Pendant longtemps, le rôle principal des télomères (Encadré 1) a été restreint à la protection des extrémités des chromosomes au cours de la division cellulaire, prévenant ainsi les fusions interchromosomiques. Récemment, il a été montré que les télomères jouent également un rôle clé dans la sénescence post-mitotique ainsi que dans la sénescence prématurée induite par le stress (SIPS), en participant à la réponse cellulaire aux dommages de l’ADN (DDR)

La longueur des télomères peut être maintenue grâce à l’activité de la télomérase, une reverse transcriptase qui permet de transcrire les séquences télomériques en utilisant comme matrice, un ARN non codant, le TERC (telomerase RNA component). Lorsque le raccourcissement critique des télomères est atteint, la réponse aux dommages de l’ADN est enclenchée, avec l’activation de p53 et l’augmentation des inhibiteurs du cycle cellulaire comme p21^Cip1 (cyclin-dependent kinase inhibitor 1)provoquant l’arrêt irréversible de la mitose.

Très récemment, il a été montré qu’une partie des télomères, localisée dans une région subtélomérique, pouvait être transcrite en un long ARN non codant, TERRA (telomeric repeat-containing RNA), capable de réguler la longueur des télomères, l’activité de la télomérase, la formation d’hétérochromatine et la réponse aux dommages de l’ADN. Ces deux dernières activités sont également très importantes au cours de la sénescence post-mitotique et de la SIPS.

L’implication des télomères dans le vieillissement et l’insuffisance cardiaque a été suggérée par des études cliniques montrant une diminution de leur longueur dans les leucocytes de patients insuffisants cardiaques âgés, en comparaison à des individus sains [8]. Bien que la relation entre la longueur des télomères des leucocytes et celle des cellules cardiaques soit discutable, cette étude a eu le mérite de stimuler la recherche dans le domaine des mécanismes de vieillissement cardiaque. Les travaux sur la relation entre les télomères et la sénescence cardiaque se sont intéressés aussi bien aux cellules stromales qu’aux cardiomyocytes. Le stroma cardiaque est constitué de progéniteurs cardiaques, vasculaires et fibroblastiques [9] qui, par leur activité « progénitrice » et/ou mitotique, subissent une sénescence réplicative et une sénescence prématurée induite par le stress. Bien que, récemment, le rôle des progéniteurs cardiogéniques dans le maintien de l’homéostasie cardiaque ait été minoré chez l’homme [10], la longueur des télomères et l’activité de la télomérase des cellules stromales à potentiel cardiogénique, apparaissent diminuées chez les sujets âgés [11]. Une étude utilisant les approches de datation au carbone 14 (C¹⁴) a mis en évidence une baisse significative de l’activité régénératrice cardiaque en fonction de l’âge (1 % de régénération des cardiomyocytes à 25 ans et 0,45 % à 75 ans) [10]. Ces résultats suggèrent que le raccourcissement des télomères pourrait intervenir dans la sénescence des progéniteurs du stroma cardiaque. Bien que les taux de régénération soient extrêmement faibles, et que leur interprétation en terme de maintien de l’homéostasie cardiaque chez l’adulte soit discutable, ces résultats laissent envisager une possibilité d’intervention pour prévenir la sénescence des progéniteurs cardiaques et ainsi favoriser leur activité régénératrice.

Des études récentes ont montré le rôle des télomères dans la sénescence des cardiomyocytes. Sahin et ses collaborateurs [12] ont montré que la dysfonction des télomères des cardiomyocytes était à l’origine, non seulement d’une diminution de la biogenèse mitochondriale dépendant de PGC1-α (peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1-α), mais également d’une dysfonction des mitochondries associée à l’augmentation du stress oxydatif et d’une cardiopathie [12]. L’originalité de cette étude consiste en la mise en relation d’un raccourcissement des télomères avec une dysfonction mitochondriale. Toutefois, il reste à préciser si cette dysfonction mitochondriale télomère-dépendante se manifeste lors de la différenciation des progéniteurs cardiaques en cardiomyocytes matures et/ou au cours de la sénescence post-mitotique. Les résultats obtenus dans les cellules progénitrices stromales et dans les cardiomyocytes ont permis de proposer un rôle central des télomères dans le vieillissement et l’insuffisance cardiaque [13].

