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Stress oxydant et Vieillissement

Isabelle PetropoulosPU UPMC

Equipe Biologie Cellulaire du VieillissementUR4, Vieillissement, stress et Inflammation

Vieillissement clinique et fondamental - psychiatrie du sujet âgé

11 février 2013

Enseignement coordonné des Capacité de Gérontologie Franciliennes

Le Vieillissement

Vieillissement : Processus progressif et irréversible de modification desstructures et des fonctions de l’organisme et de sa capacité d’adaptation auxconditions de l’environnement.

Altération voire perte des fonctions physiologiques Augmentation de la susceptibilité de l’apparition des maladies Diminution de la résistance au stress

77,5 ans pour les hommes84,4 ans pour les femmes

Augmente d’un trimestre tous les ans

16,2 % des personnes en Franceont plus de 65 ans

Chiffres INSEE 2007

Les 3 âges de la femme, Klimt

2

Usure de l’organisme suite à l’accumulationd’altérations subies au cours du temps

Les changements associés au vieillissement sont dus àl’accumulation des dommages produits pas les EspècesRéactives de l’Oxygène (ERO).

Production des ERO

Défenses antioxydantes

Systèmes de maintenance qui aident la cellule à répondre au stress oxydant

Théorie des radicaux libres

1972, théorie mitochondriale du vieillissementHarman

Petit historique de la théorie des ERO

1956, théorie des radicaux libres du vieillissementHarman

Mise en évidence de laproduction mitochondrialeD’ERO

Production d’animauxtransgéniques surexprimantdes enzymes anti-oxydantes

Mise en évidence del’augmentation des dommagesoxydatifs avec le vieillissement

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Défenses antioxydantes Sources endogènes Sources exogènes

EROONOO-

H2O2

ROO.O.

2

NO.NO2

OH.

• Systèmes enzymatiques : CAT, SOD, GPx

• Systèmes non-enzymatiques : Glutathionvitamines (A, C et E)

Taux basal Taux élevé

• Mitochondries• Péroxysomes• Lipoxygénases• NADPH oxydase• Cytochrome P450

• UV, Radiations ionisantes• polluants• Xénobiotiques oxydants• inflammation (cytokines)

Homéostasie• Croissance normale• métabolisme normal

Altération des fonctions physiologiques• vieillissement• maladie• mort cellulaire

Origine et réponses cellulaires aux ERO

Production mitochondriale des ERO

F

4

Systèmes de défenses cellulaires

O2°- + O2°- + 2H+ H2O2 + O2

H2O2 + H2O2 2 H2O + O2

H2O2 + 2GSH GSSG + 2 H2O

ROOH + 2GSH GSSG + H2O + ROH

SODCAT

GPx

Les principales cibles des ERO

L’ADN- Mutations : la guanine peut réagir avec 1 radical hydroxyl

- 8-OH-dG : 8 hydroxydesoxyguanine

- Coupures simple brin et double brins

- Délétions (ADN mitochondrial)

Les lipidesOxydation des phospholipides des membranes.Formation de peroxydes lipidiques Aldéhydes

- 4-hydroxynonenal (4-HNE)- malonaldéhyde (MDA)

Les protéinesModifications oxydatives multiples (carbonyles)

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Principales modifications oxydatives de l’ADN

L’oxydation de l’ ADN peut provoquer des mutations

N

N

O

H2N

HN N

N O

H

H

N

N

O

H2N

HN N

N OHH

N

NH

HHN

N

OH2N

NN

O

HH

HH

H

N

NN

Aden in e

8 OH-Gu a (enol) 8 oxo-Gu a (k eto) Basepairs

A T

G C8 OHdG A

8 OH-Gua

8-hydroxyguanine

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Stress oxydant et mitochondriesThéorie mitochondriale du Vieillissement, notion de cercle vicieux

ROS ROS ⇑⇑

Inhibition des complexesMutations dans l’ADNmtDégradation des membranes

ATP ATP ⇓⇓

Changement d'état stationnaire

ADN mitochondrial plus sensible à l’oxydation

Mutations et délétions de l’ADN mitochondrial associées au vieillissement

(Schriner et al., 2005)

H2O2 OH°Fe, Cu

H2O

Effets de la surexpression de la catalase humaine spécifiquementdans :

les péroxysomes Le noyau mitochondries

Catalase

Surexpression de la catalase dansles mitochondries

Fibroblastes

Muscle

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Effets sur la longévité des souris

de 20% de la durée de vie moyenne

de 10% de la durée de vie maximale

catalase péroxysomale

catalase nucléaire

catalase mitochondriale

Protection contre le stress oxydant

Oxydation et lésions de l’ADN

Production d’ERO

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Qu’est-ce que l’oxydation des protéines?

