Cycle, sénescence et mort cellulaires - Weebly

PACES-L2 UE Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies

18 Octobre 2012

Cycle, sénescence et mort cellulaires Comment tout intégrer ?

Morgane Le Bras

U944-UMR7212-Institut Universitaire d’Hématologie Hôpital Saint-Louis

[email protected]

Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes

Senescence • Réplicative • Oncogénique • SASP

Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie


Senescence • Réplicative • Oncongénique • SASP


Intervention des molécules cycliques dans l’évolution du cycle

M

DC

S

G2

G1

G0

START

Métaphase/anaphase

E/cdk2 (SPF)

B/cdk1 (MPF) A/cdk 2

A/cdk 1

D/cdk 4

D /cdk 6

4

6 complexes interviennent dans le cycle

Sécrétion des complexes au cours du cycle

Cyclines cdk Rôle dans le cycle

A Cdk2 S

B Cdk1 G2M / M

C Cdk8 Transcription

D Cdk4 / Cdk6 G0G1 / G1

E Cdk2 G1S

H Cdk7 Tout le cycle

SPF

MPF

Fonctionnement des cdk

• Les Cdk (cyclin dependant kinase) sont des sérine thréonine kinases enzymes catalysant la phosphorylation de séquences consensus (type : ser/thr-pro-X-arg/lys) de protéines cibles par transfert du groupement γ-phosphate de l’ATP sur des sérine ou thréonine.

• Les cyclines permettent aux cdk d’être actives, mais ne possèdent pas elles-mêmes d’activité enzymatique.

Protéine activée

Rôles des cdk

• Avancée dans le cycle : » Entrée en G1, exécution de G1

» Passage en S

» En G2

» Passage en mitose, exécution de la mitose

• Cibles : » Protéines d’avancée dans le cycle (tubulines…)

» Protéine Rb

• Mode d’action : » Phosphorylations activatrices

» Phosphorylations inhibitrices

Exple de mode d’action des complexes cycline-cdk : les protéines Rb et E2F

Régulation de l’activité cdk

• Les cyclines exprimées de façon cyclique,

• Des protéines déphosphorylant et activant les Cdk : cdc 25

• Des protéines phophorylant les Cdk : • activatrices : CAK (Cdk Activating Kinase(=Cycline H/Cdk7))

Polo K

• inhibitrices : kinase Wee1 (phosphorylation inhibitrice Cdk1) (=Mik1)

• Des protéines inhibitrices : • CKI (Cdk Inhibitor) :

• Famille KIP/CIP : p16, p21, p27

• Famille des INK4

Régulation de l’activité cdk

Cycline A

Cdk 2

Cycline A

Cdk 1

Cycline D

Cdk 4

SPF :Cycline E/Cdk 2

Cycline D

Cdk 6

S

G2

M

G1

MPF : Cycline B/Cdk 1

P21

P21

P16

Wee1 Cdc25

Cdc25

Cycline H Cdk 7 CAK

Polo K

Activations Inhibitions

Mutations des régulateurs G1/S dans

les cancers humains

Activité cdk et cancers

Les mitogènes

• Unicellulaires: division en fonction de la disponibilité en nutriments

• Pluricellulaires: coordination intercellulaire par mitogènes

– Une cinquantaine sont connus

– Spécificité variable (plusieurs types de cellules)

– Action proliférative ou inhibitrice selon cellule/ contexte

– e.g.: PDGF fibroblastes, muscles lisses, glie

Erythopoiétine précurseurs de GR

TGF-beta: mesenchyme, astrocytes

Phase G0

• Démantèlement de la machinerie du cycle (Cdk, ...) • Différentiation terminale: neurones - irréversible • réversibilité: e.g., foie <=> régénération possible


Senescence • Réplicative • Oncogénique • SASP


Sénescence

Sénescence

• Sénescence cellulaire

• Sénescence tissulaire

• Sénescence de l’organe

• Sénescence de l’organisme

Sénescence

Sénescence cellulaire

• Mécanisme de réponse au stress – Hayflick & Moorhead (1961) – Important dans un environnement tumoral

