Génétique du vieillissement : étude du rôle du gène R148.3 dans le processus de vieillissement chez l'organisme modèle Caenorhabditis elegans

© Catherine Roy Bellavance, 2018

Génétique du vieillissement - Étude du rôle du gène

R148.3 dans le processus de vieillissement chez

l'organisme modèle Caenorhabditis elegans

Thèse

Catherine Roy Bellavance

Doctorat en pharmacie

Philosophiæ doctor (Ph. D.)

Génétique du vieillissement – Étude du rôle du

gène R148.3 dans le processus de vieillissement chez

l’organisme modèle Caenorhabditis elegans

Thèse

Catherine Roy-Bellavance

Sous la direction de :

Frédéric Picard, directeur de recherche

Martin J. Simard, codirecteur de recherche

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R

Nous assistons actuellement à un vieillissement global de la population. Dans la majorité des pays, le groupe d’âge des 60 ans et plus est celui qui croît le plus rapidement. L’OMS estime que d’ici 2050, plus d’une personne sur cinq sera âgée de plus de 60 ans. Le vieillissement se caractérise par une perte graduelle de fonction de nombreux processus physiologiques. Ce processus biologique touche chaque espèce et chaque individu de manière spécifique. De nombreux facteurs, autant individuels (comportement, génétique, maladie), qu’environnementaux (situation géographique, socio-économique, pollution) vont influencer le vieillissement. Le vieillissement est d’ailleurs un facteur de risque important pour le développement de nombreuses maladies telles que le diabète de type 2, l’athérosclérose et les maladies cardiovasculaires.

Il a déjà été démontré dans la littérature que la modulation d’un seul gène peut influencer, autant positivement que négativement, le vieillissement d’un individu. Les gènes ayant des effets sur ce processus sont habituellement des gènes jouant un rôle important dans une voie de signalisation et donc, sont souvent conservés à travers l’évolution.

Les travaux décrits dans cette thèse montrent l’implication du gène R148.3 dans le processus de vieillissement du nématode C. elegans. Ce gène semble être impliqué dans différentes voies métaboliques pouvant avoir un impact sur la santé à long terme des nématodes. R148.3 semble réguler le métabolisme lipidique et les dépôts lipidiques dans les vers ainsi que la résistance au stress. L’inactivation de ce gène provoque des effets néfastes qui mènent à la dégradation rapide de plusieurs fonctions métaboliques et à la mort prématurée des vers.

Les résultats obtenus dans cette étude confirment le lien entre R148.3 et le contrôle du vieillissement en santé chez C. elegans. Les prochaines étapes de cette recherche seraient de démontrer ces mêmes fonctions chez les mammifères.

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A

We are currently witnessing the global aging of the population. In almost every country, the age group of 60 and over is growing faster than any other group. The WHO estimates that by 2050, more than 1 in 5 people will be 60 years or older. Aging is characterized by a gradual loss of function of many physiological processes. This biological process affects each species and each individual independently. Many factors, both individual (behavior, genetics, disease) and environmental (geographical location, socio-economic, pollution) will influence aging. Aging is also an important risk factor for the development of many diseases such as type 2 diabetes, atherosclerosis and cardiovascular diseases.

It has already been reported in the literature that modulation of a single gene can influence, both positively and negatively, the aging process of an individual. Genes with effects on this process are usually genes that play an important role in a signalling pathway, and therefore are often conserved across evolution.

The work described in this thesis shows the involvement of the R148.3 gene in the aging process of the nematode C. elegans. This gene appears to be involved in various metabolic pathways that may impact on long-term health of nematodes. R148.3 appears to regulate lipid metabolism and fat depots, as well as the resistance to stress. Inactivation of this gene causes adverse effects that lead to rapid degradation of several metabolic functions and the premature death of worms.

The results obtained in this study confirm the link between R148.3 and healthy aging control in C. elegans. The next steps in this research would be to demonstrate these functions in mammals.

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T

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RÉSUMÉ iii

ABSTRACT iv

LISTE DES FIGURES viii LISTE DES TABLEAUX ix LISTE DES ABRÉVIATIONS x DÉDICACE xiii

REMERCIEMENTS xiv

AVANT-PROPOS xvi

INTRODUCTION 1

1. VIEILLISSEMENT 2

1.1DÉFINITION ET CONTEXTE ACTUEL 2

1.2LES THÉORIES DU VIEILLISSEMENT 3

1.3LA SÉNESCENCE 8

1.3.1 Dans le vieillissement 9

1.4CHANGEMENTS MÉTABOLIQUES ASSOCIÉS AU VIEILLISSEMENT 10

1.4.1 Composition corporelle 11

1.4.2 Dysfonction mitochondriale 12

2. GÉNÉTIQUE DU VIEILLISSEMENT 13

2.1ÉTUDE DES COHORTES DE CENTENAIRES 14

2.2CAENORHABDITIS ELEGANS COMME MODÈLE D’ÉTUDE 15

2.2.1 Cycle de vie 16

2.2.2 Pertinence de l’utilisation de C. elegans comme modèle d’étude 19

2.2.3 Conservation génétique entre C. elegans et l’humain 32 2.3LIENS ENTRE LES LIPIDES ET LA LONGÉVITÉ CHEZ C. ELEGANS 34

2.4VOIES DE SIGNALISATION QUI RÉGULENT LE VIEILLISSEMENT 37

2.4.1 La voie de la cible de la rapamycine (mTOR) 38 2.4.2 La voie de signalisation par les sirtuins 40 2.4.3 La voie de l’adénosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) 41 2.4.4 Signalisation par IGF-1 (insulin growth factor-1) 42 2.4.5 Stress mitochondrial et antioxydant 45 2.4.6 Relations entre les voies de signalisation au vieillissement 47

PROBLÉMATIQUE, HYPOTHÈSES ET OBJECTIFS DES TRAVAUX 49 CHAPITRE 1 52

LE GÈNE R148.3 RÉGULE LA LONGÉVITÉ ET LE MÉTABOLISME LIPIDIQUE DE CAENORHABDITIS ELEGANS 52

vi

AVANT-PROPOS 53

RÉSUMÉ 55

ABSTRACT 56

INTRODUCTION 57

MATERIALS AND METHODS 58

RESULTS 64 DISCUSSION 68 CONCLUSION 73 ACKNOWLEDGEMENTS 74 REFERENCES 75 FIGURE LEGENDS 78 FIGURE 1. 80 FIGURE 2 81 FIGURE 3 82 FIGURE 4 83 FIGURE 5 84 SUPPL FIGURE 1 85 SUPPL FIGURE 2 86 SUPPL FIGURE 3 87 SUPPL FIGURE 4 88 SUPPLEMENTARYTABLES 89

DISCUSSION GÉNÉRALE, CONCLUSION ET PERSPECTIVES 97

R148.3 98

DÉTERMINATION DU RÔLE DE R148.3 DANS LE PROCESSUS DE VIEILLISSEMENT CHEZ

C. ELEGANS 99

DÉTERMINATION DU RÔLE DE R148.3 DANS LE MÉTABOLISME ÉNERGÉTIQUE DE C.

