Comprendre le rôle des relations entre les télomères et les mitochondries au cours du vieillissement

Deciphering the role of the telomere-mitochondria connections during senescence

• Auteur / Autrice : Peipei Lin
• Direction : Éric Gilson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions moléculaires et cellulaires
• Date : Soutenance le 24/09/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur le cancer et le vieillissement (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Paquis-Flucklinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Paquis-Flucklinger, Miria Ricchetti, Ylli Doksani, Ying Liu, Vinay Tergaonkar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miria Ricchetti, Ylli Doksani

Mots clés

Mots clés contrôlés

ADN -- Réplication

ADN mitochondrial

Vieillissement

Télomères (génétique)

Mots clés libres

Télomère

Shelterin

Trf2

Réplication de l'ADN mitochondrial

Sénescence

Vieillissement

Telomere

Shelterin

Trf2

Mitochondrial DNA replication

Senescence

Aging

Résumé

Le processus de vieillissement correspond à un déclin fonctionnel des tissus en fonction du temps. On considère généralement que la sénescence cellulaire, l'attrition des télomères et le dysfonctionnement mitochondrial contribuent au processus de vieillissement. La sénescence cellulaire est un état permanent d'arrêt du cycle cellulaire, caractérisé par des changements dans la structure de la chromatine et l'activation d'un phénotype pro-inflammatoire. Les télomères sont les structures situées à l'extrémité des chromosomes et sont protégés par un complexe protéique composé de six protéines (TRF1, TRF2, RAP1, TPP1, TIN2 et POT1) appelé shelterin. Il existe de plus en plus de preuves de l'existence de liens multiples entre la fonction mitochondriale et les télomères. Le dysfonctionnement mitochondrial entraîne une augmentation des niveaux d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), qui provoquent un raccourcissement des télomères, et ce raccourcissement peut induire un dysfonctionnement mitochondrial par le biais de l'activation de p53. Des études récentes ont suggéré que la télomérase et certaines sous-unités de la shelterin régulent la fonction mitochondriale indépendamment de leur rôle télomérique, peut-être par le biais de leur localisation directe dans les mitochondries. Par exemple, la transcriptase inverse de la télomérase (TERT) se localise dans les mitochondries et protège l'ADN mitochondrial (ADNmt) dans les neurones en réduisant les niveaux de ROS. La protéine shelterin TIN2 se trouve dans les mitochondries où elle régule la phosphorylation oxydative. TRF2 régule l'expression de la sirtuine mitochondriale SIRT3 dans les cellules musculaires squelettiques. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent une boucle de rétroaction positive entre le dysfonctionnement des télomères et des mitochondries et soulèvent la question de savoir comment le lien entre les télomères et les mitochondries contribue à la sénescence.Pour répondre à cette question, nous avons étudié les fonctions de toutes les sous-unités de shelterin dans les mitochondries en utilisant des cellules de fibroblastes embryonnaires de souris (MEF). Nous avons étudié leur rôle dans le métabolisme mitochondrial et leur implication dans la réplication de l'ADN mitochondrial (ADNmt) en utilisant une technique d'analyse in situ de la réplication de l'ADN mitochondrial (MIRA). Nous avons montré que TIN2, TPP1 et TRF2 affectent le métabolisme mitochondrial, mais que seule la déplétion de TRF2 a un effet néfaste sur la réplication de l'ADNmt. Fait important, nous avons constaté que TRF2 était localisé dans les mitochondries en utilisant diverses techniques, y compris la microscopie électronique. Nous avons approfondi la caractérisation des différents domaines de TRF2 et découvert que le domaine N-terminal de TRF2 (domaine B) était nécessaire et suffisant pour sa localisation mitochondriale et pour son rôle dans la réplication de l'ADNmt. Ce domaine a déjà été impliqué dans la reconnaissance des intermédiaires de réplication, où il les protège de la dégradation par les nucléases les intermédiaires réplicatifs de l'ADN. Nous avons également constaté que les niveaux de TRF2 diminuaient au fur et à mesure que les MEF entraient en sénescence et que l'expression ectopique de TRF2 était suffisante pour maintenir les niveaux de réplication de l'ADNmt au même niveau que ceux des jeunes MEF. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent que la protéine shelterin TRF2 régule la réplication mitochondriale au cours de la sénescence.

The aging process has been defined as a time-dependent functional decline in tissue functions. Cellular senescence, telomere attrition, and mitochondrial dysfunction are generally considered to contribute to the aging process. Cellular senescence is a permanent state of cell cycle arrest, and it is characterized by changes in chromatin structure and the activation of a pro-inflammatory phenotype. Telomeres are the structures located at the ends of chromosomes and are protected by a protein complex composed of six proteins (TRF1, TRF2, RAP1, TPP1, TIN2 and POT1) called shelterin. There is increasing evidence of multiple links between mitochondrial function and telomeres. Mitochondrial dysfunction leads to increased levels of reactive oxygen species (ROS), which cause telomere shortening, and this shortening can induce mitochondrial dysfunction through p53 activation. Recent studies have suggested that telomerase and some shelterin subunits regulate mitochondrial function independently of their telomeric role, perhaps through their direct localization to the mitochondria. For instance, telomerase reverse transcriptase (TERT) localizes to mitochondria and protects mitochondrial DNA (mtDNA) in neurons by reducing ROS levels. The shelterin protein TIN2 is found at mitochondria where it regulates oxidative phosphorylation. TRF2 regulates the expression of the mitochondrial sirtuin SIRT3 in skeletal muscle cells. Altogether, these findings suggest a positive feedback loop between telomere and mitochondrial dysfunction and raise the question of how the telomere-mitochondria connection contributes to senescence.To address this question, we investigated the functions of all shelterin subunits in mitochondria using mouse embryonic fibroblast cells (MEFs). We investigated their role in mitochondrial metabolism and their implication in mitochondrial DNA (mtDNA) replication by using the in-situ analysis of mitochondrial DNA replication (MIRA) assay. We showed that TIN2, TPP1 and TRF2 affect mitochondrial metabolism, but only TRF2 depletion has a detrimental effect on mtDNA replication. Importantly, we found that TRF2 was located at mitochondria by using a variety of techniques, including electron microscopy. We went deeper into the characterization of the different domains of TRF2 and found that the N-terminal domain of TRF2 (B domain) was required and sufficient for its mitochondrial location and for its role in mtDNA replication. This domain has previously been implicated in the recognition of replication intermediates, where it protects them from nuclease degradation in a sequence-independent manner. We also found that TRF2 levels decreased as the MEFs entered senescence and that ectopic expression of TRF2 was sufficient to maintain mtDNA replication levels as those of young MEFs. Collectively, our results demonstrate that the shelterin protein TRF2 regulates mitochondrial replication during senescence.