Introduction
La question du rôle du vieillissement des organismes est au cœur des préoccupations dans le domaine de la biologie, au moins depuis la théorie d'évolution de Darwin [1]. Les raisons de l'apparition du vieillissement ont fait l’objet de multiples théories et des progrès ont été réalisés dans l'identification des mécanismes associés à ce phénomène. Cependant, une réponse satisfaisante à cette question n'a pas encore été établie. Les deux principales idées s’opposant à ce sujet sont le “vieillissement programmé” et le “vieillissement non programmé”. La première propose que le vieillissement est sélectionné et a un rôle adaptatif alors que la seconde propose que la sénescence n'a pas d'intérêt évolutif. Ainsi, des auteurs suggèrent que le vieillissement ne présente aucun avantage alors que d’autres pensent que l’existence d’individus plus âgés dans une population peut augmenter sa fitness moyenne. Entre autre, ces théories visent à déterminer la caractère sélectionnable de la longévité.
Dans cette synthèse, nous avons définis les caractéristiques d’un état sénescent et avons tenté d'examiner et comparer les théories les plus importantes sur les mécanismes écologiques et évolutifs expliquant l'existence de sénescence, malgré son ressemblance à un paradoxe darwinien.
1) La sénescence cellulaire
Dans un organisme, l’intégrité fonctionnelle cellulaire est essentielle au maintien de l’homéostasie. Les cellules accumulent des dégâts et des altérations au cours du temps mais ceux-ci sont reconnus par des systèmes menant soit à la réparation, soit à l’apoptose. Cependant, le système de régulation perd en efficacité avec l’âge, causant le maintien de cellules sénescentes et aboutissant au vieillissement général de l’organisme [2]. Les cellules sénescentes sont caractérisées par un métabolisme lent et un phénotype altéré, synonyme de déclin fonctionnel des tissus. En effet, une diminution des capacités physiques et donc une perte de fitness est observée chez des souris âgées [3]. Parmi les caractéristiques de la sénescence, on note une diminution du métabolisme énergétique, une accumulation de mutations génétiques, une modification de l’expression des gènes causée par une modification de structure de la chromatine, une usure des télomères favorisant l’arrêt du cycle cellulaire, ou encore une altération de communication inter-cellulaire [4]. Des déterminants génétiques de ces fonctions ont étés identifié et on peut noter l’implication de : la voie insuline/IGF et mTOR accélérant le processus de vieillissement ; la surexpression de p53 favorisant la réponse aux stress et l’arrêt du cycle cellulaire [5]; la dérégulation de la voie FOXO altérant la réparation de l’ADN et la détoxification [6].
Le vieillissement semble programmé dans le sens où la longueur des télomères déterminent la durée de vie d’une cellule, donc l’âge d’un organisme. En revanche, il semble non programmé par l’origine stochastique de l’altération des constituants cellulaires. Or, des facteurs impliqués dans le maintien de l’homéostasie (résistance et réparation) peuvent être sélectionnés (duplications, variations) pour contrer ces déséquilibres métaboliques liés à l’âge et ainsi favoriser la durée de vie [7]. Si le caractère de sénescence est sélectionné par l’évolution, on peut s’interroger sur les raisons du maintien ou de la destruction des organismes âgés.