Modifications covalentes des protéines provoquées par des

espèces réactives de l’oxygène ou par des dérivés induits

par le stress oxydant

Protéine oxydée nonfonctionnelle

Protéine active

Oxydation

Oxydation

GlycationConjugaison avec des

produits de péroxydationlipidique (e.g. HNE, MDA)

Glycoxydation

Tous les acides aminés

LysineArginine

AGEs

HistidineCystéineLysine

CarboxymethylysineCOO-CH2R NH

Modification oxydatives des protéines

R’

N

H

NH

NR

Pentosidine

Produits d’Amadori

Protéine native Hydroxyls R-OH Carbonyls R-C-H, R-C-R’, O ODisulfide cys-S-S-cysMethionine sulfoxide MeSO

N

9

Produits d’oxydation des protéines

semialdehyde, chloramines,

semialdehyde glutamique, chloramines

Acide 2-Amino-3-cetobutyrique

acide oxalique, acide pyruvique

Hydroperoxides

Hydroxy- and nitro-tryptophans, kynurenines

Methionine sulfoxide, methionine sulfone

Lysine

Arginine

Threonine

Glutamyl

Valine, Leucine

Tryptophane

Methionine

Hydroxyproline, pyrrolidone, glutamic semialdehydeProline

2-Oxohistidine, asparagine, aspartateHistidine

HydroxyphenylalaninesPhenylalanine

Dityrosine, nitrotyrosine, chlorotyrosines, DOPATyrosine

Disulfides, mixed disulfides (e.g., glutathiolation), acidescystéiquesCysteine

Produits d’oxydation Acide aminé

Maladies et situations dans lesquelles estimpliquée l’oxydation des protéines

Athérosclérose (LDL) Arthrite rhumatoïde (IgG)

Ischemie-reperfusion cardiaque et cérébrale Emphysème pulmonaire (inhibiteur de l’α-1-proteinase, elastase)

Maladies neurodegeneratives - Alzheimer

- Parkinson Dystrophie musculaire

Syndrome de détresse respiratoire

Vieillissement

Progeria/syndrome de Werner

Alcoolisme Cataracte (a-crystallines)

Cancer

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Rôle de l’oxydation des LDL dans l’athérogenèse

Les LDL oxydées représentent un facteur de risque majeur dans l’ athérogenèse et sont impliquéesdans les événements précoces de formation de la plaque :

- Attraction dans la paroi des cellules mononuclées (macrophages et lymphocytes T)- Formation de cellules spumeuses- Migration et prolifération des cellules musculaires lisses- Dysfonction endothéliale (apoptose et nécrose)- Potentialisation des effets toxiques des LDL oxydées par inhibition du protéasome

Exemple de l’α1-antitrypsine

Synthétisée dans les hépatocytes.

Présente dans le parenchymepulmonaire. Protection de la matricealvéolaire contre l’activité de l’élastase(sérine protéase).

L’oxydation de cette enzyme est mise en cause dans l’emphysèmepulmonaire du fumeur (maladie pulmonaire caractérisée par unedestruction des bronchioles)

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Inactivation de l’ α1-antitrypsine par l’oxydation

cigarette

Cigarette(H2O2, phénol)

Régulation de l’activité élastase

LE PROTEASOME

Rôles dans le vieillissement et les maladies liées à l’âge

ELIMINATION DES PROTEINES OXYDEES

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Oxydation des protéines et systèmes demaintenance

O2O2

.-

H2O2

OH.ERO

Modifications irréversibles carbonylation modifications réversibles

Réparation

Thiorédoxine/Thiorédoxine R.SulfirédoxineMéthionine Sulfoxide Réductases

Dégradation

(Cytoplasme / Noyau)Protéasome

Levine and Stadtman, 2001, Exp. Gerontol., 36:1495-1502

(fibroblastes humains, cristallin human, cerveau humain, foie de rat, mouche)