ELEGANS 100

DÉTERMINATION DU RÔLE DE R148.3 DANS LA RÉPONSE AU STRESS DE C. ELEGANS

105 DÉTERMINATION DU RÔLE DE R148.3 DANS LA VOIE DE SIGNALISATION À

L’INSULINE DE C. ELEGANS 106 ANNEXE 109 AVANT-PROPOS 109 RÉSUMÉ 111 ABSTRACT 112 INTRODUCTION 113

ÉTUDES DES COHORTES DE CENTENAIRES 114

VOIES DE SIGNALISATION IMPLIQUÉES DANS LE VIEILLISSEMENT 116

Voie de l’insuline/IGF-1 (facteur de croissance insulinique type 1) 116

Voie mTOR 117

Voie de l’AMPK 118

IDENTIFICATION DE GÈNES IMPLIQUÉS DANS LE VIEILLISSEMENT 119

vii REMERCIEMENTS 122 RÉFÉRENCES 123 Tableau 1 126 Figure 1 127 RÉFÉRENCES 128

viii

L

FIGURE 1. Caractéristique du vieillissement

(Balaban, R.S. et al., 2005)……….p.3 FIGURE 2. Universalité du vieillissement

(Mitchell, S.J. et al., 2015)………...p.4 FIGURE 3. Cycle de vie du nématode C. elegans à 22°C

(Altun et Hall, 2015)………..p.17 FIGURE 4. Effet sur la chromatine de différents facteurs environnementaux influençant

le vieillissement

(Adapté de Benayoun, B.A.et al., 2015)………p.28 FIGURE 5. Représentation possible du parallèle entre les dépôts de gras ectopiques

chez l’humain et celui chez C. elegans

(Ackerman et Gems, 2012)……….p.31 FIGURE 6. Cascade d’activation de la voie de signalisation à l’insuline

ix

L

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TABLEAU 1. Modifications de la chromatine affectant la longévité de l’organisme modèle C. elegans………p.30

TABLEAU 2.Liste des gènes homologues chez C. elegans impliqués dans le

développement de certaines maladies humaines……….p.34 TABLEAU 3. Liste des gènes homologues chez C. elegans impliqués dans le

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L

A

aak-1 : AMP-Activated Kinase 1 aak-2 : AMP-Activated Kinase 2

abu-11 : Activated in Blocked Unfolded Protein response 11 ADN : Acide Désoxyribo Nucléique

age-1 : AGEing alteration 1

akt-1/2 : RAC-alpha/beta serine-threonine-protein kinase

AMP : Adenosine monophosphate

AMPK : Adenosine monophosphate protein kinase apl-1 : Amyloid Precusor like 1

APOE : Apolipoprotéine E APP : Amyloid precursor protein ARN : Acide ribonucléique

ARNi : Acide ribonucléique interférence

ARNm : Acide ribonucléique messager

ASH-2 : Absent, Small, or Homeotic 2 ATP : Adénosine Tri-Phosphate BER : Base Excision Repair

C. elegans : Caenorhabditis elegans

cbp-1 : CREB Binding Protein homolog 1 cid-1 : Caffein Induced Death homolog 1

clk-1 : CLocK (biological timing) abnormality 1 COQ7 : Coenzyme Q biosynthesis protein 7

DAP : Death Associated Protein daf-2 : abnormal DAuer Formation 2 daf-12 : abnormal DAuer Formation 12 daf-16 : abnormal DAuer Formation 16 dys-1 : Dystrophin related 1

eat-2 : EATing : abnormal pharyngeal pumping 2 fat-6 : FATty Acid Desaturase 6

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FOXO : Forkhead box protein O FOXO3A : Forkhead box protein O 3A GH : Growth Hormone

glp-1 : abnormal Germ Line Proliferation

gpd-1 : Glyceraldehyde-3-Phosphate dehydrogenase 1 gpdh-1 : Glycerol-3-Phosphate DeHydrogenase 1 GWAS : Genome Wide Association Study

hif-1 : Hypoxia Inducible Factor 1 hlh-1 : Helix Loop Helix 1

hsf-1 : Heat Shock Factor 1

IGF1 : Insulin like Growth Factor 1

IGFBP1 : Insulin like Growth Factor Binding Protein 1 iki-3 : Sub-unit of elongator complex

IMC : Indice de Masse Corporel IR : Insulin Receptor

JMJD-2 : Histone Demethylase KD : Knock Down

KO : Knock Out lipl-4 : LIPase Like 4

LSD-1 : Lysine Specific Demethylase 1

MET-1 : Hepathocyte growth factor receptor 1 MyoD : Myogenic differentiation

NAD+ _{: Nicotinamide Adenine Dinucleotide +}

nfi-1 : Nuclear Factor 1 family

NFΚβ : nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells

nrf-2 : Nose Resistant Fluoxetine 2

O-Glc NAc : O-linked N-acetylglucosaminyltransferase

oga-1 : O-GlcNAc selective N- Acetyl-beta-D- glucosaminidase ogt-1 : O-linked GlcNAc Transferase

OMS : Organisation Mondiale de la Santé p53 : Tumor Protein 53

xii

pdk-1 : Pyruvate Dehydrogenase kinase – class protein kinase 1 pha-4 : defective PHArynx development

PI3K : phosphatidylinositide 3-kinases

pink-1 : PTEN-induced putative kinase 1 PKB : Protein Kinase B

PRL : Prolactine

PTEN : Phosphatase and tensin homolog rbr-2 : Retinoblastoma Binding protein Related ROS : Reactive Oxygen Species

S. cerevisiae : Saccharomyces cerevisiea

sas-3 : Something About Silencing protein 3

SET-9/15/26 : Histone-lysine N-methyltransferase SKN-1 : SKiNhead

sir2.1 : Sirtuin 2.1 SIRT-1/6 : Sirtuins 1/6

SMS : Senescence-Messaging Secretome SOD : Super Oxyde Dismutase

sod-3 : Super Oxyde Dismutase 3 TASC : Tissu Adipeux Sous-Cutané TAV : Tissu adipeux viscéral

TOR : Target Of Rapamycin

TORC-1/2 : Target Of Rapamycin complex 1/2 TSH : Thyroid Stimulating Hormone

xiii

D

Time is a drug.

Too much of it kills you.

xiv

R

Il est bien évident que la réalisation de ce document n’aurait pas pu avoir lieu sans l’aide précieuse de très nombreuses collaboratrices et de nombreux collaborateurs. J’en suis même venue à considérer plusieurs de ces personnes comme des ami(e)s très proches.

Tout d’abord, je tiens à remercier mon maître de thèse Frédéric Picard. Même si nous n’étions pas toujours en agrément sur la façon de pousser le projet, nous avons malgré tout réussi à le faire avancer ensemble. C’est un accomplissement en soi. Tu m’as également donné l’opportunité de faire mes preuves en enseignement universitaire, c’est un défi que j’ai particulièrement apprécié et je t’en remercie.

Merci également à mon co-directeur Martin Simard et son étudiant au doctorat Gabriel Bossé. Vous m’avez tous les deux aidé à commencer le projet sur de bonnes bases. Votre collaboration a été grandement appréciée.

Merci aux membres de mon jury de thèse d’avoir accepté d’en faire partie. Grâce à vous, je pourrai clôturer cette merveilleuse aventure.

Je souhaite également remercier tous mes collègues de travail du centre de recherche de l’IUCPQ.

M-J, tu fais partie de ma vie depuis plusieurs années maintenant. Tu as été mon étudiante, ma collègue et maintenant, je suis heureuse de te compter parmi mes amies proches. Nous avons partagé un spectre d’émotions particulièrement étendu ensemble. Merci pour tes fous rires, pour ta présence et pour ton écoute. Tu as apporté un petit brin de folie rafraîchissant au labo.

Louise, tu as quitté le labo trop tôt. L’ambiance du lab n’était plus pareille suite à ton départ. Tu m’as formée dès mon arrivée au centre de recherche, tu as contribué à mon épanouissement et pour tout cela, je te dis mille fois merci.

Nic, je crois que je peux sincèrement affirmer que tu as été la plus grande et la plus merveilleuse découverte que j’ai faite au centre de recherche. Tu as été un collègue avenant, un ami, un partenaire d’escalade et maintenant tu es mon partenaire dans la vie.

xv Merci d’avoir écouté mes frustrations, de m’avoir encouragée, et de m’avoir poussé à me surpasser. Je suis maintenant prête à affronter tout ce que la vie a en réserve pour nous!

Brybry et Audrey, merci pour tous ces moments que nous avons passé à parler d’autre chose que du labo, de la job ou de science! Parce que oui, on a le droit de décrocher!

