En fonction du type cellulaire et du contexte, les cellules mitotiques normales de mammifères entrent en sénescence ou en apoptose (mort cellulaire programmée) quand elles sont exposées à certains stress cellulaires. L’apoptose tue puis élimine les cellules, tandis que la sénescence entraîne un arrêt de la prolifération classiquement considéré comme irréversible. Les stress cellulaires qui induisent la sénescence comprennent l’hyperactivation oncogénique (par exemple celle qu’induit l’expression de H- ou K-RAS), les lésions de l’ADN, les perturbations chromatiniennes, le stress oxydant et le dysfonctionnement télomérique [ 1]. Les télomères consistent en des séquences d’ADN répétitives situées aux extrémités chromosomiques, protégées par la « shelterin », un complexe protéique qui inhibe la dégradation ou les fusions chromosomiques induites par les systèmes de réparation de l’ADN. Au cours de chaque cycle réplicatif, les télomères raccourcissent jusqu’à une limite au-delà de laquelle ils ne sont plus fonctionnels (limite de Hayflick), ce qui déclenche alors le signal de sénescence [ 2]. Ce processus, également appelé sénescence réplicative (RS), contraste avec l’induction de la sénescence par d’autres stress, qui ne nécessitent pas de divisions cellulaires ; on désigne ce processus sous le terme de sénéscence prématurée induite par le stress (SIPS). Le fait que les différents types de stress soient potentiellement tumorigènes a fait naître l’idée que la sénescence est un mécanisme majeur d’inhibition de la prolifération dans des cellules normales exposées à un risque de transformation [ 3, 4]. Cette réponse cellulaire de type « sénescence » ne se limite pas aux cellules normales mais s’applique également à certaines cellules tumorales exposées aux anticancéreux, soulignant ainsi que le programme de sénescence dans les cellules cancéreuses existe à l’état dormant mais est réactivable par des signaux appropriés [ 5, 6].

Quel que soit le stimulus qui la déclenche, la sénescence signifie - et c’est ce qui la différencie de la quiescence - qu’il se produit un arrêt apparemment permanent du cycle cellulaire. Les cellules quiescentes (par exemple des cellules qui ont arrêté de proliférer en réponse à un sevrage en facteur de croissance ou à une inhibition de contact) reprennent leur prolifération en réponse à un signal mitogène alors que les cellules sénescentes ne peuvent être stimulées par aucun des stimulus physiologiques connus. Lors de la sénescence, l’arrêt se produit généralement au cours de la phase G1 du cycle cellulaire (alors que les cellules quiescentes s’arrêtent en G0). Toutefois, en fonction du stimulus déclencheur, une proportion significative des cellules peut également entrer en sénescence au cours des phases S ou G2. L’arrêt du cycle cellulaire est généralement accompagné d’une augmentation de la résistance à certains signaux apoptotiques ainsi que de l’augmentation de l’expression de l’activité β-galactosidase lysosomiale (SA-β-Gal). De plus, la sénescence est caractérisée par de profondes modifications cytomorphologiques - aplatissement cellulaire, vacuolisation du cytoplasme, augmentation du volume nucléaire (x 5 ou 10) (Figure 1) - ainsi que par des altérations de l’architecture chromatinienne et de l’expression génétique [ 45].

Figure 1. Caractères de la sénescence cellulaire. Comparaison des altérations cytomorphologiques et des marqueurs biochimiques observés dans un fibroblaste humain sénescent (induit par la forme oncogénique de RAS) (1) et un fibroblaste pré-sénescent (2). SA-b-Gal, β-galactosidase associée à la sénescence ; SASP, phénotype sécrétoire associé à la sénescence ; SAHF, foyers hétérochromatiniens associés à la sénescence ; TIF, foyers lésionnels induits par les télomères dysfonctionnels ; SDF, foyers de lésion de l’ADN associés à la sénescence. Le cercle rouge dans la figure du bas (3) entoure un foyer d’hétérochromatine associé à la sénescence (SAHF) tels qu’on peut les voir après une coloration au DAPI. (1, 2) Modifications cytomorphologiques. Cellules aplaties, cytosol vacuolisé, aspect granuleux accentué. (3) Altérations moléculaires et biochimiques. Expression génétique (ex. p15, p16, p21, PML, uPAI) : sécrétion accrue (ex. MMP, cytokines : SASP), résistance à l’apoptose (dépendante du type cellulaire), positivité pour la SA-β-galactosidase (coloration bleue). (3) Changements infranucléaires. Condensation chromatinienne : SAHF, concentration focale en H3K9me2 et HP1 (cercle rouge). Foyers de concentration des protéines de réparation comme ATM ou γH2Ax au niveau de lésions de l’ADN : SDF, au niveau des télomères : TIF.