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Oxydation des protéines et systèmes demaintenance

O2O2

.-

H2O2

OH.ERO

Modifications irréversibles carbonylation modifications réversibles

Réparation

Thiorédoxine/Thiorédoxine R.SulfirédoxineMéthionine Sulfoxide Réductases

Dégradation

(Cytoplasme / Noyau)Protéasome

Accumulation des protéines oxydéesStress oxydant / Vieillissement

Le protéasome : machinerie d’élimination desprotéines endommagées

Protéasome 20S

αββα

Chymotrypsine-similaire

Hydrolase post-glutamique

Trypsine-similaire

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Protéasome 20SDégradation des protéines oxydées

Les protéasomes

Protéasome 26SDégradation des protéines marquées par les

chaînes de polyubiquitines

Rôles physiologiques importants dans:

Le cycle cellulaire (dégradation des cyclines) la présentation de l ’antigène L ’inflammation (activation de NFkB) L ’apoptose (p53) La réparation de l’ADN (PARP)

Dégradation des protéines ubiquitinylées par le protéasome 26S

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Protéasome et vieillissement de la peau

Diminution du renouvellement cellulaire, sénescence Dégradation de la matrice extra-cellulaire Endommagement des macromolécules cellulaires

Vieillissement intrinsèquechronologique et génétique

Vieillissement extrinsèqueStress oxydant, photo-vieillissement

Oxydation des protéines au cours du vieillissement de l’épiderme Rôle du protéasome dans les processus de vieillissement

Modification oxydative des protéines

inter

médiai

res

jeune

s

âgés

kDa

97.4

68

Oxydation globale des protéines dans les kératinocytes

Anti-DNPAnticorps

* **

** *

**

oxydéeprotéine

O

DNPHDNP

protéine

DNP

DNP- protein

DNPMise en évidence des protéines carbonylées par Oxyblot

12084

47.8

Anti-HNE

16

Altération du protéasome

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

8070605040302010âge du donneur (années)

CT-

like

pmol

AM

C/m

in. p

er m

g

PG

PH

pmol

NA

/min

. per

mg

Diminution des activités CT et PGPH dans les kératinocytes âgés

17 ans

50 ans

67 ans

Protéasome

purifié

33.2

20

kDa

Modification de l’expression

b

pH 3 pH 10

SDS-PA

GE21kDa

30.6 kDa

IEFModification de la structure

β

α

Chymotrypsine

Chymotrypsine

ChymotrypsineTrypsinePGPH

Chymotrypsine

ChymotrypsineTrypsinePGPH

21-30 ans vs 65-85 ans

clair vs cataracte

3-8 mois vs 24-34 mois

3 mois vs 28 mois

4 mois vs 34 mois

Lymphocytes T

Cristallin

Foie

CoeurPoumonCerveau

muscle

Humain

Rat

effet sur l’activitéâgetissuespèce

Effet de l’âge sur les activités du protéasome

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Effet de l’âge sur l’expression du protéasomeAnalyse de transcriptome

α2, α7(protéasome 20 S)

sous-unités du 19S(protéasome 26S)

β2, β7(protéasome 20 S)

sous-unités du 19S(protéasome 26S)

8 ans vs 92 ans

5 mois vs 30mois

Fibroblastes

Musclesquelettique

Humain

souris

restrictioncalorique

Effet surl’expression

âgetissuespèce

Protéasome et vieillissement des drosophiles

(Vernace et al., 2007)

drosophiles jeunes : 1-2 jours / drosophiles âgées : 43-47 jours

Performances physiques

18

contrôle

Rpn11

Surexpression du protéasome

Protéines ubiquitinylées

Rpn + Rpn -

Inhibition du protéasome dans les cerveaux depatients Alzheimer

Accumulation de protéines oxydées Dégénérescence cellulaireMort neuronale

19

Inhibition du protéasome 26S

sections de cortex d’animaux de 6 semaines

Profils de cortex de 2, 3 et 6 semaines desouris contrôles et mutantes

Rpt2

CT-

Like

Act

ivity

(AFU

)

Inhibition du protéasome 26S

NeurodegenerationLewy bodies in

post-mortem brain

(Bedford et al., 2008)