Gege, ma co-rédactrice, mon amie, ma evil cosmic twin, merci pour tous ces bons et moins bons moments que nous avons partagés depuis notre première rencontre au bacc. Merci d’avoir partagé ces très (trop…) nombreuses heures de rédaction. Nous nous sommes mutuellement encouragées, et même parfois mutuellement découragées. Je crois que tout ce travail nous aura encore rapprochées. J’te trust man!

Steph, pendant toutes ces années où nous avons partagé un espace de travail, tu as été ma confidente, mon amie et mon mentore. Je n’aurais pas pu espérer avoir un meilleur modèle que toi. Ta patience, ton dévouement et la droiture dont tu fais preuve m’ont toujours impressionnée. Même si on se voit encore de temps en temps, ta saine attitude, ta simplicité et ta sensibilité me manquent. J’ai apprécié chaque instant passé à travailler à tes côtés. Tu ne m’as pas seulement aidé à avancer, tu m’as montré à voler de mes propres ailes. Je te remercie pour tout.

Merci également à tous mes autres collègues et ami(e)s entre autres, Yves, Blandine, Étienne, et Sandrine pour ces dîners terrasse et les crèmes glacées chez M. Clément.

Un merci particulier à toute ma famille pour leur présence, leurs bons mots, leurs encouragements. Non ça n’aura pas été facile, mais vous avez toujours été là, peu importe l’urgence ou la non-urgence de la situation. Vous avez rendu ce travail concret et je vous en remercie. Je pense que je vous en dois une!

Toutes ces années de travail, ne m’auront pas uniquement permis d’effectuer ces travaux de recherche, mais également de m’affirmer en tant que personne et de découvrir quels sont mes objectifs de vie et ce que j’en attends. Je crois maintenant pouvoir dire que j’ai trouvé ma voie. Pour ces découvertes personnelles, je vous dis merci à tous, puisque vous y avez contribué de près ou de loin.

xvi

A

-P

Cette thèse intitulée Génétique du vieillissement – Étude du rôle du gène R148.3 dans le processus de vieillissement chez l’organisme modèle

Caenorhabditis elegans est déposée à la faculté des études supérieures de l’université

Laval pour l’obtention du diplôme de Philosophiæ Doctor (Ph.D.) en Sciences Pharmaceutiques. Cette thèse porte sur l’impact de certains gènes sur le processus de vieillissement.

L’introduction générale consiste en une revue de la littérature concernant les différents enjeux de cette recherche. Le contexte actuel du vieillissement y est présenté ainsi que les différentes hypothèses pour expliquer ce phénomène. Plusieurs recherches chez les humains concernant la génétique du vieillissement y sont présentées ainsi que la limitation de ces mêmes recherches. L’importance d’avoir recours aux modèles animaux fait également partie de l’introduction générale. S’en suit l’introduction du modèle C. elegans ainsi que la justification de l’utilisation de ce dit modèle.

Les recherches menées dans le laboratoire du Dr Picard ont mené à l’élaboration de deux publications scientifiques, un article de recherche ainsi qu’une revue de la littérature.

1. Roy-Bellavance, C, Gaudreau, P et Picard, F. Génétique du vieillissement.

Médecine Science Amérique. 2013, Vol. 2, 3.

2. Roy-Bellavance, C, Grants M, J, Miard, S, Lee, K, Rondeau, É, Guillemette, C, Simard J, M, Taubert H, S, Picard, F. The R148.3 gene modulates Caenorhabditis elegans lifespan and fat metabolism. G3 – Genes, Genomes, Genetics. 7:2739-2747, 2017.

1

I

2 Le vieillissement est associé à de nombreux changements physiologiques, tels que la perte de fonction graduelle de plusieurs processus biologiques. Parallèlement à cette perte de fonction, il se produit une augmentation de l’incidence de diverses maladies reliées au vieillissement. Malgré tous les progrès de la médecine moderne, l’augmentation de la durée de vie et la diminution de la mortalité, les maladies reliées au vieillissement restent un fardeau socio-économique important. Le contexte démographique actuel incite donc à se tourner vers de nouvelles recherches favorisant un vieillissement en santé.

1.

V

1.1DÉFINITION ET CONTEXTE ACTUEL

Le vieillissement est un processus progressif résultant de nombreux changements physiologiques. Ces changements provoquent l’accumulation de dommages cellulaires et tissulaires, qui entraînent le déclin de certaines fonctions de l’organisme. Il est essentiel de distinguer le processus de vieillissement et les diverses maladies pouvant y être associées. Le processus biologique en lui-même peut être causé par différents dommages cellulaires et moléculaires. Ce sont ces dommages qui vont augmenter le risque de développer des comorbidités associées au vieillissement. Ils modifient donc le risque de développer une maladie dans un tissu, un organe ou un système, et ce, de manière spécifique (1). De plus, certains facteurs génétiques et environnementaux peuvent provoquer la diminution des capacités fonctionnelles de l’organisme et entraîner un vieillissement plus ou moins rapide.

Le vieillissement est un processus multifactoriel, qui entraîne une perte de fonction systémique progressive. En étudiant les facteurs affectant le vieillissement humain, l’équipe du Dr Kroemer a identifié 9 caractéristiques considérées comme des dénominateurs communs au vieillissement humain (voir Fig.1) (2). Les scientifiques s’interrogent maintenant sur l’interconnexion de chacune de ces caractéristiques ainsi que sur leur modulation possible via des composés pharmaceutiques.

3 Figure 1. Caractéristiques du vieillissement. Le schéma représente les 9 caractéristiques

du vieillissement énumérées dans la revue de la littérature du Dr Kroemer. Ces caractéristiques sont : l’instabilité génomique, le raccourcissement des télomères, l’altération épigénétique, la perte de l’homéostasie des protéines, la dérégulation des senseurs nutritifs, les dysfonctions mitochondriales, la sénescence cellulaire, l’épuisement des cellules souches et l’altération de la communication intercellulaire (2).

Selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS), le groupe d’âge des 60 ans et plus est celui qui croît le plus rapidement. Ceci est dû à une diminution du taux de natalité et à l’augmentation de l’espérance de vie. On estime qu’il y aura une plus grande proportion de gens âgés de plus de 65 ans que de jeune de moins de 5 ans d’ici 2017 (3). Bien que l’augmentation du nombre de personnes âgées dans une population représente une amélioration de la politique de santé publique, il n’en demeure pas moins que les maladies associées au vieillissement contribuent à la détérioration de leur qualité de vie.

1.2LES THÉORIES DU VIEILLISSEMENT

Le vieillissement est un processus universel, il touche tous les êtres vivants à des vitesses différentes (voir Fig. 2). Cette universalité a entrainé un intérêt grandissant pour ce processus et a mené à l’élaboration de plusieurs théories pour tenter de l’expliquer. Le fondement de ces théories s’appuie sur des données provenant de divers domaines de

4 recherche : la biologie, l’épidémiologie et la démographie. Le vieillissement est maintenant considéré comme un processus multifactoriel extrêmement complexe. Ces théories ne sont donc pas exclusives et le processus peut être expliqué par une combinaison de celles-ci.

Figure 2. Universalité du vieillissement. Courbes de longévité théoriques démontrant la similarité du processus de vieillissement chez les différents organismes modèles comparativement à celle de l’humain. Bien que la durée de vie varie considérablement, la forme des courbes est similaire pour tous les modèles (4).

La théorie de l’évolution de Charles Darwin stipule qu’avec une certaine pression de sélection sur des individus d’une même espèce, des traits dominants vont être hérités. Ces traits vont accroître la capacité d’un individu à être compétitif dans un environnement, à se reproduire et à survivre. Le courant des théories évolutionnistes du vieillissement suggère plusieurs grands concepts, qui soutiennent la prémisse voulant qu’en vieillissant, la pression de sélection se fasse moins forte.

Le premier concept, théorisé par Weismann en 1889, stipule que la mort de tout organisme vivant est programmée. Cette programmation de la mort serait nécessaire afin que les individus âgés d’une population laissent leur place aux générations suivantes (5).

