Physiological constraints and evolutionary trade-offs underlying bacterial aging, caloric restriction and longevity

par Yifan Yang

Thèse de doctorat en Biologie systemique

Sous la direction de François Taddei et de Ariel Lindner.

Soutenue le 10-07-2015

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Interdisciplinaire européenne frontières du vivant (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (établissement de préparation) et de Robustesse et évolvabilité de la vie (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Contraintes physiologiques et compromis évolutifs sous-jacents au vieillissement bactérien, restriction calorique et longévité


  • Résumé

    Les théories évolutives du vieillissement et la théorie du «disposable soma» en particulier ont été la base théorique d'une avance récente de recherche sur le vieillissement animal. Pourtant, leur hypothèse centrale sur la physiologie de l'entretien et de la réparation cellulaires n'a pas été testée empiriquement. Dans cette thèse, j'ai analysé la physiologie du vieillissement de Escherichia coli sous restriction de carbone, en tant que système modèle pour valider empiriquement les théories évolutives du vieillissement. Les outils microfluidiques sont utilisés pour isoler de larges populations de cellules isolées de E. coli et pour obtenir une restriction carbonée homogène. Malgré le partage de la même génétique et des conditions environnementales, les cellules individuelles de la population présentent des variations significatives de la durée de vie et de cause de décès. Les distributions de durée de vie présentent des caractéristiques typiques du processus de vieillissement, souvent observées en études démographiques animales et humaines. Le taux de vieillissement peut être modifié par des mutations de la réponse générale au stress. Comme la longévité induite par la restriction calorique, la réponse générale au stress prolonge la durée de vie d'E.coli en atténuant l'effet du vieillissement au détriment des besoins immédiats des cellules. Un modèle quantitatif de ce compromis physiologique est construit et correctement prédit des observations expérimentales. En conclusion, je confirme la théorie du «disposable soma» du vieillissement avec les détails physiologiques du vieillissement de E.coli en famine.


  • Résumé

    The evolutionary theories of aging and the disposable soma theory in particular, have been the theoretical basis for a recent surge of animal aging research. Yet their central assumption about the physiology of cellular maintenance and repair has not been empirically tested. In this thesis, I analysed the physiology of E.coli aging under carbon starvation, as a model system to empirically validate evolutionary theories of aging. Microfluidic tools are used to isolate large populations of isogenic single E.coli cells, and to achieve homogenous carbon starvation. Despite sharing the same genetical background and environmental conditions, individual cells in the population exhibit significant variations in lifespans and causes of death. Distributions of lifespans exhibit typical features of the aging process, often seen in animal and human demographic studies. The rate of aging can be altered by mutations of the general stress response pathway. Resembling caloric restriction induced longevity, the general stress response pathway extends starvation lifespans of E.coli by attenuating the effect of aging at the expense of immediate needs of the cells. A quantitative model of this physiological trade-off is constructed and correctly predicted experimental observations. As a conclusion, I substantiate the disposable soma theory of aging with the physiological details of E.coli aging in starvation.

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