Les mécanismes cellulaires induits par la dysfonction des télomères et conduisant à la sénescence cardiaque post-mitotique, ne sont pas encore clairement identifiés. Néanmoins, il est fortement probable qu’ils soient reliés, en grande partie, au déclenchement des cascades intracellulaires en lien avec la réponse aux dommages de l’ADN (DNA damage response, DDR) [7] (Figure 2). La DDR est une réponse réparatrice des cellules pour remédier à une cassure double brin de l’ADN intra- ou extra-télomérique. En effet, il a été démontré que des altérations au niveau de la boucle-t (en anglais, t-loop) et du complexe shelterin, qui protègent les télomères (Encadré 1), déclenchent la cascade de réponses aux dommages de l’ADN (DDR) responsable de l’arrêt irréversible du cycle cellulaire (Figure 2). Cette cascade implique de très nombreux partenaires dont les principaux sont p53 (un gène suppresseur de tumeur qui possède un grand nombre de fonctions associées à la sénescence, voir plus loin) [54] (→) et la protéine kinase ATM (ataxia telangiectasia mutated). Ces partenaires participent à l’activation d’inhibiteurs du cycle cellulaire comme la protéine pRB (retinoblastoma protein), et d’inhibiteurs des kinases dépendant des cyclines (CDK) tel que p21^Waf1/Cip1 (p21^Cip1). La DDR est initiée par des cassures double-brins survenant dans le génome nucléaire et au niveau des télomères. Si les facteurs de dommage à l’ADN persistent, les cellules s’engagent dans un processus de sénescence accélérée, responsable de dysfonctions et, ensuite, de la mort cellulaire [14]. Actuellement, le rôle de la DDR dans la sénescence cardiaque n’a pas été étudié en détail. Bien que l’expression et/ou l’activité de p53 soit augmentée dans les cellules cardiaques sénescentes [12, 15, 16], la relation de la protéine avec la DDR n’a pas été démontrée. Très récemment, un article extrêmement intéressant publié par Puente et ses collaborateurs [17] a montré, chez la souris, que l’augmentation de la pression partielle d’oxygène dans le sang artériel après la naissance, induisait un dommage oxydatif de l’ADN et une DDR impliquée dans la sénescence et l’arrêt de la mitose post-natale des cardiomyocytes. Ces résultats, ainsi que la démonstration du rôle clé de la DDR dans la sénescence physiologique et prématurée dans de nombreux organes [18], ouvrent des perspectives prometteuses pour la mise en place de nouvelles approches de prévention et de traitement de la sénescence cardiaque.

(→) Voir la Synthèse de O. Albagli, m/s n° 10, octobre 2015, page 869

L’hypothèse selon laquelle les dérivés réactifs de l’oxygène produits par les mitochondries jouent un rôle clé dans le vieillissement (mitochondrial free radicals theory of aging, MFRTA) a été proposée au milieu des années 1950 [19]. Elle a constitué la base de très nombreuses études visant à approfondir la relation entre mitochondries, stress oxydatif et sénescence cellulaire [20]. Bien que cette hypothèse ait été récemment critiquée, au moins pour ce qui concerne les phénomènes de sénescence physiologique et l’impact sur la longévité [20], les mitochondries ont été placées au cœur du vieillissement et leur importance dans les mécanismes de sénescence cellulaire, de même que la complexité de ces mécanismes, n’ont cessé de croître [21]. Les mitochondries sont à la fois source et cible des espèces réactives de l’oxygène (en anglais, reactive oxygen species [ROS]). Les ROS sont produites principalement par la chaîne respiratoire sous forme d’anion superoxyde (O₂ ^.-) qui diffuse dans la matrice mitochondriale et le cytosol où il est, en partie, converti en H₂O₂ par la superoxyde dismutase. Dans le cas d’une production limitée, les ROS sont inactivées par les enzymes antioxydantes. Une production excessive conduit, en revanche, à un stress oxydant ayant un impact direct sur les mitochondries et sur l’ensemble des composants cellulaires. Parmi les cibles des ROS, on trouve des régulateurs de la fonction et de la dynamique mitochondriale comme les sirtuines [22, 23], STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3) [24] et PGC1-α (peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1-α) [16] (Encadré 2). L’ADN mitochondrial (ADNmt) représente également une cible particulièrement sensible au stress oxydant [25]. Le génome mitochondrial humain est circulaire et code 13 protéines intervenant dans la production d’énergie. L’oxydation de l’ADNmt provoque des mutations responsables de l’altération de la fonction mitochondriale, notamment au niveau du métabolisme énergétique. S’ils persistent, le stress oxydatif et les dommages de l’ARNmt conduisent à une altération irréversible des mitochondries et à une accélération du processus de sénescence [25].

En situation normale, l’élimination des mitochondries endommagées et la production de mitochondries fonctionnelles sont assurées par le contrôle de qualité (mitochondrial quality control) et la dynamique mitochondriales [25].