5 Dans des conditions naturelles, les individus d’un âge avancé représentent un faible pourcentage de la population, puisque ces conditions sont très compétitives (accès aux ressources, prédation, maladies) et donc, selon un deuxième concept, le vieillissement aurait été négligé par l’évolution. Théoriquement, le corps n’a pas besoin de rester sain aussi longtemps. Ainsi, n’importe quel trait défavorable pouvant être hérité a moins d’importance sur l’évolution de l’espèce si ce trait apparaît seulement à un âge avancé. Les variants de gènes qui amènent un bénéfice chez une population jeune vont être favorisés sur les variants de gènes amenant un bénéfice chez une population plus âgée (6). Au cours du développement, il se met en place un programme génétique qui contrôle l’expression des gènes dans le temps et dans l’espace (spécificité tissulaire). Si le vieillissement est une négligence de l’évolution, pourquoi alors mettre en place un programme génétique activé à un âge avancé, dont les mutations sont délétères pour l’organisme ? Cette question a mené à l’élaboration d’un autre concept de la théorie évolutionniste, celle de la pléiotropie antagoniste.

Ce concept stipule qu’un même gène pourrait avoir des effets antagonistes dans le temps et donc, pourrait être bénéfique à un jeune âge et avoir des effets délétères à un âge avancé. Puisque la pression de sélection est beaucoup plus forte à un jeune âge, un grand nombre d’individus vont hériter des effets positifs et peu vont survivre assez longtemps pour souffrir des effets négatifs. Les bénéfices vont donc compenser les dommages à long terme (7, 8). Donc selon cette théorie, les gènes qui mènent au vieillissement doivent être bénéfiques à un jeune âge. Par définition, l’inactivation de ces gènes serait à la fois dommageable dans une jeune population, mais aurait des effets bénéfiques sur la longévité. Ce type de mutation est déjà observé en laboratoire chez les souris naines Ames et Snell, qui sont déficientes en hormone de croissance (growth hormone, GH), en prolactine (PRL) et en hormone stimulante de la thyroïde (thyroid-stimulating hormone, TSH). Les deux modèles génétiquement modifiés ont une plus petite taille corporelle, une température plus basse, sont moins fertiles et ont des niveaux plus faibles du facteur de croissance similaire à l’insuline (insulin like growth factor 1, IGF-1) (9). En dépit de leur phénotype, ces souris produisent moins d’insuline, et y sont plus sensibles, elles sont donc plus aptes à éliminer le glucose sanguin. De plus, elles vieillissent lentement et vivent plus longtemps que les souris sauvages (10, 11).

6 Un autre exemple de mutation corroborant la théorie de la pléiotropie antagoniste a été observé en laboratoire chez l’organisme modèle Caenorhabditis elegans (C. elegans), qui sera décrit en détail dans la section 2.2. L’inactivation du gène de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) entraîne une augmentation de la durée de vie médiane et maximale marquée chez ces vers; cette mutation provoque aussi un arrêt prolongé du développement (12).

Bien qu’elles offrent des avantages à long terme, ces mutations sont délétères en nature puisque les jeunes porteurs seraient rapidement éliminés au profit de la sélection naturelle.

Une autre théorie populaire pour tenter d’expliquer le processus du vieillissement est celle du biogérontologiste Harman sur les radicaux libres. Au départ, cette théorie suggérait que les effets délétères des radicaux libres sur différents composants cellulaires entraîneraient le vieillissement et ses maladies associées. Ces dommages seraient également un facteur déterminant pour la longévité (13). Les dérivés réactifs de l’oxygène (reactive oxygen species ROS) sont des dérivés chimiquement actifs contenant de l’oxygène. Les ROS endogènes sont des sous-produits normaux du métabolisme cellulaire aérobie. Ils sont produits dans plusieurs compartiments cellulaires et par de multiples enzymes. Chez les mammifères, les mitochondries sont la source principale des ROS endogènes (environ 90%) (14).

Sous conditions normales, les ROS sont maintenus à une concentration physiologique par un système d’enzymes antioxydantes, notamment la catalase et la super oxyde dismutase (SOD). En concentration physiologique, plusieurs études ont démontré que les ROS sont d’importants médiateurs de la signalisation cellulaire. Les organismes vivants ont donc dû s’adapter et tirer profit de ces dérivés toxiques. Les ROS sont, entre autres, impliqués dans la régulation de l’adhésion et l’agrégation des plaquettes, dans la relaxation des muscles squelettiques, dans l’expression de l’hème oxygénase et dans l’activation du facteur de transcription nuclear factor-κB (15-19).

Il est donc très important pour les cellules de trouver un équilibre entre la production de molécules oxydantes et les enzymes antioxydantes. Si la balance entre ces composés est rompue, il peut se produire une accumulation de dérivés toxiques. Plusieurs études suggèrent que ce déséquilibre contribuerait à l’incidence de certaines maladies reliées au vieillissement telles que le diabète, l’athérosclérose et le cancer (20-22).

7 L’accumulation de ROS dans la mitochondrie peut endommager des complexes enzymatiques de la chaîne de transport des électrons et l’ADN mitochondriaux. Ces dommages vont par la suite contribuer à une augmentation de la production de ROS et au déclin graduel des fonctions des mitochondries (23). De plus, l’augmentation de ROS intracellulaire module différents signaux qui accélèrent la mitogenèse et amènent une sénescence cellulaire prématurée (24).

Bien qu’intéressante, aucune théorie concernant les espèces dérivées de l’oxygène n’a réussi jusqu’à maintenant à dresser un portrait détaillé et à expliquer pleinement le processus biologique du vieillissement.

Les télomères sont des structures spécialisées situées à l’extrémité des chromosomes. Leur fonction principale est d’empêcher la cellule de confondre l’extrémité linéaire des chromosomes comme étant une cassure dans l’ADN. Ces structures sont composées de répétitions de nucléotides couplées à des protéines et suppriment l’activation du programme de réparation de l’ADN (25). Au cours de la réplication de l’ADN, le complexe de l’ADN polymérase est incapable de répliquer les séquences se trouvant à l’extrémité des chromosomes. Donc, malgré cette protection, à chaque division cellulaire les télomères s’érodent pour éventuellement devenir dysfonctionnels et contribuer à l’initiation d’une réponse permanente de dommage à l’ADN (26). Le phénomène d’érosion des télomères peut être accentué par plusieurs facteurs, notamment par le stress oxydatif. L’âge, le sexe et la diète sont quelques facteurs environnementaux qui peuvent aussi influencer la longueur des télomères (27-29). Un raccourcissement des télomères a également été observé dans plusieurs maladies reliées au vieillissement (diabète, maladie cardiovasculaire et maladie neurodégénérative) (30).

La télomérase, un complexe ribinucléoprotéique, reconnaît spécifiquement le groupement 3’-OH à l’extrémité simple brin des télomères et catalyse l’addition de séquences répétitives à leur extrémité (31). Cette enzyme est essentielle au maintien de la longueur des télomères. En condition normale, les cellules perdent une portion de télomère à chaque division, qui est remplacée grâce à l’activité de la télomérase. Si l’activité de la télomérase est réduite, les cellules auront des télomères anormalement courts et entreront en sénescence prématurément, ce qui est un signe de vieillissement prématuré (32).

8 Chez des individus en santé, l’activité de la télomérase diminue graduellement au cours de la vie pour atteindre une très faible activité dès l’âge de 40 ans (33). En perdant l’activité de la télomérase graduellement, les télomères vont raccourcir à chaque division cellulaire pour finalement entraîner la sénescence. Malgré toutes ces évidences, le mécanisme par lequel le raccourcissement des télomères entraîne un arrêt de la division cellulaire n’est pas encore complètement compris.

1.3LA SÉNESCENCE

Les organismes multicellulaires possèdent tous des cellules mitotiques (capable de se diviser) et post-mitotiques (incapable de se diviser). Chez les organismes complexes, comme les mammifères, certains tissus contiennent des cellules mitotiques leur conférant l’avantage de pouvoir se réparer et dans certains cas, se régénérer. En contrepartie, ces tissus sont susceptibles aux maladies hyperprolifératives, comme les cancers.