Figure 1. Caractères de la sénescence cellulaire. Comparaison des altérations cytomorphologiques et des marqueurs biochimiques observés dans un fibroblaste humain sénescent (induit par la forme oncogénique de RAS) (1) et un fibroblaste pré-sénescent (2). SA-b-Gal, β-galactosidase associée à la sénescence ; SASP, phénotype sécrétoire associé à la sénescence ; SAHF, foyers hétérochromatiniens associés à la sénescence ; TIF, foyers lésionnels induits par les télomères dysfonctionnels ; SDF, foyers de lésion de l’ADN associés à la sénescence. Le cercle rouge dans la figure du bas (3) entoure un foyer d’hétérochromatine associé à la sénescence (SAHF) tels qu’on peut les voir après une coloration au DAPI. (1, 2) Modifications cytomorphologiques. Cellules aplaties, cytosol vacuolisé, aspect granuleux accentué. (3) Altérations moléculaires et biochimiques. Expression génétique (ex. p15, p16, p21, PML, uPAI) : sécrétion accrue (ex. MMP, cytokines : SASP), résistance à l’apoptose (dépendante du type cellulaire), positivité pour la SA-β-galactosidase (coloration bleue). (3) Changements infranucléaires. Condensation chromatinienne : SAHF, concentration focale en H3K9me2 et HP1 (cercle rouge). Foyers de concentration des protéines de réparation comme ATM ou γH2Ax au niveau de lésions de l’ADN : SDF, au niveau des télomères : TIF.

On observe dans les cellules sénescentes des changements très importants de l’expression d’activateurs et d’inhibiteurs du cycle cellulaire, de facteurs inflammatoires ou immunomodulateurs, et de certains membres de la famille des insulin-like growth factor binding protein (IGFBP) [1]. En parallèle, l’expression des inhibiteurs des kinases dépendantes des cyclines (CKI), p14/19ARF, p15, p16 et p21, composants cruciaux des réseaux mettant en jeu p53 et Rb (protéine du rétinoblastome), est élevée dans les cellules sénescentes [ 7]. Or, les fonctions de p53 et Rb, deux régulateurs transcriptionnels, sont fréquemment altérées dans les cellules cancéreuses à tel point qu’ils sont considérés comme les archétypes des protéines oncosuppressives chez les mammifères [ 8] (Figure 2). p53 module de façon directe et positive l’expression de p21 mais le mécanisme qui régule p16 n’est que partiellement élucidé. L’activité inhibitrice de la croissance qu’exercent ces deux protéines est principalement régulée par des modifications post-traductionnelles incluant la phosphorylation, l’acétylation, l’ubiquitinylation ainsi que la sumoylation. Les modifications post-traductionnelles massives qui affectent p53 suggèrent la possibilité d’un code de modification de p53 (et/ou Rb) similaire au code des histones. Ce code pourrait conditionner l’orientation de la cellule vers la sénescence, l’apoptose ou l’arrêt transitoire de croissance [ 9– 11]. Bien que les activités des CKI ne soient pas toutes équivalentes, on sait que, pour l’essentiel, ces inhibiteurs maintiennent Rb dans un état hypophosphorylé, donc actif. L’axe p53-p21 est le médiateur principal de la sénescence induite par les télomères ou le stress génotoxique, alors que l’axe p16-Rb est, quant à lui, responsable des différentes formes de sénescence induites par d’autres substances que les seules substances génotoxiques [ 12, 46] (Figure 2). La forme active de Rb, en inhibant l’action du facteur de transcription E2F, réprime la transcription de gènes permettant la progression du cycle cellulaire comme PCNA (proliferation cell nuclear antigen) ou les cyclines A, B et E. L’inhibition de E2F dans les cellules sénescentes est associée à des changements d’architecture chromatinienne caractérisés par des ponctuations multiples de l’ADN appelé SAHF (pour foyers d’hétérochromatine associés à la sénescence). La formation de ces foyers dépend de l’état fonctionnel du gène Rb, ainsi que de l’expression des protéines de la famille HMG (high mobility group), de PML (promyelocytic leukemia), de PIASy (protein inhibitor of activated STAT) et de certains chaperons d’histones. Les SAHF comportent plusieurs marqueurs d’hétérochromatine transcriptionnellement réprimée comme HP1 (heterochromatin protein 1) ou les formes di- et tri-méthylées sur la lysine 9 de l’histone H3 (H3K9me2/3) [9–11]. Bien qu’aucune preuve solide ne soit disponible à ce jour, on pense que la formation de ces foyers bloquerait les cellules de façon irréversible dans un état sénescent en réprimant tout particulièrement les cibles de E2F. Enfin, élément nouveau sur lequel nous reviendrons, l’on observe dans certains cas un accroissement du potentiel sécrétoire des cellules sénescentes, phénomène que l’on désigne sous le terme de phénotype sécrétoire associé à la sénescence ou SASP.

