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Developmental Biology

Une introduction au vieillissement et à la régénération

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JoVE Science Education Developmental Biology

An Introduction to Aging and Regeneration

2.12: Transplantation Studies

2.14: Invertebrate Lifespan Quantification

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09:14 min

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April 30, 2023

Overview

Les tissus sont maintenues grâce à un équilibre du vieillissement cellulaire et la régénération. Vieillissement se réfère à la perte progressive de la fonction cellulaire et la régénération est la réparation des tissus endommagés généralement médiée par les cellules souches préexistantes adultes ou somatiques. Les scientifiques sont intéressent à la compréhension des mécanismes biologiques derrière ces deux processus complexes. Ce faisant, les chercheurs peuvent être en mesure d’utiliser les cellules souches somatiques pour traiter les maladies dégénératives et de développer des thérapies qui pourraient retarder les effets du vieillissement.

Dans cette vidéo, nous fournissons un bref historique du domaine du vieillissement et de la régénération, touchant les observations faites dans la Grèce antique, ainsi que des expériences de moderne-jour. Certaines des questions posées dans ce domaine et les méthodes importants utilisés par les biologistes pour y répondre, sont ensuite abordés. Enfin, nous regardons quelques expériences spécifiques menées dans les laboratoires de recherche de régénération et de vieillissement de today\.

Procedure

Dans le domaine du vieillissement et de régénération, les biologistes visent à comprendre les mécanismes de ces deux processus complexes qui sont impliqués dans le maintien de l’homéostasie tissulaire.

Vieillissement, ou « sénescence », comporte détérioration de la morphologie cellulaire et la perte des fonctions au fil du temps, alors que la régénération se réfère au remplacement des cellules âgées ou endommagés. Les tissus de notre corps sont maintenus dans un équilibre délicat entre la sénescence et la régénération. Bien que la plupart de nos tissus ont une durée de vie limitée, certains d’entre eux n’ont la capacité de se régénérer complètement suite à une blessure.

Cette vidéo parlera brièvement l’histoire, mettant en évidence les principales découvertes dans le domaine, certaines des questions importantes qui sont actuellement à l’étude, certains tests servant à répondre à ces questions et quelques applications de laboratoire spécifiques de ces concepts.

Avant d’évoquer les expériences en cours en cours, nous allons jeter un oeil à quelques-unes des découvertes importantes dans l’histoire de la recherche de vieillissement et de la régénération.

Les premières observations de la régénération tissulaire s’est produite vers 350 av. J.-C., où Aristote avait noté que les lézards étaient capables de régénérer leur queue après que qu’ils avaient été rompus.

Au XVIIIe siècle, la régénération des tissus est devenu un sujet d’actualité de la recherche et de trois scientifiques – R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley, et effectué Lazzaro Spallanzani-indépendamment des études régénération tissulaire détaillée en écrevisses, hydra et tritons, respectivement.

Scientifique grand public est devenu moins intéressé par le phénomène de régénération au cours du prochain siècle, mais dans l’intérêt du début des années 1900 a commencé à l’accumulation dans le domaine du vieillissement. Alexis Carrel, chirurgien Français et biologiste, a suggéré que les cellules en culture étaient immortelles et pourraient diviser indéfiniment. Cependant, d’autres scientifiques pas peuvent répliquer ses prétentions.

En 1961, Leonard Hayflick et Paul Moorhead a démontré que, contrairement à ce que prétend Carrel, les cellules normales en culture subissent une division d’un nombre fini de fois, environ 40 à 60, après quoi ils entrent dans la phase de sénescence. Ce phénomène de la division cellulaire limité est devenu connu comme la « limite de Hayflick. »

Les premiers conseils d’un mécanisme pour cette limite est arrivé en 1973, quand le biologiste soviétique Alexey Olovnikov reconnu que le mécanisme de réplication de l’ADN n’a pas pu répliquer totalement les extrémités des chromosomes, appelées télomères. Il prédit l’existence d’un mécanisme pour maintenir la longueur des télomères dans saines et des cellules cancéreuses.