La sénescence cellulaire est exclusive aux cellules mitotiques qui sont capables de proliférer. Une des premières observations de la sénescence a été faite in vitro sur des lignées de cellules primaires provenant d’explant de tissu humain. Hayflick et Moorhead ont observé que de telles lignées cellulaires ne proliféraient pas indéfiniment ; ces cellules étaient mortelles. Dans leur article, ils décrivent 3 phases de capacité proliférative. La phase 1 correspond à une faible prolifération avant le premier passage. La phase 2 est caractérisée par une prolifération très rapide, tandis que dans la phase 3, il se produit un déclin de la prolifération, qui éventuellement s’arrête complètement (34). Ce type de sénescence est maintenant vu comme un processus anti-cancer important puisqu’il a été lié au raccourcissement des télomères. Les cellules qui entrent en sénescence arrêtent de proliférer avant que les instabilités chromosomiques liées au raccourcissement des télomères aient un effet favorable sur la tumorigénèse (35). La sénescence empêche donc les cellules endommagées de se diviser et de proliférer.

Récemment, plusieurs études ont montré que la sénescence serait un processus hautement dynamique dans lequel les propriétés de la cellule évoluent et se diversifient. Cette reprogrammation est en partie due aux altérations de l’architecture génomique, qui a pour conséquence de fermer la chromatine dans les régions de l’euchromatine riches en gènes, ce

9 qui diminue l’expression de certains gènes (36). Les cellules sénescentes exhibent également un sécrétome particulier pouvant servir de messagers paracriniens (senescence-messaging secretome, SMS) (37). Plusieurs facteurs provenant du sécrétome de cellules en sénescences pourraient également avoir des effets délétères sur l’organisme en contribuant aux dysfonctions tissulaires observées au cours du vieillissement. Ces dysfonctions tissulaires seraient causées par la perte graduelle de la capacité de régénération de certains tissus (37).

1.3.1 Dans le vieillissement

Depuis les premières expériences de Hayflick sur la sénescence réplicative dans les années 60, plusieurs études ont démontré le rôle de ce processus dans le développement, la réparation de lésions tissulaires, la prévention tumorale et dans le vieillissement (34, 38-41). Bien que les cellules sénescentes soient en arrêt de croissance cellulaire, elles restent métaboliquement très actives, ce qui leur permet de sécréter le SMS. Les résultats de certaines études suggèrent que le SMS permettrait à ces cellules d’influer leur microenvironnement et de propager les signaux de sénescence aux cellules environnantes (37).

En vieillissant, les cellules tendent à accumuler différents dommages cellulaires et génétiques ; elles sont donc plus susceptibles d’entrer en sénescence. Plusieurs études ont d’ailleurs établi que des marqueurs de sénescence sont exprimés de façon plus importante dans des tissus vieillissants que dans de jeunes tissus (42). L’augmentation de l’expression de ces marqueurs est proportionnelle à la quantité de cellules sénescentes retrouvées dans les tissus, prouvant ainsi que le nombre de cellules en sénescence augmente avec le vieillissement (42, 43). Il a également été démontré que l’augmentation du nombre de cellules sénescentes est particulièrement importante dans les tissus des gens qui ont développé des maladies associées au vieillissement, comme la maladie d’Alzeimer et l’ostéoarthrite (44).

Parmi les facteurs sécrétés par les cellules sénescentes, on retrouve des chimioattractants, des cytokines pro-inflammatoires et des facteurs de croissance (45). Combinés ensemble, ces facteurs contribuent à l’établissement d’un environnement pro-inflammatoire et au recrutement de cellules immunitaires dans les tissus en sénescences. L’inflammation chronique est d’ailleurs un trait commun aux organismes vieillissants. On

10 croit que l’établissement de cet environnement pro-inflammatoire contribue grandement au développement de plusieurs maladies reliées au vieillissement (46). De plus, on a remarqué, chez des souris génétiquement modifiées pour exprimer une forme hyperactive du suppresseur de tumeur p53, qu’en plus du phénotype de résistance au cancer, ces souris avaient tendance à présenter des signes de vieillissement prématuré et à mourir prématurément. Il a été démontré que les cellules de ces souris étaient plus susceptibles à l’apoptose médiée par p53, mais également à la sénescence médiée par ce même gène (47, 48). Ces découvertes contribuent à alimenter l’hypothèse que la sénescence joue un rôle important dans le vieillissement.

Les cellules sénescentes participent donc à l’établissement d’un cercle vicieux dans ces tissus, puisqu’en sécrétant des facteurs pro-inflammatoires, elles contribuent à l’établissement d’un état d’inflammation chronique qui va lui-même engendrer des dommages dans les tissus touchés et ainsi mener à la génération d’autres cellules sénescentes (2).

Le vieillissement étant un processus complexe présentant de multiples facettes et interactions entre de nombreuses voies de signalisation intra- et extra- cellulaires, il est fort probable qu’il n’existe pas de théorie unique pouvant expliquer ce phénomène. Ces théories peuvent jouer un rôle plus ou moins important selon l’individu lui-même. Les facteurs socio-économiques, géographiques, climatiques, nutritionnels et génétiques peuvent tous influencer l’espérance de vie et la santé. L’amalgame de toutes ces théories et de tous ces facteurs peut commencer à expliquer ce processus si complexe.

1.4CHANGEMENTS MÉTABOLIQUES ASSOCIÉS AU VIEILLISSEMENT

Durant le processus de vieillissement, la plupart des organismes subissent un déclin de leur fonction métabolique qui va contribuer au développement de maladies reliées au vieillissement. L’accumulation des altérations reliées au vieillissement peut accélérer ce processus et favoriser le développement de maladies qui y sont associées.

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1.4.1 Composition corporelle

Avec l’âge, la composition et la distribution corporelle tendent à changer, sans qu’il y ait nécessairement un changement au niveau du poids, ou de l’indice de masse corporel (IMC) (49). Habituellement, ces changements sont associés à l’augmentation du pourcentage de la masse adipeuse et à la diminution du pourcentage de masse maigre (50). Non seulement le rapport masse adipeuse/masse maigre semble augmenter, mais il se produit également une redistribution de la masse adipeuse. L’altération de la distribution de la masse adipeuse est définie par une augmentation de la masse du tissu adipeux viscéral (TAV) par rapport au tissu adipeux sous-cutané (TASC) (51). Il a été démontré qu’il se produit avec l’âge une altération de la maturation des préadipocytes du TASC en adipocytes matures (52). Ces altérations causent une diminution de la prise en charge par le TASC des acides gras libres en circulation, entraînant ainsi une incidence plus élevée de la lipotoxicité (53). L’augmentation systémique d’acides gras libres participe à l’établissement d’un faible état d’inflammation chronique ainsi que l’emmagasinage du surplus d’acides gras libres dans des dépôts adipeux ectopiques (54). Il se produit donc une altération générale du métabolisme contribuant au développement de la résistance à l’insuline, pouvant mener au diabète de type II et au risque accru de développer de l’athérosclérose.

La perte du pourcentage de masse maigre contribue également aux altérations métaboliques survenant au cours du vieillissement. La perte de masse musculaire est un phénomène multifactoriel, qui est grandement influencé par l’état d’inflammation chronique provoqué par les raisons mentionnées plus haut (55). On croit également que la résistance à l’insuline contribuerait à la perte de qualité et de quantité du tissu musculaire. Elle a été liée à la diminution de la force musculaire, à la diminution de la synthèse protéique et à la perte accélérée de muscle squelettique (56).

Collectivement, cette redistribution des tissus adipeux et musculaires contribue à l’accélération du processus de vieillissement et au développement de maladies qui y sont associées.

