Facteurs génétiques dans la Longévité et le Vieillissement

Jean Mariani

Université P. et M. Curie

Importance des facteurs génétiques?

What IS Aging?

Scientifically ….

Aging is a biological processAging is not a disease, per se

Aging is a PROCESS that converts an optimally healthy, fit organism (for its

environment) into a less healthy, less fitorganism

Practically ….

Aging = reduced tissue/physiological function

Aging = increased susceptibility to disease(age-related diseases)

Aging = decreased resistance to stress(physical and psychological)

Part 1 : genetic factors in aging of theentire organism

Part 2: genetic factors in aging at the cellular level

Part 1 : genetic factors in aging of theentire organism

WHY do we age?

Genes

+

Environment

Genetics of Longevity – Key Questions

What is the evidence for genetic influences on longevity?

What kinds of genes affect longevity?

How amenable is the ageing process to modification?

Are the genetic determinants of longevity changing?

Why do we age --- GENES

Genes determine species-specificlife span

(e.g., mice, monkeys, humans, tortoises)

Genes determine differences amongindividuals within a species

(e.g., big/small noses)(genetic polymorphisms)

Species-specific longevity genes

Flies (Drosophila melanogaster)Nematodes (Caenorhabditis elegans)

Mice (Mus musculus)Humans (Homo sapiens)

Galapagos turtles (Geochelone elephantopus)

Life spans ranging from 2-3 weeks to100-200 years!

AGE (log)

Fitn

ess

D

isea

se(C

ance

r, os

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oros

is, d

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tes,

etc

.)

AGING in MICE AND MEN

18 Months 50 Years

MICE HUMANS

Mice and Humans are 97% genetically similar!

Species-specific longevity genes

Potentially big pay-off,but complicated by development/evolution

What are the genes that determine why mice live <4 years, whereas humans

live >100 years?

Individual longevity genes(mostly polymorphisms)

Smaller pay-off,but possibly amenable to intervention

(environment, life style, drugs??)

Evidence for individuallongevity genes

Studies on several model systems :

YeastWorms: caenorhabditis elegansFly: drosophila melanogasterMouse: mus musculusHuman

Courtesy of M.Tan

Egg

L1

L2

L3

L4

Adultdauer

Dauer larvae live at least 7 times longer than normal

C. elegans larval phenotypes

Aging in C. elegans

Young adult Old adult

Insulin-like signaling pathway (ISP)

In invertebrates, suppression of insulin/IGF-1 receptor and its homologue produces mutants that live longer than

controls and resist stress better.

Longevity 6X

Resistance to stress;

Consequences

Growth, Development, Metabolism

Mechanisms of action•Energy metabolism from

aerobic to anaerobic

•Chaperons over-expression

• Free radical accumulation

Ages at Death of Wild-type and age-1 WormsKirkwood & Finch Nature 2002

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50

Days

Interindividual Variability : importance of non genetic factors

Mammal insulin-like signaling pathway

• In vertebrates, the insulin receptor regulates glucose metabolism, while IGF-1R promotes growth.

• IGF-1R is activated by its ligand IGF-1 (Insulin Growth factor-1), which is secreted in response to growth hormone.

• Pathway more complicated: more tissue specific signaling and regulation.

– Multiple homologs, some specific to certain somatic tissues.– Genetic investigation is more complicated.

Physiology and biochemistry of the GH/IGF-1 axisQuarrie and Riabowol , 2004

Mutations of somatotropic signaling and longevity in mice

IGF-1R knock-out mice

• The single knock-out IGF-1R+/- mice lived an average of 26% longer than wild-type mice.

• Female IGF-1R +/- mice lived an average of 33% longer than wild-type,

• Male IGF-1R +/- mice lived an average of 16% longer.

• Female IGF-1R mutants live

a mean 33% longer than WT

female mice (756±46 vs.

568±49 days).

• Male IGF-1R mutants live a

mean 16% longer than WT

male mice (679±80 vs. 585

±69 days).

Extended Life in Mutant Mice

IGF-1 receptor regulates lifespan and resistance to oxidative stress in mice.

• IGF-1R +/- mutants have improved resistance to oxidative stress

compared to WT mice.

• Sex-related dimorphism in response to glucose injection.