Plus tard, en 1984, Elizabeth Blackburn, Carol Greider et Jack Szostak ont découvert que ce mécanisme impliqué une enzyme appelée télomérase. Ils ont démontré que la télomérase est responsable de l’ajout des séquences répétées à l’extrémité 3′ du chromosome, qui permettrait à l’ADN polymérase à répliquer totalement les extrémités des chromosomes. Blackburn, Greider et Szostak a partagé le prix Nobel pour cette découverte en 2009.

Maintenant que nous avons passé en revue quelques-unes des découvertes liées au vieillissement et à la régénération, regardons quelques questions clées posées dans le domaine aujourd’hui.

Une question importante à l’étude est : comment des cellules âge ? Une théorie dominante du vieillissement des cellules est appelée la théorie des radicaux libres. L’idée est que, lorsque les organites de la cellule appelées mitochondries effectuer la respiration oxydative, sous-produits appelés espèces réactives de l’oxygène, ou ROS, sont formés. La surproduction de ces molécules induit un stress oxydatif, qui altère la fonction des organelles, comme les mitochondries elles-mêmes et le réticulum endoplasmique et peut également causer des dommages à l’ADN nucléaire. Les scientifiques sont curieux de découvrir les mécanismes derrière ces événements.

Une autre question qui se pose est : Quels sont les physiologiques et facteurs environnementaux affectant la durée de vie de l’organisme ? Certains chercheurs cherchent à analyser les effets des changements environnementaux, la restriction calorique par exemple, sur la durée de vie de l’organisme. Autres chercheurs s’intéressent à l’identification des gènes et des voies biochimiques qui régulent le processus de vieillissement.

Enfin, les scientifiques cherchent aussi à comprendre comment les tissus subissent une régénération spontanée après une blessure. Des cellules spéciales appelées cellules souches adultes ont été trouvés à jouer un rôle déterminant dans ce processus, et certains chercheurs sont curieux de connaître la dynamique de ces cellules après une blessure. D’un point de vue clinique, les scientifiques sont intéressent à étudier comment ces cellules peuvent être utilisés dans les thérapies pour les maladies dégénératives.

Maintenant que vous savez que certaines des questions posées dans le domaine, nous allons étudier les outils de recherche différents qui utilisent des scientifiques pour répondre à ces questions.

Une des façons de mesurer l’âge des cellules est en déterminant l’activité de longueur et de la télomérase des télomères. Ces deux paramètres peuvent être mesurés à l’aide de polymérisation en chaîne, ou PCR.

Scientifiques examinent également les marqueurs établis des cellules sénescentes, comme la β-galactosidase. Cela peut être fait les cellules à l’aide des épreuves biochimiques et leur observation au microscope de la coloration.

Pour examiner les facteurs qui influent sur la durée de vie de l’organisme, les scientifiques utilisent souvent les organismes invertébrés modèle, tels que les vers et les mouches. Les avantages avec ces organismes modèles sont leurs temps de génération relativement courtes et leur capacité à se développer dans des installations de laboratoire simple. En outre, des manipulations génétiques peuvent être facilement effectuées chez ces organismes, qui aident les scientifiques à examiner le rôle des gènes dans le processus de vieillissement et de longévité.

Enfin, le rôle des cellules souches adultes dans la régénération des tissus peut être étudié en utilisant plusieurs approches. Par exemple, les scientifiques peuvent marquer des cellules souches adultes dans le tissu cible avec des marqueurs spécifiques, qui leur permettent de retracer ces cellules comme régénère les tissus. Parfois, les chercheurs injectent directement ces cellules souches multipotentes dans le tissu endommagé afin d’étudier leur rôle dans la réparation après une blessure.

Puisque vous savez maintenant quelques-unes des méthodes utilisées dans le domaine du vieillissement et de la régénération tissulaire, regardons quelques applications spécifiques de ces méthodes.