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1.4.2 Dysfonction mitochondriale

L’âge est également associé aux dysfonctions mitochondriales survenant dans plusieurs tissus. Les mitochondries produisent une grande quantité de l’énergie dont les cellules ont besoin pour fonctionner. La production de cette énergie par la chaîne de transport des électrons produit des métabolites pouvant être toxiques pour l’organisme : les ROS. Ces dérivés sont capables d’endommager les protéines, les lipides et l’ADN, générant ainsi de l’instabilité chromosomique (57). Afin de contre-balancer la production de dérivé toxique, l’organisme a développé différents moyens de défense pour se protéger.

Sous des conditions physiologiques normales, les ROS sont utilisés par les cellules comme seconds messagers inter- et intracellulaires (58). De cette façon, ils participent à plusieurs processus cellulaires, notamment la différenciation, la prolifération, l’apoptose et la sénescence (59-62). De plus, ces facteurs vont également participer aux processus inflammatoires et de croissance de l’organisme (63, 64). L’utilisation de ces dérivés toxiques dans des processus essentiels diminue ainsi leur concentration dans les cellules et donc, le taux de dommages qu’ils peuvent engendrer.

Sous des conditions physiopathologiques, la surproduction de ROS peut entraîner des altérations irréversibles dans la cellule. Il a été démontré que le taux de production de ROS augmente avec l’âge, ce qui contribue à l’augmentation des altérations mitochondriales observées chez les organismes vieillissants (65). On croit que ces altérations pourraient entre autres être impliquées dans le développement de la résistance à l’insuline et éventuellement le diabète de type 2 avec l’âge. Les mitochondries altérées ne seraient pas en mesure de compléter la β-oxydation des acides gras dans les tissus métaboliquement actifs comme le foie ou les muscles squelettiques (66-68).

Le vieillissement augmente également les dommages à l’ADN mitochondrial. Cependant, de récentes études ont démontré que ces mutations ne seraient pas dues en majorité à l’augmentation des niveaux de ROS dans les mitochondries (69). D’autres études, quant à elles, tendent à démontrer qu’un léger stress oxydatif pourrait, à long terme, être bénéfique pour l’organisme. Cette théorie a mené à l’élaboration du concept de l’hormèse mitochondrial, qui veut qu’un niveau basal de stress oxydatif, généré par la restriction calorique ou l’exercice, engendre une réponse adaptative qui améliorerait la résistance au

13 stress oxydatif (70). Les chercheurs croient que l’organisme répond à cette augmentation du stress oxydatif par une amélioration des défenses antioxydantes, diminuant ainsi les dommages reliés au stress oxydatif et contribuant à l’extension de la durée de vie (71). Ce concept a, entre autres, été supporté par une étude faite chez le nématode C. elegans, dans laquelle il a été démontré qu’une légère augmentation de la production de ROS due à une inhibition de la respiration stimule une réponse transcriptionnelle via le facteur inductible hypoxique (hypoxia inducible factor-1; HIF-1). Dans cette étude, l’augmentation de l’activation d’hif-1 est requise pour l’extension de la durée de vie (72).

2.

G

V

Le vieillissement est un processus multifactoriel influencé par différents facteurs environnementaux, mais également génétiques. De plus en plus, les chercheurs se tournent vers la génétique pour tenter d’expliquer les fondements de ce processus. Il est connu depuis longtemps que certaines mutations peuvent entraîner un vieillissement prématuré, notamment dans le cas de la progéria. Cette maladie est causée par une mutation dans le gène codant pour les lamines A et C et entraîne une défectuosité des systèmes de réplication et de réparation de l’ADN, provoquant un vieillissement prématuré et rapide (73).

Depuis peu, on s’intéresse aux mutations capables d’accroître la longévité des organismes. Cette idée était, il n’y a pas si longtemps, débattu dans le monde de la recherche expérimentale. À l’époque, le vieillissement était considéré comme un processus évolutif irréversible.

Plusieurs études, notamment celles produites auprès de larges populations de jumeaux homozygotes danoises, Finlandaise et Suédoise) ont permis d’établir un lien important entre le vieillissement, la longévité et la génétique (74, 75). Selon ces études, avant l’âge de 60 ans, l’impact de la génétique sur l’espérance de vie serait presque nul; cependant, dépassé ce stade, les facteurs génétiques pourraient contribuer jusqu’à 25% à la durée de vie.

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2.1ÉTUDE DES COHORTES DE CENTENAIRES

L’espérance de vie moyenne humaine varie grandement à travers les différentes populations mondiales. Selon l’OMS, l’espérance de vie moyenne de la population mondiale pour les hommes est établie à 68,1 ans et chez les femmes à 72,7 ans (76). Bien que l’espérance de vie soit largement influencée par les facteurs environnementaux et les maladies, on assume que des variations génétiques à l’intérieur d’une même population contribuent grandement aux variations importantes observées à travers le monde (77). Aux États-Unis, on compte 1.73 centenaire pour 10 000 habitants, ce qui en fait un évènement assez rare (78). Selon la théorie de l’évolution de Darwin, ces rares individus pourraient présenter des traits physiologiques supérieurs. Notamment, les centenaires, en général, semblent avoir des attributs positifs dans le maintien de leur santé globale jusqu’à un âge avancé (79). Par exemple, les centenaires Ashkenazi et Okinawan demeurent généralement plus en santé et semblent préserver une certaine vitalité jusqu’à un âge avancé, comparativement aux individus avec une durée de vie normale (80, 81). De plus, ces traits semblent une caractéristique familiale assez importante, suggérant leur portée héréditaire.

Le contrôle accru des facteurs de risques environnementaux (hygiène de vie, diète, etc…) ainsi que l’amélioration des traitements de maladie telle que les maladies cardiovasculaires et le cancer, ont permis d’accroître l’espérance de vie dans les pays industrialisés, mais n’explique pas en totalité le phénotype d’extrême longévité observé chez les centenaires. Les études concernant les familles composées d’individus avec une longévité exceptionnelle ont permis d’établir certaines relations entre le pronostique favorable de longévité et certains marqueurs génétiques (82). Les études d’association pangénomique (Genome Wide Association Study-GWAS) ont permis d’identifier 3 loci influençant la longévité : FOXO3A, APOE et un nouveau locus intergénique situé sur le chromosome 5 (5q33.3) (83-88).

Bien que plusieurs études d’association pangénomique ont tenté d’associer différents gènes au phénotype de longévité, il est très difficile d’établir un lien fort entre celles-ci. L’une des premières raisons est que le vieillissement est un processus multifactoriel très complexe et donc, un très grand nombre de gènes pourraient être impliqués faiblement, ce qui rend difficile la découverte de nouveaux gènes impliqués dans le processus. Un autre problème pour faire des relations entre ce genre d’étude est la petite taille des cohortes, qui sont

15 généralement issues de la même population. Ceci diminue la puissance statistique de ces études par manque d’hétérogénéité dans leurs groupes.

2.2CAENORHABDITIS ELEGANS COMME MODÈLE D’ÉTUDE

Depuis quelques années, on assiste à des avancées majeures en science, particulièrement en ce qui concerne les circuits moléculaires et génétiques contrôlant des processus tels que le développement. Des comparaisons phylogéniques entre différents modèles animaux ont permis de découvrir des noyaux forts de voies génétiques conservées à travers l’évolution. Chaque organisme modèle présente des avantages et des inconvénients. Une approche combinant l’utilisation de plusieurs modèles est donc souhaitable afin de couvrir un large spectre de traits à étudier. Les fonctions cellulaires peuvent être étudiées chez la levure Saccharomyces cerevisiae, les voies moléculaires et les circuits génétiques peuvent être étudiés dans des modèles comme la drosophile ou le nématode, tandis que les modèles plus évolués (rongeurs, primates) sont des modèles précis dans l’étude des processus de certaines maladies.

