Régulation épigénétique et reprogrammation de l'âge : Améliorer la fonction des tissus et des cellules au cours du vieillissement

Epigenetic Regulation and Age Reprogramming: Enhancing Tissue and Cellular Function in Aging

• Auteur / Autrice : Roula Khalil
• Direction : Jean-Marc Lemaître, Mona Diab assaf
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Université libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRMB - Cellule souches, plasticité cellulaire, régénération tissulaire et immunothérapie des maladies inflammatoires
• Jury : Président / Présidente : Simon Galas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Lemaitre, Magdinier FRéDéRIQUE, Abdo Jurjus, Rania Azar, Mona Diab
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magdinier FRéDéRIQUE, Abdo Jurjus

Mots clés

Mots clés libres

Reprogrammation

Sénescence

Pathologies liées à l'âge

Vieillissement

Epigénétique

Cellules souches

Reprogramming

Senescence

Age-related pathologies

Aging

Epigenetic

Stem cells

Résumé

Le vieillissement est un changement physiologique progressif qui entraîne un dysfonctionnement des tissus et, à terme, la mort. Trois approches anti-âge prometteuses ont été étudiées pour traiter les maladies liées à l'âge et mieux comprendre les mécanismes du vieillissement. La reprogrammation cellulaire à l'aide de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) a montré un grand potentiel dans la modélisation et le traitement des maladies liées à l'âge par des thérapies cellulaires, ainsi que dans la compréhension des mécanismes de rajeunissement. Notre équipe de recherche a réussi à générer des iPSC à partir de cellules sénescentes et centenaires en optimisant la stratégie de reprogrammation avec six facteurs (OCT4, SOX2, KLF4, C-MYC, NANOG, LIN28), surmontant ainsi la barrière de la sénescence associée aux facteurs standards de Yamanaka (OCT4, SOX2, KLF4, C-MYC). La reprogrammation et la redifférenciation en fibroblastes ont rétabli les modèles d'expression génique, la longueur des télomères et le métabolisme vers une physiologie cellulaire rajeunie. Afin d'explorer d'autres méthodes de reprogrammation qui évitent la promotion de la sénescence et le changement d'identité cellulaire dus à la production d'iPSC, un modèle de souris transgénique développé dans notre laboratoire permet l'expression contrôlée par la doxycycline des facteurs OSKM, récapitulant également le vieillissement accéléré du syndrome de progeria de Hutchinson-Gilford (HGPS). Notre protocole spécifique d'induction précoce a montré une augmentation de 15 % de la durée de vie associée à une signature différentielle de méthylation de l'ADN liée à l'âge et spécifique à un organe rajeuni. Cette stratégie fournit des informations précieuses sur les processus potentiels de rajeunissement, y compris leur capacité à atténuer les maladies liées à l'âge et à promouvoir un vieillissement en bonne santé. Dans ce projet de thèse, nous avons cherché à étudier la reprogrammation épigénétique en utilisant différentes approches chez les personnes âgées, et à déterminer si l'induction en fin de vie produit des effets comparables sur l'espérance de vie et la longévité à l'exposition à des traitements en début de vie. En ce qui concerne les autres techniques impliquant la parabiose, où des facteurs systémiques jeunes sont fournis par perfusion de sang jeune et vieux ou par injection non invasive de plasma jeune dans des animaux âgés, nous avons induit l'expression d'OSKM chez des animaux âgés, obtenant des résultats comparables à ceux obtenus chez des animaux plus jeunes. Nous avons induit l'expression d'OSKM chez des souris progéniques reprogrammables âgées et observé une inversion de la perte d'intégrité structurelle des tissus liée à l'âge, accompagnée d'une dérive du vieillissement et d'un décalage rajeunissant de l'horloge sanguine épigénétique. Nous avons également testé cette thérapie sur des souris naturellement âgées et avons obtenu une amélioration de l'intégrité des tissus et une augmentation significative de 40 % de la durée de vie. En outre, nous avons étudié les stratégies alternatives de rajeunissement que sont la parabiose et l'injection de plasma jeune, qui ont toutes deux démontré des améliorations structurelles dans les tissus animaux, s'ajoutant à la signature épigénétique juvénile obtenue. Bien que ces approches aient réduit les altérations épigénétiques et effacé certaines caractéristiques du vieillissement, aucune augmentation significative de la durée de vie n'a été observée. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que la reprogrammation transitoire et l'influence de variables systémiques jeunes peuvent prévenir ou inverser la détérioration structurelle liée à l'âge. Cependant, une analyse plus approfondie est nécessaire pour déterminer la relation de cause à effet entre la reprogrammation épigénétique et l'amélioration de la fonction tissulaire, ainsi que pour identifier les voies moléculaires sous-jacentes précises impliquées.

Aging is a progressive physiological change that leads to tissue dysfunction and ultimately death. Three different promising anti-aging approaches were studied to address age-related diseases and gain insights into aging mechanisms. Cellular reprogramming into induced pluripotent stem cells (iPSCs) has shown great potential in modeling and treating age-related diseases by cell therapies, as well as providing insights into rejuvenation mechanisms. Our research team successfully generated iPSCs from senescent and centenarian cells by optimizing the reprogramming strategy with six factors (OCT4, SOX2, KLF4, C-MYC, NANOG, LIN28), overcoming the barrier of senescence associated with the standard Yamanaka factors (OCT4, SOX2, KLF4, C-MYC). Reprogramming and redifferentiation into fibroblasts restored gene expression patterns, telomere length, and metabolism toward a rejuvenated cell physiology. To explore alternative reprogramming methods that avoid senescence promotion and change in cell identity due to the iPSC production, a mouse transgenic model developed in our laboratory allows for doxycycline-controlled expression of OSKM factors, also recapitulating the accelerated aging Hutchinson-Gilford Progeria syndrome (HGPS). Our specific early induction protocol showed a 15% increase in lifespan associated with a rejuvenated organ-specific differential age-related DNA methylation signature. This strategy provides valuable insights into potential rejuvenation processes, including their ability to mitigate age-related diseases and promote healthy aging. In the context of this thesis project, we aimed to investigate epigenetic reprogramming through different approaches among the elderly and determine whether late-life induction yields comparable effects on healthspan and longevity to early-life treatments exposure. As for the other techniques involving either parabiosis, where young systemic factors are delivered through the infusion of young and old blood or the non-invasive injection of young plasma into aged animals. We induced OSKM expression in aged reprogrammable progeric mice and observed a reversal of age-related loss in tissue structural integrity, accompanied by an aging drift and a rejuvenating shift in the blood epigenetic clock. We also tested this therapy on naturally aged mice and achieved improved tissue integrity and a 40% significant increase in lifespan. Furthermore, we investigated the alternative rejuvenation strategies of parabiosis and young plasma injection, both of which demonstrated structural improvements in animal tissues, adding to the youthful epigenetic signature obtained. Although these approaches reduced epigenetic alterations and erased certain aging hallmarks, no significant increase in lifespan was observed. Overall, our findings suggest that transient reprogramming and the influence of youthful systemic variables can prevent or reverse age-related structural deteriorations. However, further analysis is required to determine the causal relationship between epigenetic reprogramming and tissue function improvement, as well as to identify the precise underlying molecular pathways involved.