L’étude du rôle des mitochondries dans le vieillissement cardiaque a principalement porté sur les cardiomyocytes et les mécanismes de sénescence post-mitotique normale et prématurée. L’implication de l’altération de la fonction mitochondriale et du stress oxydant qui en résulte dans le vieillissement cardiaque, a été suggérée par différents travaux. Tout d’abord, les mitochondries provenant de cœurs de rongeurs âgés présentent des altérations ultrastructurales et une augmentation de la production de ROS [27]. Ensuite, l’incidence des mutations de l’ADN mitochondrial, caractéristiques des dommages induits par le stress oxydatif [28], et son oxydation, sont plus importantes chez les personnes âgées que chez les individus jeunes [29]. Ces résultats ont été confortés par une étude montrant que des souris portant une mutation homozygote au niveau du domaine codant la polymérase γ (PolG) de l’ADN mitochondrial, présentent un vieillissement accéléré, une dilatation et une fibrose cardiaque avec une insuffisance ventriculaire gauche. Ce phénotype est associé à des altérations ultrastructurales des mitochondries et à la présence de marqueurs tissulaires de stress oxydant [30]. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle une dysfonction mitochondriale et le stress oxydant jouent un rôle important dans le vieillissement cardiaque.

Ces dernières années, un intérêt croissant a été consacré aux anomalies de la dynamique mitochondriale dans les pathologies et le vieillissement cardiaques. Comme nous l’avons mentionné dans la partie consacrée aux télomères (voir ci-dessus), notre équipe [16] et celle de DePinho [13] ont montré que la sénescence des cardiomyocytes et l’insuffisance cardiaque sont associées, chez la souris, à une diminution de l’expression du régulateur de la biogenèse mitochondriale, PGC1-α (peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1-α) et à des altérations morpho-fonctionnelles des mitochondries.

L’ensemble des travaux sur les mitochondries conforte donc l’hypothèse d’un rôle du dysfonctionnement et l’altération de la dynamique mitochondriale dans les phénomènes de sénescence cardiaque, normale et prématurée.

Les données disponibles concernant le rôle des microARN (miARN) (Encadré 3) dans le vieillissement cardiaque sont peu abondantes. Elles suggèrent cependant que le vieillissement est associé à une altération du profil d’expression des miARN cardiaques.

Un des premiers articles expérimentaux dans ce domaine a été publié par l’équipe de Stephanie Dimmeler [36]. Cette équipe a proposé que le miR-34a (microRNA-34a) favoriserait le vieillissement cardiaque en inhibant PNUTS (phosphatase-1 nuclear targeting subunit), un facteur qui maintiendrait l’intégrité des télomères, inhiberait la DDR et préviendrait l’apoptose. La plupart des études suggérant un rôle des miARN dans le vieillissement concerne l’analyse du profil d’expression de ces miARN chez des animaux jeunes et âgés. Malheureusement, ces études restent descriptives et donnent uniquement une indication possible sur la relation entre miARN et vieillissement cardiaque. Zhang et ses collaborateurs ont analysé, chez des rats jeunes et âgés, le profil des miARN et de leur complémentaire miARN^{* 4}, et ont montré des différences pour 61 miARN, notamment une augmentation significative de l’expression de miR-21, un miARN présentant une activité profibrotique [37]. Dans une autre étude, une augmentation de l’expression de miR-22, qui serait à l’origine de l’activation et la sénescence des fibroblastes cardiaques, a été observée [38]. D’autres miARN (miR-18, miR-19) ont été impliqués dans le vieillissement et l’insuffisance cardiaque mais leurs mécanismes d’action restent encore mal définis [39]. Chez l’homme, différentes études ont tenté d’identifier des miARN circulants dans le sang périphérique, comme biomarqueurs de pathologies et du vieillissement cardiaques [31, 34, 40-42]. Bien que les niveaux plasmatiques de certains miARN sont effectivement modifiés chez les sujets présentant des pathologies cardiaques, leur signification en termes physiopathologique (insuffisance cardiaque et vieillissement accéléré) et diagnostique nécessite d’être précisée [53].

Bien que les études effectuées jusqu’à présent restent relativement limitées, il semble évident que les miARN présentent un grand intérêt dans la compréhension des mécanismes du vieillissement physiologique et pathologique cardiaques. Ils permettent ainsi d’envisager de nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques.

Au cours de la sénescence, les cellules subissent un profond remodelage morphologique et fonctionnel. Un des aspects de ce remodelage consiste dans l’émergence d’un phénotype sécrétoire dénommé en anglais « senescence-associated secretory phenotype » (SASP) [21] qui se caractérise par un sécrétome particulier, c’est à dire la production et la sécrétion de protéines (senescence-messaging secretome, SMS), capable d’influencer très significativement le microenvironnement tissulaire et l’homéostasie systémique [43] (Figure 3).