Figure 2. Voies d’induction de la sénescence dans les cellules primaires humaines. Les signaux de sénescence peuvent provoquer une réponse aux lésions de l’ADN (DDR, DNA damage response) qui se traduit par l’activation de la p53 et de sa cible p21. Ces signaux stimulent dans certains cas aussi l’expression de p16 comme conséquence de la DDR ou par l’intermédiaire de mécanismes indépendants et encore mal connus (lignes pointillées). Les voies de signalisation de p16 et p21 convergent alors sur Rb grâce à l’inhibition des kinases dépendantes du cycle (CDK) dont le rôle est d’inactiver Rb. L’activation de Rb en réponse à l’inhibition des CDK stimule fortement la sénescence en supprimant l’activité transcriptionnelle mitogénique de E2F. Bien que les contributions respectives des voies p21 et p16 soient mal définies, on considère que dans la plupart des cas, p16 joue un rôle crucial. Cette hypothèse est avant tout étayée par la fréquente inactivation de cette protéine durant la progression tumorale. Mais, par ailleurs, les données s’accumulent indiquant qu’une pression de sélection majeure s’exerce pour abroger ce point de contrôle de la sénescence.

Figure 2. Voies d’induction de la sénescence dans les cellules primaires humaines. Les signaux de sénescence peuvent provoquer une réponse aux lésions de l’ADN (DDR, DNA damage response) qui se traduit par l’activation de la p53 et de sa cible p21. Ces signaux stimulent dans certains cas aussi l’expression de p16 comme conséquence de la DDR ou par l’intermédiaire de mécanismes indépendants et encore mal connus (lignes pointillées). Les voies de signalisation de p16 et p21 convergent alors sur Rb grâce à l’inhibition des kinases dépendantes du cycle (CDK) dont le rôle est d’inactiver Rb. L’activation de Rb en réponse à l’inhibition des CDK stimule fortement la sénescence en supprimant l’activité transcriptionnelle mitogénique de E2F. Bien que les contributions respectives des voies p21 et p16 soient mal définies, on considère que dans la plupart des cas, p16 joue un rôle crucial. Cette hypothèse est avant tout étayée par la fréquente inactivation de cette protéine durant la progression tumorale. Mais, par ailleurs, les données s’accumulent indiquant qu’une pression de sélection majeure s’exerce pour abroger ce point de contrôle de la sénescence.