• Blocage de la prolifération cellulaire – Insensibilité aux facteurs de croissance – Activité métabolique maintenue – Changements morphologiques

• Processus cellulaires impliqués:

– Raccourcissement des télomères – Upregulation du locus CDNKN2A – Accumulation de dommages de l’ADN




Sénescence réplicative et télomères



Sénescence réplicative et télomères

Sénescence cellulaire et dommages de l’ADN



Sénescence et cellules souches

• Sénescence cellulaire

• Sénescence tissulaire

• Sénescence de l’organe

• Sénescence de l’organisme

Sénescence

Sénescence tissulaire

• Progeria

• Anomalies de la réparation de l’ADN

• Trisomie 21

Accélération du vieillissement

Progeria

Syndrome de Werner

• Maladie d’Alzheimer

• Maladie de Parkinson

• Hypertension artérielle

• Dyslipidémies

• Athérosclérose

• Diabète type 2

• Syndrome métabolique

• Cancer

Maladies associées au vieillissement

• Sénescence réplicative vs sénescence induite par des oncogènes

– HRASG12V : importance des 2 suppresseurs de tumeurs INK4A et ARF

– Surtout activation de la voie Raf-Mek en aval de Ras

Lien sénescence et cancer

HrasG12V low ->hyperproliferation HrasG12V high ->senescence

Lien sénescence et cancer La voie Raf-Mek

Prostate neoplasia

Senescence dans le rein Induction p27

Lien sénescence et cancer La voie Pi3K-Akt

• Sénescence réplicative vs sénescence induite par des oncogènes – HRASG12V : importance des 2 suppresseurs de tumeurs INK4A

et ARF

– Surtout activation de la voie Raf-Mek en aval de Ras

• In vivo, sénescence dans les lésions pré-malignes (souris et homme) – Pancreas, poumon, melanocytiques nevi

– Explique leur faible taux de croissance et leur faible degré de malignité

Lien sénescence et cancer

Evidences in vivo chez la souris

Evidences in vivo chez l’Homme

Sénescence tumorale

Senescence Associated Secretory Phenotype (SASP)

Senescence-messaging secretome: SMS-ing cellular stress Thomas Kuilman1 & Daniel S. Peeper


http://www.nature.com.gate2.inist.fr/nrc/journal/v9/n2/full/nrc2560.html

Senescence-messaging secretome: SMS-ing cellular stress Thomas Kuilman1 & Daniel S. Peeper


http://www.nature.com.gate2.inist.fr/nrc/journal/v9/n2/full/nrc2560.html




Aspects historiques

Carl Vogt

Principe d’apoptose (1842).

(système nerveux en développement et

métamorphose chez les amphibiens)

Walter Flemming

Mort cellulaire programmée (1885).

Aspects historiques

John Kerr

Distinction entre apoptose et mort traumatique (1965).

Aspects historiques

Brenner, Horvitz & Buston

Prix Nobel (2002).

Aspects historiques

Cell death mechanisms

Death by suicide Death by injury

APOPTOSIS NECROSIS

NATURAL YES NO

EFFECTS BENEFICIAL DETRIMENTAL

Physiological or

pathological

Always pathological

Single cells Sheets of cells

Energy dependent Energy independent

Cell shrinkage Cell swelling

Membrane integrity

maintained

Membrane integrity lost

Deux voies principales induisent l’apoptose

Voie extrinsèque (type I)

Via récepteurs membranaires: Récepteurs de la famille TNF et Fas

Récepteurs de mort membranaires

Stimuli extrinsèques

Voie intrinsèque (type II)

Via organites cellulaires: Réticulum endoplasmique, mitochondrie,

lysosomes

Mitochondrie Stimuli intrinsèques

Caspases initiatrices (caspases 8)

APOPTOSE

Caspases effectrices (caspases 3-6-9)

DNases



Effecteurs indépendants des caspases

(EndoG, Smac/DIABLO)