2) - Théories évolutives du vieillissement
A. Vieillissement non-programmé
Selon les premières théories du “vieillissement non programmé”, la sénescence est le résultat des limites des lois de la physique et de la chimie qui ne peuvent pas être surmontées par le processus d'évolution. En 1952, Peter Medawar a suggéré que la nécessité de vivre longtemps décroît après l'âge de maturité sexuelle d’un organisme et dépend de facteurs liés à l’espèce comme la période de gestation, les saisons de reproduction ou de la pression de prédation [8]. Sur ces bases, la théorie de l’accumulation de mutations (MA) suggère que l'effet évolutif des événements indésirables diminue après l'âge auquel un organisme est capable de se reproduire [9]. Cette hypothèse est soutenue par la corrélation de l'âge de la maturité sexuelle avec la durée de vie chez les vertébrés, expliquant les différences de longévité entre espèces [10]. Cependant, certains animaux ne montrent aucun signe de vieillissement [11], [12]. Dans le même principe, la théorie de la pléiotropie antagoniste (AP) suppose qu’un effet négatif d’un gène qui mène au vieillissement d’un individu (tardif dans la vie) pourrait encore être favorisé s'il est avantageux pour sa fitness (précoce dans la vie)[13]. Cependant, des contradictions à cette théorie sont observées en laboratoire chez des mutants drosophiles avec une durée de vie augmentée sans effet négatif sur la fertilité [14]. Une faiblesse de cette théorie est que la force de la sélection naturelle n’est pas toujours nulle chez les individus âgés, bien que progressivement réduite avec l’âge. En plus dans les cas ou la sénescence est inexistante la sélection ne fait pas la distinction entre individus âgés ou non âgés, donc la probabilité de mort extrinsèque n’augmente pas avec l'âge[15]. Les altérations qui entraînent une réduction significative de la fitness ne sont pas facilement détectables, ce qui est une limite à l’acceptation de cette théorie [16].
Enfin, l’hypothèse du soma jetable (DS), une variante de la pléiotropie antagoniste, suggère l’existence d’un compromis physiologique entre reproduction (fertilité) et maintenance somatique (croissance et longévité). Une étude sur le nématode a par exemple montré une régulation antagoniste entre le tissus somatique et le tissu germinal dans laquelle l’absence de l’un favorise la durée de vie de l’autre [17]. Par ailleurs, un faible taux reproductif est généralement observé chez les organismes à grande espérance de vie [9]. De par la mort précoce des animaux en milieu sauvage, cette théorie suppose aussi qu’il n’est pas nécessaire d’allouer des ressources et une énergie conséquente à un système de réparation performant. Un compromis semble donc engagé entre le maintien dans l’environnement et la reproduction de l’espèce. De cette manière, la prédation ou autres évènements stochastiques entravera le caractère de longévité, favorisant la reproduction, puisque la mort par ces causes prévalent sur la mort de causes intrinsèques. Une modélisation basée sur des données aviaires montrent que la durée de vie est plus longue lorsque le nombre d’espèces prédatrices sympatriques diminue [18]. De la même manière, une expérience sur l’évolution rapide des guppies a montré une diminution du taux de reproduction chez des populations à l’espérance de vie augmentée par l’absence de prédateurs [18].
B. Vieillissement programmé
Les théories émergentes du “vieillissement programmé” suggèrent que chaque organisme a une durée de vie déterminée par des caractéristiques intrinsèques (au niveau de l’individu mais aussi de la population). Ces idées indiquent qu’un avantage évolutif est conféré à une espèce capable de s’adapter aux variations de l’environnement (famine, sécheresse etc), avec le décès des individus âgés, moins adaptés à ce changement..
À partir de 1962, des révisions de la théorie de Darwin [19] apportent la suggestion qu'un trait bénéfique à long terme pour la population pourrait être sélectionné bien qu’il soit désavantageux individuellement et à court terme. La théorie de l’évolvabilité, propose que les traits augmentant la capacité d'une population à évoluer peuvent compenser un désavantage individuel. L’évolution ne se produit pas de manière constante entre les individus et peut être une propriété sélectionnable [10],[12],[20]. Elle entre alors dans la controverse puisque les espèces qui vieillissent peuvent avoir un avantage de sélection. Si le vieillissement raccourcit la durée de vie moyenne, il raccourcit également la durée moyenne de la génération et ainsi davantage de variants génétiques sont «testés» dans le même intervalle de temps par recombinaison sexuelle [11]. Autre théorie, la sélection de groupe, sous-entend que l'avantage d'un groupe peut compenser un désavantage individuel [11]. Elle est intimement liée à la théorie de sélection de parentèle soutenant que l'avantage d'un parent proche puisse compenser un désavantage individuel. Il est d’ailleurs facile d’observer la maintenance d'animaux individuellement défavorisés chez les animaux sociaux. En accord avec ces théorie, le modèle de Libertini (1988) indique que la réduction de la durée de vie par le vieillissement diminue aussi le temps de génération. C’est avantageux pour les gènes “utiles” dans la population car plus la génération est courte, plus la propagation de ces gènes est rapide. Un autre modèle propose qu’un individu peut améliorer sa fitness inclusive en mourant, libérant la place à un individu jeune à la fécondité plus élevée (Travis 2004). Une expérience sur des levures appuie cette théorie en montrant un meilleur développement après 90 à 99% d’extinction de la population [8]. Enfin, Mitteldorf & Pepper (2009) proposent que la sénescence est une adaptation permettant de limiter la propagation de la maladie. Toutes ces théories sont critiquées par les adeptes du vieillissement non-programmé puisqu’elles sont en conflit avec les mécanismes d'évolution traditionnels [11].