Le nématode Caenorhabditis elegans a été utilisé comme une plateforme de dépistage pour identifier les mutations génétiques qui peuvent prolonger la durée de vie. Ici, après synchronisation d’âge avec l’aide d’un protocole de Ponte chronométré, scientifiques ont analysé l’effet d’une mutation de gène sur la durée de vie de l’organisme.

Afin d’étudier les mécanismes de régénération des tissus, il existe beaucoup de modèles qui impliquent la lésion initiale, suivie de l’analyse des mécanismes de régénération. Dans cet exemple, les scientifiques examinés la régénération des tissus suite à l’ablation de la ligne latérale, une composante clé sensorielle du système nerveux périphérique zebrafish.

Afin d’inciter l’ablation, scientifiques traitement poisson avec gentamicine. Après le temps de récupération désigné, les poissons ont été versés dans la solution de colorant vital fluorescent, dont les cellules souches neurales des taches. Ces teinté de cellules ont été ensuite quantifiées à l’aide de la microscopie de fluorescence.

Enfin, les chercheurs injectent souvent des cellules souches adultes pour induire la réparation des tissus endommagés. Ici, les scientifiques ont utilisé des cellules souches multipotentes pour induire la régénération des tissus musculaires endommagés. Pour ce faire, les scientifiques généré murin avec des muscles de la patte endommagée. Ensuite, les cellules souches multipotentes ont été injectés directement dans les muscles endommagés. Après l’injection, les cellules ont été donnés le temps de proliférer et de se différencier et leur contribution au fonctionnel amélioration a été analysée.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE au domaine du vieillissement et de la régénération. Cette vidéo revue historiques faits saillants du champ, certaines questions clés posées par les biologistes, quelques essais importants étant utilisés pour répondre à ces questions et les expériences en cours en cours afin de comprendre la biologie de sénescence et de régénération. Comme toujours, Merci pour regarder !

Transcript

Biologists in the field of aging and regeneration aim to understand the mechanisms of these two complex processes that are implicated in maintenance of tissue homeostasis.

Aging, or “senescence,” involves deterioration of cell morphology and loss of functions over time, whereas regeneration refers to replacement of aged or damaged cells. The tissues in our bodies are maintained in a delicate balance between senescence and regeneration. Although most of our tissues have a finite lifespan, some of them do have the capacity to fully regenerate following an injury.

This video will briefly discuss the history, highlighting the key discoveries in the field, some of the important questions that are currently being investigated, some assays being used to answer these questions, and a few specific laboratory applications of these concepts.

Before talking about the current experiments being conducted, let’s take a look at some of the important discoveries in the history of aging and regeneration research.

The first observations of tissue regeneration occurred around 350 B.C., when Aristotle noted that lizards were able to regenerate their tails after they’d been severed.

In the 18th century, tissue regeneration became a hot topic of research, and three scientists – R. A. Ferchault de Réaumur, Abraham Trembley, and Lazzaro Spallanzani-independently carried out detailed tissue regeneration studies in crayfish, hydra, and newts, respectively.

Mainstream scientist became less interested in the regeneration phenomenon over the next century, but in the early 1900s interest started to buildup in the related field of aging. Alexis Carrel, a French surgeon and biologist, suggested that cells grown in culture were immortal and could divide indefinitely. However, other scientists could not replicate his claims.

In 1961, Leonard Hayflick and Paul Moorhead demonstrated that, contrary to what Carrel claimed, normal cells grown in culture undergo division for a finite number of times, about 40 to 60, after which they enter the senescence phase. This phenomenon of limited cell division became known as the “Hayflick limit.”

The first hints of a mechanism for this limit came in 1973, when Soviet biologist Alexey Olovnikov recognized that the DNA replication machinery couldn’t fully replicate the ends of chromosomes, called telomeres. He predicted the existence of a mechanism to maintain telomere length in healthy and cancer cells.