Apoptosome (cytochrome c)

Mitochondrie

Stimuli intrinsèques

DNases

La voie extrinsèque: Cascade d’activation des caspases

ACTIVE CASPASE-8

Caspase 6

Caspase 7

Caspase 3

XIAP

DED p10

p20

p10

p20

PRO-DOMAIN

FLIP PROTEINS p10

p20 PRO-CASPASE-8

PARP Lamins

DNA fragmentation

APOPTOSE

Caspases initiatrices (caspases 8)

APOPTOSE

Caspases effectrices (caspases 3-6-9)

DNases



Effecteurs indépendants des caspases

(EndoG, Smac/DIABLO)

Apoptosome (cytochrome c)

Mitochondrie

Stimuli intrinsèques

DNases

La voie intrinsèque

1-Intégration

2-Initiation 3-Dégradation

Céramide, GD3, palmitate

Ca2+

Petites molécules: Atractyloside, Pro-oxydants

NAD(P)H ROS, NO

p53 Protéines virales:

(Vpr, Hbx, M11L,vMIA)

Kinases: PKCe, HK, JNK

Famille Bcl-2

p53

La mitochondrie: un intégrateur central

Les facteurs apoptogéniques

Cyt c

Cyt c

Apaf-1

Apaf-1

dATP

Pro Caspase-9

Pro Caspase-9

APOPTOSOME

Caspase cascade 3, 6 & 7

Caspase-9

APOPTOSE

DNA fragmentation

Cyt c

DM

Bcl-2

AIF, Endo G

Caspase cascade 3, 6 & 7

Smac/Diablo

XIAP

Deux fonctions distinctes:

1/ En conditions physiologiques: ouverture transitoire et dynamique

Régulation du flux de Ca2+, du potentiel redox, du pH matriciel …

2/ En conditions apoptotiques: ouverture continue = pore létal

Passage de petites molécules, d’ions, H2O, et relargage de facteurs apoptogéniques

+ + + - - -

Cyto c

MM<1500 Da

CL

Ca2+

OM

IM

CyD ANT

HK PBR

CK

VDAC

Le Pore de Transition de Perméabilité (PTP)

TROP: Atrophie tissulaire

TROP PEU: Hyperplasie

Neurodegeneration

SIDA

Etc…

Cancer

Artherosclerose

Maladies autoimmunes

Etc…

Apoptose et pathologies humaines

Aging --> both too much and too little apoptosis

(evidence for both)

Too much (accumulated oxidative damage?) ---> tissue degeneration

Too little (defective sensors, signals? ---> dysfunctional cells accumulate hyperplasia (precancerous lesions)

Apoptose et pathologies humaines Vieillissement

Quel système pour quelle fonction?

Dégradation spécifique: protéasome

- concerne les protéines à durée de vie courte

- spécificité déterminée par:

- acide aminé N-terminal

- séquences d’acides aminés spécifiques (ex: PEST)

- modification post-traductionnelle (ex: ubiquitine)

Dégradation non spécifique: autophagie

- concerne les protéines à durée de vie longue

- pas de spécificité apparente connue

Protéolyse & Autophagie

Niveau basal => renouvellement du contenu cytoplasmique (homéostasie

cytoplasmique: protéines , ARN, organites). Situation de carence nutritionnelle => favorise la dégradation protéique et fournit des acides aminés

essentiels.

Situation de stress => élimination des macromolécules et structures cellulaires altérées

(ex: protéines oxydées, mitochondries endommagées). Persistance => mort cellulaire.