Les cellules sénescentes peuvent également comporter deux autres types d’altérations : des foyers de lésion de l’ADN associés à la sénescence ou SDF (senescence-associated DNA damage foci) [ 13, 14] et, dans les cellules en sénescence réplicative, des foyers télomériques dysfonctionnels associés à la sénescence (ou TIF, telomere dysfunction-induced foci) [ 15– 17]. SDF et TIF sont tous deux caractérisés par leur colocalisation dans des foyers de protéines signalant les lésions de l’ADN comme gH2AX, ATM ou 53BP1. Les SDF sont particulièrement visibles au cours de la sénescence induite par les oncogènes (comme RAS oncogénique) qui reproduit les étapes de la réponse aux lésions de l’ADN dépendante de p53 engendrée par le stress réplicatif. La fonction précise des SDF dans la sénescence est sujette à controverse car les différentes approches expérimentales n’ont pas toutes démontré que la destruction des SDF aboutissait à la reprise du cycle cellulaire. Ce phénomène pourrait en définitive être lié à la capacité qu’aurait la cellule de mobiliser ou pas l’axe p16-Rb (voir plus loin).

Le phénotype sénescent comporte donc des éléments caractéristiques (Figures 1 et 3). Toutefois, tous les changements énumérés ci-dessus ne sont pas présents dans tous les types cellulaires étudiés. En réalité, on manque toujours de biomarqueurs spécifiques de l’état de sénescence, les marqueurs généralement utilisés pour l’identifier in vivo étant plutôt des marqueurs qui lui sont associés (de dysfonction télomérique, de lésions de l’ADN). Finalement, nous voudrions insister sur le fait qu’il existe des différences entre tissus et entre espèces quant à l’importance respective des voies p53 ou Rb pour l’induction de la sénescence [ 18]. Alors que dans certains fibroblastes humains, la voie p53 joue un rôle majeur, dans d’autres c’est la voie Rb, alors que dans une troisième catégorie les deux voies fonctionnent conjointement. Chez la souris, c’est la p53 qui agit de façon prédominante pour induire la sénescence, mais là encore des exceptions existent (voir plus loin pour plus de détails).

Figure 3. Une vision synthétique de la sénescence dans la suppression et la promotion tumorales. Des signaux transmis par un disfonctionnement télomérique, des lésions de l’ADN, l’activation d’oncogènes ou d’autres stress peuvent provoquer la sénescence (ou l’apoptose non incluse ici) dans des cellules normales après mobilisation des suppresseurs de tumeur p53 ou p16/Rb. La sénescence est renforcée par un rétrocontrole positif médié par des cytokines. De plus, elle peut stimuler l’immunité innée et l’élimination des cellules abimées. L’inactivation de p53 et de p16/Rb qui se produit souvent durant la carcinogénèse abroge la sénescence et établit un milieu favorable à la transformation. Toutefois, même les cellules cancéreuses peuvent adopter, de façon stable ou non, un état analogue à la sénescence sous l’action de composés génotoxiques. Les cellules cancéreuses sénescentes peuvent potentiellement retourner vers l’état prolifératif grâce à la néose, l’inactivation de facteurs oncosuppresseurs ou l’activation de certains oncogènes. Enfin, les cellules sénescentes peuvent elles-aussi établir un environnement favorable à la tumeur grâce à la dégradation tissulaire et production de signaux auto/paracrines (voir texte pour les détails).

Figure 3. Une vision synthétique de la sénescence dans la suppression et la promotion tumorales. Des signaux transmis par un disfonctionnement télomérique, des lésions de l’ADN, l’activation d’oncogènes ou d’autres stress peuvent provoquer la sénescence (ou l’apoptose non incluse ici) dans des cellules normales après mobilisation des suppresseurs de tumeur p53 ou p16/Rb. La sénescence est renforcée par un rétrocontrole positif médié par des cytokines. De plus, elle peut stimuler l’immunité innée et l’élimination des cellules abimées. L’inactivation de p53 et de p16/Rb qui se produit souvent durant la carcinogénèse abroge la sénescence et établit un milieu favorable à la transformation. Toutefois, même les cellules cancéreuses peuvent adopter, de façon stable ou non, un état analogue à la sénescence sous l’action de composés génotoxiques. Les cellules cancéreuses sénescentes peuvent potentiellement retourner vers l’état prolifératif grâce à la néose, l’inactivation de facteurs oncosuppresseurs ou l’activation de certains oncogènes. Enfin, les cellules sénescentes peuvent elles-aussi établir un environnement favorable à la tumeur grâce à la dégradation tissulaire et production de signaux auto/paracrines (voir texte pour les détails).