C. elegans a d’abord été décrit par Sydney Brenner dans les années ’60 comme un nouvel organisme modèle dans l’étude du développement et de la neurobiologie (89). À ce jour, le nématode est maintenant utilisé dans l’étude de processus biologiques tels que l’apoptose, la signalisation cellulaire, le cycle cellulaire, la régulation génique, le métabolisme, le vieillissement et la détermination sexuelle (90). La popularité de C. elegans en tant qu’organisme modèle a d’ailleurs permis de faire des avancées biomédicales importantes qui se sont répercutées chez l’humain, notamment dans la compréhension de la maladie d’Alzheimer (91-93). Ce modèle est également utilisé dans des études de pharmacologie ayant des répercussions sur la compréhension du mode de fonctionnement de certaines drogues dans le traitement, entre autres, de la dépression chez l’humain (94). Ces études ont été possibles grâce à la forte conservation des voies cellulaires et moléculaires entre le ver et l’humain. Outre cette caractéristique, le nématode présente plusieurs traits intéressants faisant de lui un outil puissant en recherche.

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2.2.1 Cycle de vie

La forme sexuelle la plus commune pour le nématode C. elegans est l’hermaphrodisme. Les vers adultes ont donc la capacité de produire à la fois du sperme et des ovocytes. L’autofécondation est le mode de reproduction standard chez le nématode. Les embryons produits contiennent le même matériel génétique que la mère. L’embryogenèse débute dès la fertilisation de l’ovocyte. Les œufs fécondés se déplacent vers l’utérus où les premiers stades de l’embryogenèse seront complétés. En général, lorsque l’embryon atteint environ 24 cellules, il est expulsé par la vulve et continue son développement à l’extérieur de la mère (95). Un ver hermaphrodite à la capacité de produire jusqu’à 300 embryons au cours de sa période de fertilité. L’utilisation de C. elegans en laboratoire permet donc d’avoir accès rapidement à un nombre important d’animaux pour les études, ce qui permet d’augmenter la puissance statistique des données recueillies. Le cycle de vie du nématode C. elegans comprend 1 stade embryonnaire suivi de 4 stades larvaires (L1 à L4) qui mènent ensuite à l’âge adulte. Une fois l’embryogenèse complétée, le ver atteint le premier stade larvaire, L1. Sous cette forme, la larve compte déjà un total de 558 cellules et les systèmes nerveux et musculaires sont assez matures pour permettre aux vers de se déplacer et de manger (96). Les 4 stades larvaires permettent au nématode de poursuivre sa maturation. 53 cellules déjà présentes en L1, se divisent et se différencient pour éventuellement former le système reproducteur des vers adultes. Ces stades successifs de développement permettent également de réarranger différents tissus comme l’épiderme, les muscles et le système nerveux central. Chaque stade larvaire est délimité par un évènement de mue. Ce processus est déterminé par la sécrétion d’une nouvelle cuticule de collagène par l’épiderme des larves, l’ancienne cuticule est alors perdue (97). À la dernière transition (entre le stade L4 et adulte), la différenciation des cellules somatiques est complétée et les vers sont considérés comme sexuellement matures. Les hermaphrodites peuvent alors commencer le processus d’autofécondation. Les hermaphrodites adultes produits lors de la dernière mue comptent 959 cellules somatiques en plus de la réserve de cellules germinales pour la reproduction.

En condition normale, les vers passent du stade embryonnaire au stade larvaire en environ 3.5 jours et la durée de vie varie entre deux et trois semaines. En laboratoire, la température et l’abondance de nourriture sont deux facteurs qui influencent grandement la vitesse de développement des nématodes. Le processus de maturation des vers peut être

17 accéléré en augmentant la température d’incubation. Cependant, ces changements de température influencent également la santé globale et la durée de vie moyenne des animaux. Il est donc essentiel de maintenir des conditions de températures constantes afin de pouvoir apprécier et comparer les différents résultats entre eux. La disponibilité de nourriture est également un facteur essentiel dans les recherches sur le nématode, puisque celui-ci peut tomber dans un état de dormance lorsque la nourriture vient à manquer. Ce stade, appelé dauer, est un stade de développement alternatif qui permet aux vers de survivre dans des conditions plus hostiles.

En conditions défavorables pour la survie ou la reproduction (manque de nourriture, sécheresse, hausse de température, etc.), le ver C. elegans peut arrêter son développement avant le début de sa maturité sexuelle. Les vers au stade L1 ont la capacité de se spécialiser en larve dauer en prenant un chemin alternatif au cours de leur développement (Fig. 3).

Figure 3. Cycle de vie du nématode C. elegans à 22°C. Le schéma représente le développement embryonnaire et larvaire du nématode. Les chiffres en bleu représentent le temps moyen de développement entre chaque stade dans des conditions standards. La voie alternative de développement en condition de stress est représentée par le passage des larves L1 au stade dauer en réponse à différents stimuli. Ces larves dauer peuvent réintégrer le développement normal lorsque les conditions le permettent en passant par le stade L4 (98).

18 Ce stade est un stade de dormance favorisant grandement la survie dans des conditions défavorables. Les larves dauer s’apparentent, de façon lointaine, aux larves L3 puisqu’elles présentent certaines caractéristiques qui leur sont propres. Elles présentent une apparence interne inhabituelle : leur intestin est scellé au niveau du pharynx et de l’anus. Il n’y a donc pas d’espace ouvert où, dans les vers en développement normal, on retrouverait de la nourriture. Les larves dauer sont incapables de se nourrir puisque le pompage pharyngique est supprimé et que l’intestin est scellé (99). Sous cette forme, l’activité métabolique est grandement ralentie et est entièrement dépendante des réserves énergétiques internes présentes dans les larves.

La cuticule des larves dauer présente également des caractéristiques propres à ce stade de développement. Des expériences de micrographie ont permis de déterminer que leur cuticule est plus épaisse et montre une couche de protection additionnelle qui est absente pendant les autres stades de développement (99). Cette cuticule renforcée permet aux vers de résister particulièrement bien aux agressions chimiques, à la dessiccation, à la chaleur, au froid et au stress oxydatif (100). Sous cette forme, les vers sont capables de survivre dans des conditions défavorables pour des périodes allant jusqu’à 3 mois.

En laboratoire, les vers ont habituellement accès à une quantité suffisante de nourriture et sont maintenus à une température constante favorable à leur développement et à leur reproduction. Leur développement passe donc par 2 phases principales : l’embryogenèse, qui mène à la formation d’une larve L1 et le développement post-embryonique qui passe par 4 stades larvaires et mène à la formation d’un ver adulte sexuellement mature (101). Ces 2 phases de développement sont très finement régulées chez C. elegans. Jusqu’à maintenant, plusieurs gènes hétérochroniques ont été identifiés comme faisant partie d’une voie de régulation contrôlant la séquence des évènements développementaux des larves (102-104). On s’assure ainsi que dans des conditions précises, le développement des vers sera constant. Sous ces mêmes conditions, la période de fertilité et la durée de vie totale, des vers est équivalente. En laboratoire, la durée de vie moyenne des vers est d’environ 3 à 4 semaines, dépendamment des conditions.

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2.2.2 Pertinence de l’utilisation de C. elegans comme modèle d’étude

Les organismes modèles qui ne sont pas des mammifères sont généralement utilisés en recherche dans des études de stade précoce afin de répondre rapidement à des interrogations. Ces études permettent de soutenir les recherches biologiques par de nouvelles découvertes faites dans ces nombreux modèles.

Les organismes modèles sont généralement sélectionnés pour des études en laboratoire selon certains critères biologiques. Ils ont une progéniture abondante, ils sont petits et ils sont faciles à entretenir. Les études de génétique utilisent fréquemment de tels modèles afin d’identifier des loci et des variants génétiques qui sont associés à des différences phénotypiques à travers de large population. Il est ainsi possible d’associer des traits phénotypiques complexes à une base génétique. Pour ce type d’étude, on favorise principalement les organismes modèles capables de produire un très grand nombre de progénitures de façon clonale. En tant qu’organisme multicellulaire, l’utilisation du nématode C. elegans est préconisée par rapport aux modèles unicellulaires comme la levure Saccharomyces cerevisiae (105).