C. Avantages potentiels du vieillissement
Un certain nombre d'avantages en termes évolutif ont été proposés pour une durée de vie limité par le vieillissement. Ceci favoriserait la diversité génétique en réduisant le nombre d'individus âgés dominant le pool de gènes [11] et augmenterait le nombre d'individus participant à l’évolution par l’augmentation du taux de reproduction [11]. La mort précoce d’individus âgés pourrait aussi améliorer la fitness inclusive de l’espèce, libérant l'espace au profit d’un individu jeune à fécondité élevée.
Un autre avantage potentiel du vieillissement des organismes est son intérêt écologique. Par exemple, des levures âgées développent la capacité à dégrader une nouvelle source de carbone [21]. Ce caractère n’est pas directement transmissible mais est acquis avec l’âge, indiquant que la sénescence peut servir un intérêt écologique en augmentant la fonctionnalité d’une population, donc la fonctionnalité d’un système. Par ailleurs, une étude de modélisation suggère que l'augmentation du taux de mortalité liée à l’âge peut être un caractère adaptatif dans des conditions environnementales variables [22] : la senescence pourrait ainsi servir un second intérêt, celui de la survie de l’espèce face à un environnement changeant.
Conclusion
Toutes les théories sur le vieillissement des organismes possèdent des contres exemples dans la nature[12]. Cependant, beaucoup d’études sont en faveur d’une sénescence programmée et sélectionnée, en témoigne le grand nombre d’éléments génétiques identifiés dans la régulation de l’intégrité cellulaire [4]. On peut penser que le caractère de longévité persiste, tant l’avantage conféré à la population par un individu sénescent est supérieur à la perte de fitness individuelle. Qui plus est, une longévité élevée favorise la maturation du système reproducteur, notamment chez les mammifères. La reproduction d’une espèce étant essentielle à sa pérennité, il semble que la force sélective pour la longévité soit intense est positive. En revanche, l’environnement et en particulier la prédation est un moteur puissant de la sélection qui agit contre la sélection de ce caractère. Bien que la sénescence ne soit pas un trait avantageux, les espèces vieillissantes possèdent une plus grande probabilité de survie à un environnement fluctuant. Ainsi, l’évolution de ce caractère est en accord avec les théories de la sélection naturelle puisqu’il est un facteur de variation nécessaire aux forces évolutives. Il serait intéressant d’intégrer une approche plus comparative afin de mieux examiner les mécanismes et les forces à l’origine de l’apparition de la sénescence. A partir de l'arbre phylogénétique de la vie, nous pouvons tirer des conclusions sur les autres caractéristiques de l'organisme et les paramètres environnementaux qui ont favorisé le vieillissement.
Une origine génétique du vieillissement peut ouvrir sur des préoccupations sociétales comme la voie à des thérapies anti-âge ciblant, par exemple, la voie insuline/IGF, la voie mTOR ou encore les cellules souches [23]. Dorénavant, la question centrale sur le vieillissement cellulaire débat de notre capacité technique et notre volonté à contrer ses effets[24].