Il y a peu encore, l’idée selon laquelle la sénescence, comme l’apoptose, était un mécanisme de suppression des tumeurs pertinent in vivo manquait d’arguments car elle se fondait uniquement sur les observations faites dans des cultures cellulaires in vitro. Des preuves solides sont maintenant apparues grâce aux publications assez retentissantes de plusieurs modèles murins in vivo faisant appel aux techniques de knock-in et knock-out. Ces études ont montré que le stress oncogénique sous la forme de l’hyperactivité d’un oncogène ou de la perte d’un gène suppresseur de tumeur, produisait des lésions bénignes plutôt que malignes et que ces lésions étaient constituées de cellules sénescentes. Comme on pouvait s’y attendre, des tumeurs malignes ayant inactivé ou court-circuité le programme de sénescence se développèrent à partir des lésions bénignes [ 19– 23]. Au cours d’une étude pionnière, Carol Greider et Sandy Chang fournirent les preuves que la sénescence réplicative se produit in vivo et réduit le développement de cancers de façon significative [ 24– 26]. Poursuivant dans cette direction, Clemens Schmitt et ses collaborateurs démontrèrent en 2002, en utilisant un modèle murin de lymphome de Burkitt, que dans des cellules cancéreuses où la réponse apoptotique était abrogée, des agents génotoxiques pouvaient encore déclencher la sénescence [6]. Des résultats semblables ont été publiés par Robert te Poele au cours de la première étude portant sur le cancer du sein humain [ 27]. Cet auteur a montré que les cellules des tumeurs mammaires devenaient sénescentes quand elles étaient traitées par des principes actifs génotoxiques. Prises dans leur ensemble, ces études fournissent les données suffisantes pour conclure que les deux types de sénescence, replicative (RS) et induite par le stress (SIPS), constituent des barrières que les cellules doivent franchir pour progresser vers la malignité. À condition de garder à l’esprit que la présence prolongée de cellules sénescentes au sein d’un tissu donné pourrait promouvoir la transformation de cellules prénéoplasiques voisines (voir plus loin), ces résultats laissent évidemment entrevoir la possibilité de manipuler le processus de la sénescence à des fins thérapeutiques.

Comme nous venons de l’indiquer, on observe des changements drastiques du profil transcriptionnel des cellules sénescentes si on les compare à des cellules quiescentes ou en phase de prolifération. Parallèlement aux stimulations et répressions respectives d’effecteurs inhibant ou stimulant la prolifération, les cellules sénescentes surexpriment une classe de gènes codant pour des protéines sécrétées comme des facteurs de croissance auto- ou paracrines, des protéines de liaison aux facteurs de croissance, des chimiokines ou des métalloprotéinases. Ce phénotype, le SASP (senescence-associated secretory phenotype), était initialement utilisé comme un simple biomarqueur du processus de sénescence, mais des découvertes récentes ont pu montrer son implication dans bien des aspects de la sénescence. De ces études, il apparaît, en outre, que la réponse sénescente dépend de réseaux protéiques à la fois intra- et extracellulaires dont la nature sera développée plus loin.

