C’est maintenir un réservoir de cellules souches. Nature Reviews Molecular Cell Biology (Nat Rev Mol Cell Biol) Fuchs E, Segre JA. Stem cells: a new lease on life. Cell 2000 Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Vieillissement des cellules souches zygote C Cellules souches germinales = gamètes totipotent T A e P blastocyste m A C p Cellules souches embryonnaires Population à part entière I ou déclin fonctionnel? s T Quelles différences ? T E Pourquoi cette distinction est-elle E importante? M P Cellules souches somatiques, adultes S ? ? Altération fonctionnelles? Cellules souches gériatriques? Schultz et al. 2016, Development; Schmeer et al., 2019 Cells Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Vieillissement des cellules souches u Les cellules souches adultes vieillissantes partagent-elles des caractéristiques similaires indépendamment de leur origine tissulaire et qui les distingueraient des cellules souches adultes jeunes ? Population à part entière ou déclin fonctionnel? Quelles différences ? Pourquoi cette distinction est-elle importante? Schultz et al. 2016, Development; Schmeer et al., 2019 Cells Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Vieillissement des cellules souches u Les cellules souches adultes vieillissantes partagent-elles des caractéristiques similaires indépendamment de leur origine tissulaire et qui les distingueraient des cellules souches adultes jeunes ? u Leur nombre est-il conservé avec des fonctions différentes ou bien le Population à part entière réservoir de cellules souches adultes varie avec l'âge mais conservent ou déclin fonctionnel? ses rôles? Quelles différences ? Pourquoi cette distinction est-elle importante? Schultz et al. 2016, Development; Schmeer et al., 2019 Cells Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Vieillissement des cellules souches u Les cellules souches adultes vieillissantes partagent-elles des caractéristiques similaires indépendamment de leur origine tissulaire et qui les distingueraient des cellules souches adultes jeunes ? u Leur nombre est-il conservé avec des fonctions différentes ou bien le Population à part entière réservoir de cellules souches adultes varie avec l'âge mais conservent ou déclin fonctionnel? ses rôles? Quelles différences ? u Ou y’a-t-il une hétérogénéité cellulaire des cellules souches au sein du Pourquoi cette distinction est-elle même tissus vieillissant ou est-ce leur environnement qui change? importante? Schultz et al. 2016, Development; Schmeer et al., 2019 Cells Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Caractéristiques des cellules souches Vieillissement des cellules souches u Les cellules souches adultes vieillissantes partagent-elles des caractéristiques similaires indépendamment de leur origine tissulaire et qui les distingueraient des cellules souches adultes jeunes ? u Leur nombre est-il conservé avec des fonctions différentes ou bien le Population à part entière réservoir de cellules souches adultes varie avec l'âge mais conservent ou déclin fonctionnel? ses rôles? Quelles différences ? u Ou y’a-t-il une hétérogénéité cellulaire des cellules souches au sein du Pourquoi cette distinction est-elle même tissus vieillissant ou est-ce leur environnement qui change? importante? Pour répondre Il faut donc considérer la cellule dans son environnement… ? …mais est-ce que tous les organes contiennent des cellules souches spécifiques aux tissus? Schultz et al. 2016, Development; Schmeer et al., 2019 Cells Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les différentes cellules souches adultes Généralités & impact du vieillissement ? « Qui » sont nos cellules souches adultes exactement? u HSC: hematopoietic stem cells : situées dans la moelle osseuse peut générer toutes les cellules du sang u IESC: intestinal epithelial stem cells: situées dans les cryptes de l'intestin produisent des cellules épithéliales tapissant l'intestin u MSC: mesenchymal stem cells u NSC: neural stem cells u LSC: liver stem cells u MuSC: muscle satellite cells u SESC: skin epidermal stem cells u RSC: retinal stem cells u GSC: germline stem cells u PSC: pancreatic stem cells u … Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les différentes cellules souches adultes Généralités & impact du vieillissement ? Quels sont les impacts communs du vieillissement sur les cellules souches adultes ? u Capacité réduite à produire des progéniteurs engagés u Augmentation de l’hétérogénéité des réservoirs de cellules souches quiescentes u Devenir anormal des cellules souches: u Mutations somatiques et compétition clonale dans les réservoirs de cellules souches u Accumulation de marqueurs de vieillissement. u Le déclin de la fonction des cellules souches lié à l'âge est associé à une détérioration de la fonction et de la réparation des tissus Les études scRNAseq: mettent en évidence des défauts communs mais révèlent également certaines différences dans le vieillissement des cellules souches tissulaires. Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les différentes cellules souches adultes La niche environnementale & impact du vieillissement ? Quels sont les Impacts communs du vieillissement sur la niche des cellules souches?c La « niche des cellules souches » = microenvironnement local au sein d'un tissu dans lequel les cellules souches sont maintenues en quiescence, càd dans un état indifférencié mais peuvent percevoir des stimuli qui déterminent leur sort. u La niche a des conséquences à la fois anatomiques et fonctionnelles sur les cellules souches qu’elle héberge. u Les niches de cellules souches partagent plusieurs caractéristiques clés : u telles que l'association physique entre les cellules de la niche et les cellules souches u ou la synthèse sélective de facteurs (intrinsèques ou extrinsèques) qui permettent de maintenir les cellules souches à l’état de quiescence ou de les activer. Facteurs Intrinsèques = une cellule environnementale sécrète un facteur elle-même Facteurs Extrinsèques = la niche environnementale permet la diffusion d’un facteur sécrété (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Partie 3: Exemples de cellules souches Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Définition u Les HSC se développent en cellules sanguines dans la moelle osseuse. Lorsque les cellules sanguines sont matures et capables de fonctionner, elles quittent la moelle osseuse pour aller dans le sang. u On trouve les cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse, le sang et le sang de cordon ombilical. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Définition u Les HSC se développent en cellules sanguines dans la moelle osseuse. Lorsque les cellules sanguines sont matures et capables de fonctionner, elles quittent la moelle osseuse pour aller dans le sang. u On trouve les cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse, le sang et le sang de cordon ombilical. u Les HSC sont multipotentes: u Lignée myéloïde: les cellules souches myéloïdes deviennent des globules rouges, des plaquettes et d’autres types de globules blancs (neutrophiles, éosinophiles, basophiles et monocytes). (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Définition u Les HSC se développent en cellules sanguines dans la moelle osseuse. Lorsque les cellules sanguines sont matures et capables de fonctionner, elles quittent la moelle osseuse pour aller dans le sang. u On trouve les cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse, le sang et le sang de cordon ombilical. u Les HSC sont multipotentes: u Lignée myéloïde: les cellules souches myéloïdes deviennent des globules rouges, des plaquettes et d’autres types de globules blancs (neutrophiles, éosinophiles, basophiles et monocytes). u lignée lymphoïde: Les cellules souches lymphoïdes deviennent des lymphoblastes, qui deviendront des lymphocytes. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Aging ? Comment le vieillissement impact les HSC? Augmentation du réservoir u Leur nombre: u Le nombre de HSC augmente mais leur fonction diminue avec l'âge. u L’augmentation de la division des HSC en fonction de l'âge suggèrent qu’elle est intrinsèquement régulée chez les jeunes adultes et les adultes âgés (prolifération +++), mais est plus extrinsèquement régulée à l'âge moyen (prolifération ---). è Implication de leur niche environnementale (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Aging Lignée lymphoïde ? Comment le vieillissement impact les HSC? Lignée myéloïde u Leur différenciation/renouvellement: u Perte partielle de l'auto-renouvellement et une différenciation réduite. u Certaines HSC deviennent plus disposées à devenir des progéniteurs myéloides au cours du vieillissement. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques (HSC) Aging Lignée lymphoïde ? Comment le vieillissement impact les HSC? Lignée myéloïde u Leur hétérogénéité: u L'hétérogénéité du réservoir de cellules souches hématopoïétiques entraîne une compétition entre les cellules souches è «hématopoïèse clonale»: u où un ou quelques clones de HSC contribuent de manière disproportionnée à la production de sang au fil du temps. u Accumulation de mutations somatiques. Exemple: gènes codant pour des régulateurs épigénétiques tels que l'ADN méthyltransférase 3A (DNMT3A). Le vieillissement des HSC est donc associé à un risque multiplié par dix de développer un cancer du sang. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Rôles de la niche des HSC dans le vieillissement? Facteurs extrinsèques Facteurs intrinsèques u La niche des HSC a des effets sur u le nombre, u la prolifération, u la localisation, u la capacité de repeuplement in vivo u et le trafic de cellules souches hématopoïétiques (CSH). (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Quel impact de la niche sur les cellules souches? u Chez la souris, les jeunes HSC transplantées ont une efficacité d’engreffement moindre chez les receveurs âgés que chez les receveurs jeunes è rôle des mécanismes cellulaires extrinsèques (et pas seulement intrinsèques) dans le vieillissement des HSC. Le rajeunissement et la restauration du potentiel « multipotent » des HSC restent complexes mais théoriquement réalisables ? (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Quel impact de la niche sur les cellules souches? u Chez la souris, les jeunes HSC transplantées ont une efficacité d’engreffement moindre chez les receveurs âgés que chez les receveurs jeunes è rôle des mécanismes cellulaires extrinsèques (et pas seulement intrinsèques) dans le vieillissement des HSC. Le rajeunissement et la restauration du potentiel « multipotent » des HSC restent complexes mais théoriquement réalisables ? u Exemples: u la chimiokine pro-inflammatoire CCL5 u l’ostéopontine (OPN) (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche Relations entre facteurs intrinsèques et extrinsèques La différenciation asymétrique des HSC au cours du vieillissement entraîne une diminution de la formation osseuse, une augmentation de l'adipogenèse parallèlement à une altération de la vascularisation de la niche. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche Relations entre facteurs intrinsèques et extrinsèques La différenciation asymétrique des HSC au cours du vieillissement entraîne une diminution de la formation osseuse, une augmentation de l'adipogenèse parallèlement à une altération de la vascularisation de la niche. u Interaction adipocytaire: L'accumulation d'adipocytes dans la moelle osseuse entraine des effets négatifs sur l'hématopoïèse et de l'expansion de la lignée myéloïde. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche Relations entre facteurs intrinsèques et extrinsèques La différenciation asymétrique des HSC au cours du vieillissement entraîne une diminution de la formation osseuse, une augmentation de l'adipogenèse parallèlement à une altération de la vascularisation de la niche. u Interaction adipocytaire: L'accumulation d'adipocytes dans la moelle osseuse entraine des effets négatifs sur l'hématopoïèse et de l'expansion de la lignée myéloïde. u Interaction osseuse: La perte osseuse liée à l'âge chez la souris a également été associée à des changements dans le système vasculaire de la moelle osseuse. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche Relations entre facteurs intrinsèques et extrinsèques La différenciation asymétrique des HSC au cours du vieillissement entraîne une diminution de la formation osseuse, une augmentation de l'adipogenèse parallèlement à une altération de la vascularisation de la niche. u Interaction adipocytaire: L'accumulation d'adipocytes dans la moelle osseuse entraine des effets négatifs sur l'hématopoïèse et de l'expansion de la lignée myéloïde. u Interaction osseuse: La perte osseuse liée à l'âge chez la souris a également été associée à des changements dans le système vasculaire de la moelle osseuse. u Interaction vasculaire: u Le nombre de vaisseaux transitionnels et d'artérioles est considérablement réduit chez les souris âgées. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche Relations entre facteurs intrinsèques et extrinsèques La différenciation asymétrique des HSC au cours du vieillissement entraîne une diminution de la formation osseuse, une augmentation de l'adipogenèse parallèlement à une altération de la vascularisation de la niche. u Interaction adipocytaire: L'accumulation d'adipocytes dans la moelle osseuse entraine des effets négatifs sur l'hématopoïèse et de l'expansion de la lignée myéloïde. u Interaction osseuse: La perte osseuse liée à l'âge chez la souris a également été associée à des changements dans le système vasculaire de la moelle osseuse. u Interaction vasculaire: u Le nombre de vaisseaux transitionnels et d'artérioles est considérablement réduit chez les souris âgées. u Interaction nerveuse: u Le vieillissement entraîne également une perte d'innervation des artérioles. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Un rajeunissement du remodelage vasculaire/osseux/nerveux avec l’âge est-il possible? u Le nombre de vaisseaux transitionnels et d'artérioles peut être restauré par l'activation de la voie de signalisation Notch dans les cellules endothéliales è mais ne restaure pas l’ensemble des fonctions des HSC. u L’altération du système vasculaire de la moelle osseuse âgée présente des niveaux élevés de ROS et une diminution de l'expression de certains médiateurs cellulaires comme CXCL12, SCF et Jagged 1 avec l'âge. è les considérer dans un ensemble global pourrait être la clé du rajeunissement vasculaire? Mais … est-ce si simple? (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978) Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Un rajeunissement du remodelage vasculaire/osseux/nerveux avec l’âge est-il possible? u La co-culture de jeunes HSC avec des cellules endothéliales âgées è augmentation du biais de différenciation myéloïde des jeunes HSC. u À l'inverse, les cellules endothéliales jeunes peuvent restaurer la capacité d’autorenouvellement des HSC âgées è mais sont incapables d'inverser leur biais de différenciation myéloïde. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Un rajeunissement du remodelage vasculaire/osseux/nerveux avec l’âge est-il possible? u La dénervation chirurgicale de l'os chez les jeunes souris entraîne toutes les principales caractéristiques du vieillissement des HSC: u telles que l'expansion des HSC à polarisation myéloïde u qui ont une activité de repeuplement réduite u et un nombre accru de foyers γH2AX (un marqueur de dommages à l'ADN). è La dénervation induit un remodelage du microenvironnement de la moelle osseuse qui rappelle celui des souris âgées. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches hématopoïétiques et leur niche ? Un rajeunissement du remodelage vasculaire/osseux/nerveux avec l’âge est-il possible? u Il est important de noter que l'administration d'un agoniste sélectif de l'ADRβ3 (β-3-adrenergic receptor) chez des souris âgées entraine un rajeunissement in vivo des HSC âgées en agissant sur les cellules stromales de la moelle osseuse. Les futures études visant à étudier l'interaction entre les mécanismes intrinsèques et extrinsèques qui régulent le vieillissement des HSC devraient offrir des opportunités thérapeutiques pour atténuer le déclin lié au vieillissement dans le système hématopoïétique. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978)  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Quiescent MuSC Activated MuSC Differentiated MuSC PAX7+ Cellules souches musculaires (MuSC) PAX7 LAMININ DAPI Activation PAX7+ Proliferation MYOD+ Quiescent MuSC Activated MuSC Differentiated MuSC PAX7+ PAX7+ MYOD+PAX7+ PAX7 LAMININ DAPI Activation Proliferation Fusion MYOD+ MYOD+ Cellule satellite en Regeneration or Définition quiescence Self- homeostasis PAX7+ Cellule satellite en Renewal Nouvelles fibres MYOD+proliférationFusion MYOD+ Regeneration or u Les cellules souches musculaires Self- homeostasis adultes (MuSC) sont des cellules Renewal quiescentes localisées sous la lame basale de la fibre musculaire du muscle squelettique. adapted from Rudnicki et al., 1993; Buckingham & Relaix 2007 u Sous l’effet d’un stimuli externe (blessure, environnementale…ect) elles sont capables d’autorenouvellement adapted from Rudnicki et al., 1993; Buckingham & Relaix 2007 et de se différencier en rhabdomyocytes ( = cellules multinucléées) qui deviendront des fibres musculaires matures. u Elles sont donc dites « unipotentes » en contexte physiologique. (Harrison, 1973 ; Ogden et Micklem, 1976 ; Harrison et al., 1978; Bernet et al., 2014 ; Cosgrove et al., 2014 ; Brack et al., 2007; Carlson et al., 2009),  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches musculaires (MuSC) ? Comment le vieillissement impact les MuSC? Leur nombre? u Le nombre de cellules satellites (MuSC) diminue avec l'âge. u Le taux de prolifération in vitro des cellules satellites lors de la transplantation diminuent également avec l'âge. u Certaines MuSC âgées deviennent sénescentes, (comme les HSC) un état caractérisé par un arrêt irréversible du cycle cellulaire et la sécrétion de cytokines et d'autres