• They have reduced body weight compared to WT mice.

• They show no differences in fertility or metabolic rates compared to

WT mice.

Other genes that affect mouse lifespan

• Klotho (-/-)– Reduce life-span with accelerated aging– Inhibit insulin and IGF-1 signaling

• Thioredoxin overexpression.– Anti-oxidant gene, provides electrons for peroxiredoxin.– Extends lifespan 22-35%

• Peroxiredoxin (-/-)– Free radical scavenging enzyme– Short lifespan, develop anemia and cancer at 9 months.

• DNA repair mutations reduce lifespan– p53 mutations, XPD TTD (5’->3’ helicase), Wrn (DNA

helicase).

Relation entre longévité et résistance au stress oxydant

Igf-1 receptor Tyrosine-kinase receptor 26 % increase in KO mouse Enhanced (paraquat, H202)(Nature, 2003, Y. Le Bouc)

Etudes génétiques chez l’ Homme

Conclusions

Human studies on genetics of longevity and aging

1. « True » Aging Diseases are rare:

- Progeria: precocious aging 1 upon 6 millions kids. Mutation on the exon 11, of the gene of the lamin A. (proteins inside the nuclear membrane)

- Werner Syndrome: premature aging disease that begins in adolescence or early adulthood transmitted as an autosomal recessive trait; it is a predicted helicase belonging to the RecQ family involved in DNA replication.

2. Many Polymorphisms of genes suspected to be associated with longevity have been investigated (studies in centenarians):

- Lipid peroxidation and lipid metabolism (paraoxonase apolipoproteins, IGF-1 pathway, inflammation and cytokines, oxidative stress (SOD…), DNArepair (PARP) , p53, mitochondrial DNA, proteasome and immunoproteasome

- They confirm a strong genetic component in longevity but these studies are more « confused » than those in animals (complexity of environment..)

- One well established association is APOE (Apolipoprotéin E)

Why do we age ---ENVIRONMENT

DIET(and calorie restriction)

EXERCISE

THINK GOOD THOUGHTS!(stress/hormesis)

DIETCALORIC RESTRICTION

GOOD NEWS! 30-40% caloric restriction (CR)

without malnutritionextends HEALTHY lifespan 40-50%

(worms, flies, mice, rats -- maybe monkeys)

Genes networks are involved in CR effetsexemple: the sirtuins gene family

Le Resveratrol, est un composé polyphenolique trouvé dans le vin rougeet qui agit comme un activateur des sirtuins.

HORMESIS ---(a little stress is good for you!)

Low level stress + high stress --->Less damage by high stress

Low level stress --->Longer life span

Temperature stress, chemicals, radiation, etc

Future research on normal and pathological aging will focuseon the description of network of complex network of genes and their products (« aging interactome »):

-highly and hierarchically organised

- in which coexist and interact:

- longevity genes - and age related disease genes

whose expression is regulated by epigenetic (environmental) factors, caloric restriction for instance

« In fine » environment acts by regulating genes networks

Interactions between aging, genes and epigenetic factors: an exemple in the nervous system

Part 1 : genetic factors in aging of theentire organism

Part 2: genetic factors in aging at the cellular level

Cellular senescence

L’une des différences fondamentales entre les cellules normales, dites aussi primaires, et les cellules tumoralesest la capacité différente de prolifération in vitro de ces dernières.Les cellules tumorales peuvent proliférer indéfiniment et sont donc décrites comme immortelles (ex : cellules HeLa, 1952 !! Carcinome cervical))À l’inverse, les cellules primaires ont une durée de vie limitée, c’est-à-dire qu’en culture elles ne se divisent quedurant une période de temps restreinte et subissent un arrêt irréversible dans la phase G1 du cycle cellulaire,appelé sénescence cellulaire ou réplicative

Sénescence Cellulaire

Repiquages successifs: à la confluence, l’inhibition de contact stoppe l’entrée dans le cycle