Une nouvelle vision des choses beaucoup moins positive entame dorénavant la réputation flatteuse de la sénescence (Figure 3). En effet, le phénotype sécrétoire des cellules sénescentes ne serait pas seulement bénéfique mais pourrait également comporter un danger pour l’organisme. Les preuves s’accumulent selon lesquelles les cellules sénescentes résiduelles au sein d’un compartiment stromal fibroblastique pourraient instaurer, via certains signaux, un environnement protumorigène pour des cellules épithéliales. De nouvelles données ont attiré l’attention sur les chimiokines et cytokines proinflammatoires comme l’IL-6, l’IL-8 et le TGF-β (transforming growth factor β), et sur des métalloprotéinases, toutes à l’œuvre dans les cellules sénescentes. Elles pourraient agir de façon pro-mitogène/tumorigène et donc jouer un rôle important dans la tumorigenèse et le processus métastatique. Il est d’ailleurs remarquable que le profil d’expression de ces facteurs sécrétoires soit semblable dans les cellules sénescentes et les fibroblastes associés au cancer. Or, on sait que les fibroblastes présents dans l’environnement immédiat de la tumeur, et isolés à partir de tumeurs primaires, peuvent stimuler la croissance de cellules prénéoplasiques et favoriser la tumorigenèse [ 34]. De fait, des fibroblastes stromaux de tissus mammaires, quand ils sont sénescents, et non pas pré-sénescents, participent à la transformation en cellules franchement tumorigènes de cellules mammaires immortalisées mais non-néoplasiques dans un modèle murin xénogreffé. Ils sont également capables de participer à la transformation de diverses lignées néoplasiques [ 35]. Des études semblables, réalisées dans des modèles variés de xénogreffes, ont confirmé, depuis, ces découvertes initiales tout en limitant leur pertinence à certains organes ou tissus [ 36, 37].

Les considérations précédentes nous laissent en apparence face à un paradoxe. D’une part, la sénescence constitue indiscutablement un mécanisme intrinsèque s’opposant à la prolifération de cellules sur le point de se transformer, d’autre part les données abondent suggérant qu’à long terme, la présence résiduelle de cellules sénescentes pourrait altérer le microenvironnement et promouvoir la tumorigenèse dans un épithelium prénéoplasique lui-même non sénescent. Ce type de paradoxe n’est pas sans précédent dans les théories de l’évolution où il apparaît sous le nom de « pléiotropie antagoniste ». Selon cette théorie, la sénescence serait interprétable comme un mécanisme préservant les individus des tumeurs tant que ceux-ci sont dans leur période d’activité reproductrice durant laquelle s’exerce la pression de sélection. Ce processus pourrait par la suite avoir des conséquences néfastes lorsque les pressions de sélection ne s’exercent plus (ombre évolutive), c’est-à-dire dans la phase post-reproductive de la vie, période où les cellules sénescentes potentiellement délétères ont fini par s’accumuler dans l’organisme [ 38] (Figure 3). De fait, plusieurs études ont montré que les cellules sénescentes s’accumulent effectivement dans les compartiments stromaux des individus âgés où elles altèrent profondément les caractéristiques de croissance des cellules épithéliales prénéoplasiques [ 39]. La question est maintenant de savoir comment séparer les « bons » et les « mauvais » aspects de la sénescence dans une tumeur donnée. De plus, nous devons déterminer si l’arrêt en sénescence d’une cellule tumorale traitée par un principe actif cytotoxique est de la même qualité que celui des cellules en RS ou en SIPS.

Nous avons vu que la sénescence est une puissante barrière bloquant le développement de cellules tumorales non décelables. La question se pose de savoir comment ces cellules tumorales court-circuitent la sénescence dans certaines circonstances et progressent ensuite vers la malignité la plus aboutie. En raison de l’espace restreint dévolu à cette revue, nous limiterons la discussion aux mécanismes d’inversion de la sénescence.

La dernière décennie a vu l’accomplissement de grands progrès dans la compréhension des mécanismes génétiques de régulation de la sénescence cellulaire et de son fonctionnement en tant que puissant mécanisme de suppression des tumeurs. Cette recherche ouvre potentiellement de nouvelles approches thérapeutiques, mais doit encore faire l’objet d’une exploration rigoureuse au cours des prochaines années. Les thérapeutiques d’induction de la sénescence notamment, doivent faire l’objet d’un examen scrupuleux car les cellules sénescentes seraient dans certains cas dotées d’une activité protumorigène, et, à l’heure actuelle, il n’est toujours pas possible de déterminer parmi ces cellules lesquelles seront favorables à la suppression tumorale et lesquelles ne le seront pas. Les années qui viennent apporteront, à n’en pas douter, des informations décisives quant au rôle véritablement protecteur ou plutôt délétère des cellules sénescentes vis-à-vis de la tumorigenèse.