protéines (SASP). u Tout comme les HSC, on observe un changement transcriptionnel dans les MuSC âgées vs MuSC jeune: u les gènes impliquées dans voies métaboliques, u et les gènes qui régule l’accessibilité à la chromatine. (Sousa-Victor et al., 2023),  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches musculaires (MuSC) ? Comment le vieillissement impact les MuSC? Leur activation/différenciation? u Il existe aussi un biais de différenciation (comme les HSC). Certaines sous-populations devient des myoblastes tandis que certaines s’engagent vers la lignée fibrogène plutôt qu'une lignée myogénique, en grande partie à cause des changements dans la signalisation Wnt et TGF-β. u Il est généralement admis qu'une perte de la fonction des cellules satellites contribue à la diminution de la récupération après une blessure observée chez les personnes âgées. u le potentiel de greffe et de régénération in vivo diminue avec l’âge. u Les études de scRNAseq combinées aux modèles de machine learning on révélé que l’activation et la différentiation des MuSC jeunes et âgées ont 2 trajectoires différentes.. è Les MuSC âgées ont une cinétique plus lente. (Sousa-Victor et al., 2023), Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches musculaires (MuSC) ? Comment le vieillissement impact les MuSC? Leur auto-renouvellement? u L’état de quiescence des MuSC âgées est plus profond. u Les défauts d'auto-renouvellement semblent être intrinsèques aux cellules : une augmentation de la signalisation p38-MAPK induite par le stress est associée au vieillissement des cellules satellites, ainsi qu'une augmentation de la sénescence cellulaire. è changements qui ne sont pas inversés après la transplantation dans un environnement jeune. (Sousa-Victor et al., 2023), Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches musculaires (MuSC) ? Comment le vieillissement impact les MuSC? Leur hétérogénéité? u L’hétérogénéité est modifiée avec l'âge è mais pas de perte clonale. u L’expression de CD34 semble préservé tandis que certaines sous-population semble plus adapté au stress environnemental (expression PAX3). u A l’inverse l’activation aberrante de certaines sous- population de MuSC deviennent « more primed » avec l'âge. (Sousa-Victor et al., 2023),  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches musculaires (MuSC) ? Facteurs extrinsèques? u Au niveau protéique, les MuSC âgées présentent des changement dans les voies de signalisation des intégrines. u Potentiel de régénération des cellules satellites sont largement extrinsèques aux cellules et incluent des changements: u dans la disponibilité des ligands de la superfamille Wnt, Notch, FGF et TGF-β u et les modifications de la signalisation des cytokines par la voie JAK-STAT u déplétion de WISP1 (WNT1-inducible signalling pathway protein 1), qui joue un rôle important dans la prolifération et l’activation des cellules satellites. è Les FAPs (fibroadipogenic progenitor) et les cellules endothéliales sont les cellules de la niche des MuSCs et la source majeure de protéines extrinsèques aux MuSC. Leur synthèse protéique est affectée par l’âge. Brack et al., 2007 ; Carlson et Faulkner, 1989 ; Chakkalakal et al., 2012 ; Conboy et al., 2003, 2005 ; Sinha et al., 2014) (Price et al. , 2014).  Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les cellules souches Cellules souches musculaires (MuSC) ? Un rajeunissement est-il possible? À ce jour, les tentatives de rajeunissement des cellules satellites âgées ont tenté une approche: u par inhibition biochimique ou génétique des voies de transduction du signal des cellules satellites intrinsèques régulées de manière aberrante u ainsi que par des stratégies régulant les facteurs extrinsèques. Y compris les interventions systémiques avec des facteurs sanguins, les manipulations métaboliques et l’ablation des cellules sénescentes. « We predict that the most successful muscle regenerative treatments involving endogenous repair/rejuvenation will use combination therapies, targeting satellite cell-intrinsic limitations and niche deregulations simultaneously. » Nature Review Molecular Cell Biology. Sousa-Victor et al., 2023 Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Les exemples de cellules souches Conclusions Facteurs intrinsèques Facteurs extrinsèques Partie 4: Etude parabiose & rajeunissement Licence Santé 3ème année – UE Biologie et pathologies du vieillissement – CM5 Cellules souches & vieillissement Etude parabiose & rajeunissement Publication récente Ma et al., 2022