Cellules immortelles = nombrede passages illimités

Cellules en culture primaire= nombre de passageslimités

Horloge biologique

• Rôle des divisions cellulaires (fonction de l ’âge et des espèces) => fibroblastes de fœtus : 50 cycles=> fibroblastes adulte : 40 cycles=> fibroblastes homme de 80 ans : 30 cycles=> Syndrome de Werner• 50 divisions de fibroblastes en culture : la limite de Hayflick (1959) : rôle du

nombre de divisions et non du temps écoulé: sénescence réplicative• La sénescence in vitro peut expliquer en partie le vieillissement in-vivo : le

nombre de cycles cellulaires d'un fibroblaste en culture diminue avec l'âge du donneur. Ce nombre de cycle est moindre dans les maladies où on observe un vieillissement précoce

NOMBRE DE DIVISIONS LIMITE SAUF pour CELLULES IMMORTELLES:

Les télomères sont composés de centaines d’éléments nucléotidiques répétitifs placés en tandem dans les régions terminales de chaque chromosome (rôle protecteur)Extrémités des chromosomes (linéaires) non répliquées par l’ADN polymérase•Taille de 5-15 kb chez l’homme: séquences non codantes •Répétitions (TTAGGG)n•la séquence télomérique se raccourcit à chaque division cellulaire (50-200 pb/mitose) in vitro mais aussi in vivo dans des tissus humains senescents•Réserve d’une cinquantaine de mitoses

LES TELOMERES

Chromosome

Chromosome

Mitosis

Telomerase

Chromosome

Chromosome

Chromosome Ends are specialized structures called Telomeres

Blue = chromosomes White = Telomere protein

Longueur des télomères

Divisions cellulaires

Lignée germinale(télomérase +)

Fibroblastes (télomérase -)

12

4,5

( kb)

0

0

12

124,5

ARRÊT DU CYCLE en G1

Cellules immortelles

?

- LA LONGUEUR MOYENNE DES TELOMERES EST + COURTE DANS LA PLUPART DES CELLULES SOMATIQUES PAR RAPPORT AUX CELLULES GERMINALES (« immortelles »)

- LA LONGUEUR DES TELOMERES DIMINUE AU COURS DES DIVISIONS SUCCESSIVES

=>absence d’enzyme de réplication des télomères ?- LES CELLULES GERMINALES POSSEDENT UNE TELOMERASE MAIS PAS LES CELLULESSOMATIQUE

⇒EXISTE-T-IL UNE RELATION ENTRE LONGUEUR DES TELOMERES ET ARRÊT DU CYCLE?La longueur des télomères décide t elle de la durée de vieDe nos cellules

L’horloge est elle télomérique?

Longueur des télomères

Divisions cellulaires

Lignée germinale (télomérase+)

M1

12

4,5

( kb)

0

0

12

124,5

ARRÊT DU CYCLE

Cellules immortelles

P53

+

Quel est le signal envoyé par les télomères en dessous d’une longueur critique ??Comment le cycle est-il arrêté en G1? P 53 ? et / ou P16

Cellules germinales

Cellules immortalisées

Arrêt de croissanceou apoptose

Activationde télomérase

temps

1 - au cours des cycles replicatifs successifs les télomères sont de plus en plus courts. La réduction télomériqueest finalement incompatible avec la poursuite d’une viabilité cellulaire normale, eu égard aux multiples rôles destélomères.

2 - A contrario les quelques cellules qui persistent après la crise sont des cellules transformées. On assiste alors àune réexpression de la télomérase

L’expression permanente (constitutive) de la télomérase semble bien être une propriété intrinsèque des cellulesimmortalisées et/ou des lignées cancéreuses : pas de raccourcissement des télomères

La réduction télomèrique est une caractéristique du vieillissement cellulaire et de la sénescence

Sir2 was originally identified in yeast. It encodes acomponent of heterochromatin and localizes to telomeres

It is an enzyme required for the formation of heterochromatinin yeastSir2 is an NAD-dependent histone deacetylase

One mutant that affects lifespan has been proposedas a possible connection between telomeres, metabolismand aging -- Sir2

-Yeast mutants lacking SIR2 have a shorter lifespan-The same is true for C. elegans (worms) lacking the SIR2homolog

-The human homolog enhances survival of cells in culture

Sir2 related proteins are found in all eukaryotes, including man

The family of proteins are referred to as Sirtuins

The mechanism by which Sir2 promoteslongevity is unknownbut general idea is this:

Aging