Comment la prolifération cellulaire est contrôlée par les télomères: une approche à l'échelle de lignée cellulaire individuelle – InTelo

Chez les animaux, les tissus vieillissants accumulent des cellules sénescentes, processus considéré comme suppresseur de tumeur chez les jeunes, mais qui sous-tend la perte de la capacité régénérative des organes en fin de vie. L’inactivation de la télomérase est une cause majeure de la sénescence réplicative dans les cellules somatiques humaines. La télomérase est l’enzyme qui permet de maintenir les séquences répétées qui se trouvent à l’extrémité des chromosomes pour former les télomères. Ainsi, dans des cellules dépourvues de télomérase, les télomères se raccourcissent, atteignent une longueur courte critique, activent les points de contrôle des dommages à l'ADN et induisent la sénescence réplicative. Cependant, les progrès dans la compréhension de la réplication des télomères, la signalisation des télomères courts et sa relation avec la sénescence sont ralentis par l’existence de variations intrinsèques entre les télomères et la nature stochastique et hétérogène de la sénescence.

Dans ce projet, nous avons pour objectif non seulement de surmonter cet obstacle, mais surtout, de disséquer les causes des variations intercellulaires dans l’entrée en sénescence. Nous le ferons en combinant des outils uniques que nous avons développés pour évaluer la sénescence réplicative chez l'organisme modèle Saccharomyces cerevisiae. Ces outils permettent de (1) manipuler et suivre un télomère unique dans des cellules individuelles; (2) filmer avec des résolutions spatiale et temporelle élevées des divisions cellulaires consécutives depuis l’inactivation de la télomérase jusqu’à la mort cellulaire en utilisant un dispositif microfluidique; et (3) construire des modèles mathématiques testables qui serviront à construire un modèle complet de sénescence réplicative. Grâce à cette stratégie, nous avons récemment découvert que l’inactivation de la télomérase chez S. cerevisiae entraîne non seulement le raccourcissement des télomères et un arrêt permanent du cycle cellulaire, mais aussi des retards récurrents et réversibles du cycle cellulaire (EDs – “Early Delays”) dans certaines lignées cellulaires. Les lignées avec ce phenotype inédit persistent seulement à basse fréquence dans des populations, ce qui les rend indétectables dans des cultures cellulaires classiques. Sur la base de données obtenues dans plusieurs contextes mutants, nous proposons un modèle de travail dans lequel les défauts de réplication des télomères, irréparables en l'absence de télomérase, causent les EDs. Les cycles cellulaires reprendraient ensuite avec l’extinction des points de contrôle aux dommages à l’ADN. Ce phénotype inattendu pourrait donc fournir une explication à l'apparition au cours du temps de dérégulations des points de contrôle et de l'instabilité génomique dans les cellules télomérase-négatives, caractéristiques du vieillissement et de la transformation cancéreuse.

Nous nous appuierons sur ces observations pour disséquer les mécanismes impliqués et tester notre modèle. Notre stratégie expérimentale multidisciplinaire sera basée d’une part sur l'introduction de mutations et l'inspection de leurs effets sur la dynamique de la sénescence réplicative en utilisant le système microfluidique. D'un autre côté, nous développerons des marqueurs fluorescents pour suivre dans les cellules individuelles des télomères identifiés, le statut de la réponse aux dommages à l’ADN, la stabilité du génome et le devenir de plusieurs organelles cellulaires. Ces analyses quantitatives alimenteront un modèle global mathématique de sénescence réplicative. Ce projet conduira à une avancée profonde dans notre compréhension de la biologie des télomeres, du contrôle de la voie de réponse aux dommages à l’ADN et de la physiologie de la sénescence. Notre projet pourrait favoriser le développement de nouvelles thérapies pour les maladies liées à l'âge, la régénération cellulaire et le cancer.