Au niveau de la cellule, la réponse aux dommages de l’ADN (DDR) est le principal facteur responsable de l’expression de sécrétomes spécifiques de la sénéscence (SMS) [44]. Ces SMS sont composés de trois grandes catégories de protéines : (1) des cytokines et des chimiokines proinflammatoires (IL-1, IL-6, IL-8), (2) des protéases régulatrices de la matrice extracellulaire (métalloprotéases [matrix metalloproteinases, MMP], inhibiteur de l’activateur du plasminogène [plasminogen activator inhibitor-1, PAI-1]) ; et (3) des facteurs de croissance (comme l’HGF [hepatocyte growth factor]). Les SMS ont une activité autocrine et paracrine. L’activité autocrine (qui influe sur la cellule productrice elle-même) participe à la stimulation de la production des autres protéines composant le SMS ainsi qu’à la progression de la sénescence cellulaire [45]. L’activité paracrine (qui stimule les cellules adjacentes) est complexe et dépend de l’environnement et de la situation physiologique ou pathologique.

Les sécrétomes SMS peuvent avoir des effets bénéfiques ou néfastes. En ce qui concerne les effets bénéfiques, il a été suggéré que le SMS activé par la réponse aux dommages de l’ADN (DDR) fonctionnerait comme un signal pour amorcer l’élimination des cellules sénescentes par le système immunitaire [45, 46]. Le sécrétome des cellules sénescentes pourrait également participer au remodelage de la matrice extracellulaire au cours des processus de réparation tissulaire [46]. Il a également été proposé que le SMS puisse avoir un effet antitumoral, en inhibant les cascades de signalisation impliquées dans les phénomènes de cancérisation. Cependant, le SMS possède également des effets délétères. Ils englobent une activité protumorale (croissance, accélération de la transformation maligne, facilitation de la diffusion métastatique) qui est liée à la composition du SMS en facteurs de croissance, cytokines proinflammatoires et métalloprotéases (MMP). Cette activité protumorale s’oppose ainsi aux effets antitumoraux antagonistes. Les conditions favorisant l’une ou l’autre des activités du sécrétome sur les cellules tumorales et leur environnement restent, à l’heure actuelle, à définir. Un autre effet négatif du sécrétome concerne son influence sur le développement et la progression du remodelage défavorable des organes au cours des pathologies chroniques associées au vieillissement. Cet effet semble être lié à l’activation d’une réponse inflammatoire chronique et à une activité profibrotique au niveau de la matrice extracellulaire [45].

La relation entre SMS et système immunitaire est particulièrement intéressante dans le cadre des phénomènes de vieillissement accéléré et des pathologies chroniques qui lui sont associées. Le système immunitaire est en effet activé et altéré, au cours du vieillissement, par un mécanisme d’immuno-sénescence [47]. Le SMS comprend de nombreuses chimiokines et cytokines capables d’influer sur l’infiltration tissulaire et l’activation des cellules immunitaires [45]. Récemment, il a été suggéré que le SMS pourrait avoir des effets systémiques. Il pourrait ainsi participer à un état inflammatoire généralisé qui accélèrerait les phénomènes de vieillissement et favoriserait le développement de maladies chroniques [45].

Les cellules stromales du cœur, en particulier les cellules souches/progénitrices et les fibroblastes, ont une activité sécrétrice intense qui participe très activement au maintien de l’homéostasie cardiaque, mais aussi au développement de l’insuffisance cardiaque [48-50]. Ces cellules seraient donc de très bons candidats pour l’analyse du rôle du sécrétome dans le vieillissement et la physiopathologie cardiaque. Une étude supporte cette hypothèse. Elle montre que les fibroblastes cardiaques sénescents jouent un rôle important dans la fibrose cardiaque post-ischémique [15]. Les données récentes montrant le rôle du système immunitaire dans la progression de l’insuffisance cardiaque, soulignent l’importance que peut avoir l’immunomodulation induite par les sécrétomes SMS, au cours du viellissement cardiaque. En effet, il a été montré que les lymphocytes B [51] et les lymphocytes T [52] favorisent la progression de l’insuffisance cardiaque après ischémie [51] ou surcharge de pression [52].

Les études sur les sécrétomes SMS mais aussi sur les SASP (senescence associated secretory phenotype), réalisées dans d’autres tissus et concernant des pathologies différentes, ainsi que les premiers résultats obtenus dans le cœur, constituent une base de réflexion solide et prometteuse pour l’analyse du rôle du sécrétome des cellules sénescentes dans le vieillissement et les pathologies cardiaques.