Dégradation lysosomale ou autophagie

• Carence alimentaire ou en acides aminés

• Carence en facteurs de croissance ou hormones

• Stress intracellulaire (dommage ADN)

• Drogues ou agents chimiothérapeutiques

• Infections virales

• Choc thermique

• Radiations UV ou γ Induction maintenue

et importante

=> la mort cellulaire

Inducteurs :

Mort cellulaire par autophagie

Autophagolysosome

Amphisome

Endosomes

Lysosome

Membrane ou Phagophore

Autophagosome

Réticulum Endoplasmique

Golgi/TGN

Membrane plasmique

acides aminés libres


Phagophore

MAP1-LC3 (Atg8)

Atg12-Atg5

Autophagosome

Autophagolysosome

Amphisome

Endosomes

Lysosome

Class III PI3K/Beclin 1 (Atg6)

Prot - FYVE

Implication des Atg dans la formation de l’autophagosome

acides aminés libres


Autophagie induite par la carence = processus auto-régulé

hormone

PI3Kinase

mTOR activé

Autophagie basale

Synthèse protéique importante

Forte [aa]

hormone

PI3Kinase

mTOR désactivé

Faible [aa]

Autophagie forte

Synthèse protéique réduite

Autophagie=>survie ou mort cellulaire?




Métabolisme

Cycle cellulaire, sénescence, apoptose et métabolisme énergétique

• Mitochondries: effecteurs centraux de

– Métabolisme énergétique

– Espèces réactives de l’oxygène (ERO): -> génération & détoxification

– Apoptose

• Voies de signalisation des facteurs de croissance:

– accroissent le métabolisme -> cycle cellulaire

– favorisent fréquemment la survie

• Protéines de l’apoptose: régulent souvent le métabolisme énergétique

• Exemple Akt:

– captage de nutriments - GLUT1 / glucose ‘fuel’

– phosphorylation de l’hexokinase et phosphofructokoinase

glycolyse

– Enzyme de la glycolyse = Hexokinase • Dégradation du glucose

• Activité apoptotique via VDAC

si activité, apoptose via PTP

– Phosphorylation inactivatrice de Bad

si Akt (ou Ras/MAPK), déphosphorylation et apoptose

si glycolyse, Dcomplexe hexokinase/glucokinase/Bad

déphosphorylation et apoptose

Facteurs de croissance et métabolisme énergétique,

• Sirt1: histone acétylase NADH-dépendante (cf. Glycolyse)

• p53

• KU-70 (partenaire de Bax)

• FOXO (cibles: p21, p27, FAS/CD95)

• mTOR: kinase régulant notamment la traduction de mRNA

– des protéines ribosomiales

– Du cycle cellulaire

– De la matrice extracellulaire et de la motilité

– Inhibition par < AMP ou < glucose

– Activation par Akt et Ras

– Si inhibition soutenue: autophagie

Senseurs de l’état énergétique

Energie ou

taux d’AMP/ATP

m TOR

Atg1

Apport Nutritionnel

ou Amino acides

Membrane (Phagophore)

Autophagosome

Régulation Hormonale

PI3K Classe I

Synthèse protéique

Croissance cellulaire

Sénescence cellulaire et métabolisme

Sénescence et radicaux libres

Sénescence et radicaux libres

Détoxification des radicaux libres

Ralentissement de la sénescence

Anti-oxydants

Huiles de poissons

Restriction calorique




p53 et métabolisme

p53 monomérique

p53 tétramérique

WAF 1 GADD45 14-3-3-

G 1 S

G 2 M

STOP

STOP

Arrêt du cycle cellulaire

Apoptose

BAX PIG3 NOXA PUMA

PIDD

FAS Killer/DR5

p53AIP

BTG2

P53, un facteur de transcription

Bensaad et al, Cell 2006

P53 et métabolisme

p53 et métabolisme (2)

Bensaad et al, Cell 2006

p53

APOPTOSE

GSH

ROS

TIGAR = TP53-Induced Glycolysis and Apoptosis Regulator

Sablina et al, Nat Med 2005

Gènes anti-oxydants

Gènes pro-oxydants

++ + -

++ + -

P53, mitochondrie et stress oxydant

Sablina et al, Nat Med 2005; Bensaad & Vousden Nat Med 2005

P53, mitochondrie et stress oxydant

Métabolisme, p53 et sénescence

P53 et métabolisme

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18 Octobre 2012

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