Later in 1984, Elizabeth Blackburn, Carol Greider, and Jack Szostak discovered that this mechanism involved an enzyme called telomerase. They demonstrated that telomerase is responsible for addition of repetitive sequences to the 3′ end of the chromosome, which would then allow DNA polymerase to fully replicate the chromosome ends. Blackburn, Greider, and Szostak shared the Nobel Prize for this discovery in 2009.

Now that we have reviewed some of the discoveries related to aging and regeneration, let’s look at a few key questions being asked in the field today.

One important question being investigated is: how do cells age? A prevailing theory of cell aging is called the Free Radical Theory. The idea is that, when cell organelles called mitochondria carry out oxidative respiration, byproducts known as reactive oxygen species, or ROS, are formed. Overproduction of these molecules induces oxidative stress, which alters the function of organelles, such as the mitochondria themselves and the endoplasmic reticulum, and can also cause damage to the nuclear DNA. Scientists are interested in discovering the mechanisms behind these occurrences.

Another question that’s being asked is: what are the physiological and environmental factors affecting an organism’s lifespan? Some researchers seek to analyze the effects of environmental changes, for example caloric restriction, on an organism’s lifespan. Other researchers are interested in identifying genes and biochemical pathways that regulate the process of aging.

Finally, scientists are also trying to understand how tissues undergo spontaneous regeneration following injury. Special cells known as adult stem cells have been found to be instrumental in this process, and some researchers are curious about the dynamics of these cells following injury. From a clinical perspective, scientists are interested in investigating how these cells can be employed in therapies for degenerative disorders.

Now that you know some of the questions being asked in the field, let’s look at different research tools that scientists employ to answer these questions.

One of the ways to measure cells’ age is by determining the telomere length and telomerase activity. Both these parameters can be measured using polymerase chain reaction, or PCR.

Scientists also examine the established markers of senescent cells, like β-galactosidase. This can be done by staining the cells using biochemical assays and observing them under the microscope.

For examining the factors affecting organism’s lifespan, scientists often use invertebrate model organisms, such as worms or flies. The advantages with these models organisms are their relatively short generation times, and their ability to be grown in simple laboratory setups. In addition, genetic manipulations can be easily performed in these organisms, which help scientists to examine the roles of genes in the process of aging and longevity.

Finally, the role of adult stem cells in tissue regeneration can be studied using several approaches. For example, scientists can label adult stem cells in the target tissue with specific markers, which enable them to trace these cells as tissue regenerates. Sometimes, researchers directly inject these multipotent stem cells into the damaged tissue to study their role in repair following injury.

Since you now know some of the methods used in the field of aging and tissue regeneration, let’s look at a few specific applications of these methods.

The roundworm Caenorhabditis elegans has been used as a screening platform to identify gene mutations that can prolong lifespan. Here, after age synchronization with the help of a timed egg-laying protocol, scientists analyzed the effect of a gene mutation on an organism’s lifespan.

To study the mechanisms of tissue regeneration, many models are available that involve initial injury followed by analysis of regenerative mechanisms. In this example, scientists examined tissue regeneration following ablation of the lateral line, a key sensory component of the zebrafish peripheral nervous system.

In order to induce ablation, scientists treated fish with gentamicin. After the designated recovery time, the fish were poured into the fluorescent vital dye solution, which stains the neural stem cells. These stained cells were then quantified using fluorescence microscopy.

Lastly, researchers often inject adult stem cells to induce repair of damaged tissue. Here, scientists used multipotent stem cells to induce regeneration of damaged muscle tissues. In order to do that, scientists generated mouse models with damaged hind limb muscles. Then, multipotent stem cells were injected directly into the damaged muscles. Following injection, the cells were given time to proliferate and differentiate, and their contribution to functional amelioration was analyzed.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the field of aging and regeneration. This video reviewed historical highlights of the field, some key questions being asked by biologists, a few prominent assays being used to answer those questions, and current experiments being conducted to understand the biology of senescence and regeneration. As always, thanks for watching!

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