Le ver est également utilisé comme modèle de maladie, lorsque la maladie peut se définir sur des bases moléculaires et génétiques. D’un point de vue génétique, plusieurs processus physiologiques sont conservés du nématode à l’humain. Dépendamment de la méthode bio-informatique utilisée, il y a entre 60 et 80% de gènes homologues conservés entre l’humain et C. elegans (106). Parmi ces gènes, plusieurs font partie de voies de signalisation complexes qui ont été conservées du nématode à l’humain (107). L’un des avantages du ver sur les modèles in vitro ou cellulaire, est que l’on peut observer et caractériser des processus biologiques cellulaires et moléculaires dans le contexte d’un organisme complet. Chez C. elegans, le nombre de cellules cesse de croître à la fin de la période larvaire et la croissance du ver est strictement due à l’augmentation de la taille de chaque cellule individuelle (108). Chacune de ces cellules est issue d’une lignée cellulaire qui est elle-même très bien définie et caractérisée.

C. elegans devient un modèle de plus en plus utilisé dans les études sur le vieillissement. Ce qui fait de lui un bon modèle pour ce type d’études préliminaires est sa croissance rapide en laboratoire dû à son cycle de vie très court (voir section 2.2.1). De plus,

20 la durée de vie moyenne des vers est invariable pour une même souche, ce qui facilite le dépistage de phénotype de vieillissement précoce ou de longue-vie (109). Le vieillissement de C. elegans peut être facilement observable en laboratoire. Comme plusieurs autres organismes, en vieillissant, les vers présentent des changements au niveau de leur apparence et de leur comportement voir section 2.2.2.1) (110, 111). Les vers croissent, se développent, se reproduisent, vieillissent et meurent en un peu plus de 3 semaines, leur mode de reproduction clonal permet d’avoir accès à de large population rapidement. Ce modèle est donc prisé pour les études préliminaires d’association génétique. Il permet d’établir des liens facilement et rapidement entre des nouveaux gènes pouvant contrôler certains phénotypes de vieillissement.

D’un point de vue recherche moléculaire, l’utilisation de C. elegans présente plusieurs avantages non négligeables tels qu’un génome entièrement séquencé et annoté, l’accès à une librairie d’ARNinterférence couvrant environ 80% du génome, ainsi que la génération facile de

souche transgénique (109). Dans les études de vieillissement, l’utilisation du ver permet d’atteindre une puissance statistique significative très rapidement, puisque son temps de génération est très court. En plus de ces avantages, plusieurs gènes impliqués dans des voies moléculaires et cellulaires importantes sont connus pour être conservés à travers l’évolution des espèces (voir section 2.2.3).

Pour toutes ces raisons, C. elegans est devenu un excellent outil génomique et son utilisation en tant que modèle pour l’étude du processus de vieillissement gagne en popularité.

2.2.2.1 CHANGEMENTS PHYSIOLOGIQUES ET COMPORTEMENTAUX ASSOCIÉS AU VIEILLISSEMENT

Le vieillissement est un processus dégénératif caractérisé par des changements au niveau de l’organisation et de la fonction tissulaire, menant éventuellement à la mort d’un organisme. Les études sur le vieillissement visent particulièrement à modifier, ou à retarder ces effets dégénératifs indésirables. Bien que le but ultime soit de comprendre le processus humain de vieillissement, les études faites chez ceux-ci, ou tout autre mammifère modèle représentent un défi de taille d’un point de vue éthique, mais également d’un point de vue de

21 la méthode. En contrepartie, C. elegans s’avère être un modèle appréciable pour les études sur le vieillissement. Son utilisation permet d’effectuer rapidement des recherches sur des bases d’identifications de mutations, de composés pharmacologiques et de conditions environnementales pouvant affecter la durée de vie d’un organisme.

Comprendre et mesurer les changements reliés au vieillissement dans des organismes modèles comme le nématode est à la base de toutes ces études. Cela permet de comparer un vieillissement dit normal, observé et caractérisé chez les animaux sauvages, qui pourront faire partie des groupes contrôles et agir comme point de référence et permettre une meilleure compréhension des différents facteurs pouvant influencer le vieillissement.

Chez le nématode, les changements se produisant avec le vieillissement affectent de multiples tissus dans l’animal. Le déclin de l’intégrité tissulaire affecte, entre autres, la membrane cellulaire et le noyau des cellules des muscles, des gonades, de l’épiderme et de certains neurones (112, 113). La frontière du noyau dans les cellules est de moins en moins définie avec le temps, particulièrement dans les cellules de l’épiderme. Les cellules souches des lignées germinales du nématode sont les seules cellules ayant la capacité de se diviser dans les vers adultes. Il a été démontré que même ces cellules présentent des signes de vieillissement majeurs avec le temps. Au jour 5 du stade adulte, les cellules germinales présentent souvent un noyau enflé avec la présence d’un matériau granuleux à l’intérieur nuisant à leur intégrité et à leur fonctionnalité puisque les vers commencent à produire moins de progénitures à ce stade du vieillissement (112).

Chez C. elegans, plusieurs systèmes senseurs contrôlent les réactions comportementales des animaux en fonction des stimuli. Certains de ces systèmes jouent un rôle important dans le taux de survie des vers, mais également au niveau de la régulation de la longévité. De nombreuses réponses comportementales sont étroitement associées aux interactions sensorielles avec son environnement.

Chez C. elegans 60 cellules neuronales sont dédiées à l’acquisition d’information sensorielle telles que la chimioception (olfactif et gustatif), la thermoception et la proprioception (114). La coordination de ces différents neurones est essentielle à la survie des vers dans un environnement fluctuant. La poursuite des signaux en amont du système neuronal module la physiologie de chaque animal. Les différents stades de développement

22 des vers, ainsi que leur longévité sont tous modulés par signaux environnementaux comme la disponibilité de la source de nourriture et la température. La diminution de la disponibilité de nourriture amène un arrêt du développement des vers, qui entrent dans un stade de dormance appelé dauer. Sous cette forme, les vers ont la capacité de survivre plusieurs mois dans des conditions défavorables (115, 116). La température va également influencer la longévité des vers, à basse température, le cycle de développement est ralenti et les vers vivent plus longtemps (115). À l’inverse, une hausse de température est défavorable pour le développement et la longévité.

L’impact sur la longévité des neurones sensitifs implique seulement quelques-uns de ces neurones, suggérant ainsi que les neurones répondant à un signal environnemental spécifique vont influencer la longévité des animaux en fonction de la présence de ce signal (117). Dépendamment des signaux environnementaux, certains neurones ont donc la capacité de promouvoir la longévité ou d’avoir un effet délétère sur celle-ci. Certains mutants sensitifs présentent des phénotypes à longévité variable en fonction de la source de nourriture. Les neurones sensitifs sont donc capables d’altérer la longévité des animaux par la reconnaissance de la source bactérienne.

La perception des signaux environnementaux par les neurones sensitifs s’étend à plus large échelle que la simple reconnaissance de la source de nourriture. Cette perception implique différents mécanismes pouvant influencer la longévité. Par exemple, certains neurones sensitifs ont la capacité d’évaluer le niveau de disponibilité de nourriture et ainsi moduler la longévité par des voies de signalisation bien précises (118). Les neurones gustatifs ASI influencent positivement la longévité en condition de restriction calorique. À l’inverse, ces mêmes neurones vont avoir un effet d’inhibition sur la longévité en condition d’abondance de nourriture (118, 119). D’autres signaux environnementaux passant dans les neurones peuvent également être impliqués dans la régulation de la longévité, tels que la température et les phéromones sexuelles.

Presque tous les signaux captés par les neurones senseurs ayant une influence sur la longévité des animaux dépendent également d’une réponse comportementale adéquate de la part des animaux. Les réponses comportementales aux stimuli environnementaux peuvent varier selon le stimulus et les neurones impliqués dans la réponse. Les variations de