Horloges biologiques

L’alternance du jour et de la nuit du cycle terrestre est si fiable qu’il n’est pas surprenant que les animaux, les plantes et les bactéries ajustent leur comportement et leur physiologie (pour une revue, voir réf. 1). Les rythmes circadiens sont une adaptation omniprésente de tous les organismes aux défis environnementaux les plus prévisibles. Un rythme biologique qui persiste dans des conditions constantes et dont la période est de ≈1 jour est dit  » circadien  » (circa,  » autour  » ; dian,  » jour « ).

Jusqu’à très récemment, les molécules qui sous-tendent l’oscillation sont restées inconnues. Les perturbations de ces oscillations par des inhibiteurs de la synthèse de l’ARN ou des protéines suggèrent que de telles molécules sont impliquées (2).

Une approche qui a réussi à démêler les mécanismes est l’utilisation d’altérations génétiques. Le premier et le second mutant de l’horloge découverts chez la drosophile, Drosophila melanogaster, sont les gènes de la période et de l’intemporalité (3-5).

Chez la drosophile, l’abondance des ARNm et des produits protéiques des gènes de la période et de l’intemporalité suivent un cycle de ≈24 heures dans des sites spécifiques du cerveau de la mouche (6). Maki Kaneko et al ont parlé de ces cellules pacemaker putatives dans le cerveau de la mouche à fruits en utilisant ces oscillations moléculaires comme marqueur (7). Dans la tête adulte, des études protéiques ont montré que per est exprimé de façon rythmique dans des sites spécifiques, les neurones latéraux situés entre le cerveau central et les lobes optiques. Les neurones latéraux sont considérés comme les cellules pacemaker putatives du rythme de l’activité locomotrice de la mouche adulte.

Kaneko et al. (7) ont démontré que les produits de per et tim sont détectables dans un nombre limité de neurones du cerveau larvaire. Les schémas d’expression dans plusieurs de ces cellules sont cycliques. Parmi ces neurones, cinq cellules situées latéralement expriment . PER (PER) dès le début du stade larvaire, ce qui suggère qu’elles pourraient être responsables de la synchronisation larvaire de l’éclosion et de l’activité des locomoteurs. Une autre découverte intéressante est un groupe de neurones avec l’expression cyclique de per et tim en opposition de phase avec les neurones latéraux. Ces résultats impliquent la présence de multiples oscillateurs impliqués dans les rythmes de différents processus physiologiques ou comportementaux dans un seul organisme. Kaneko et al. (7) ont également décrit la caractérisation anatomique des schémas de câblage des neurones pacemaker en utilisant l’expression du gène rapporteur dépendant du promoteur de per. Une telle approche d’anatomie moléculaire devrait apporter un nouvel éclairage sur la cartographie fonctionnelle de ce système cérébral. En outre, la comparaison entre les cellules d’horloge des mammifères et des mouches devrait clarifier la relation évolutive entre ces systèmes.

Le contrôle circadien de la transcription fournit un point d’entrée pour analyser les éléments régulateurs cis-acting et les facteurs trans-acting par lesquels l’horloge peut réguler de nombreuses expressions génétiques contrôlées par l’horloge (6). Ces éléments régulateurs cis putatifs, appelés « time-box » (8), sont supposés être situés dans les régions promotrices et amplificatrices des gènes contrôlés par l’horloge. En outre, l’élément sensible contrôlé par l’horloge (6) ou la boîte à temps peut réguler les phénomènes physiologiques circadiens endogènes dans des conditions constantes. Plus récemment, un candidat possible pour la boîte à temps a été identifié dans la région promotrice du gène period de la drosophile (9). Bien que per ait été proposé comme médiateur du cycle de l’ARNm par répression transcriptionnelle, une interaction directe entre per et l’ADN est très peu probable en raison de l’absence d’un domaine de liaison à l’ADN dans PER. Le groupe de Hardin a analysé en profondeur la région promotrice du gène per dans des études utilisant des mouches transgéniques à gène de fusion per-lacZ (9). Ils ont identifié un amplificateur transcriptionnel circadien dans un fragment d’ADN de 69 pb contenant une boîte E en amont du gène per, qui est responsable de l’activation nocturne de l’expression du gène per. La boîte E est un site de liaison connu pour la classe de facteurs de transcription hélice-boucle-hélice basique.

Récemment, le candidat le plus fort à ce jour pour un facteur trans-agissant dans l’oscillateur est Clock, cloné en utilisant une stratégie génétique avant (10). Le groupe de Takahashi (10) a isolé et analysé l’activité locomotrice de souches de souris mutantes circadiennes. Le mutant Clock présentait une période longue devenant arythmique après plusieurs jours dans l’obscurité constante. Takahashi et ses collègues (10) ont réussi à cloner le gène responsable et ont identifié la mutation dans la région codant pour la protéine du gène Clock. Il est intéressant de noter que la protéine Clock contient un domaine de liaison protéine-protéine (PAS), qui se trouve dans le gène per de la drosophile, et un motif de base hélice-boucle-hélice pour la liaison à l’ADN. En outre, Takahashi et ses collègues (10) ont été en mesure de sauver complètement la longue période et le phénotype arythmique des souris mutantes Clock par le transfert du gène Clock normal.

Ravi Allada et al. ont décrit les composants moléculaires communs en se concentrant sur Clock, qui est responsable de la génération du rythme circadien chez les mouches et les humains (11). Allada et ses collègues (11) ont passé au crible des mouches mutagénisées chimiquement à la recherche de mutants qui modifient ou abolissent la rythmicité circadienne de l’activité des locomoteurs et ont trouvé un nouveau mutant arythmique, initialement appelé Jrk. Les mouches Jrk expriment de faibles niveaux de protéines périodiques et intemporelles en raison de niveaux réduits de transcription. Le gène a été identifié et présente une conservation de séquence frappante avec le gène du rythme circadien des mammifères, Clock ; c’est pourquoi Allada et al. (11) ont renommé ce gène de mouche dClock. Comme l’horloge de la souris, l’horloge de la drosophile contient des domaines basiques hélice-boucle-hélice et PAS ainsi qu’un domaine d’activation transcriptionnelle.

Des travaux récents, tant chez les mammifères que chez les mouches, suggèrent que les partenaires protéiques de CLOCK sont également conservés au cours de l’évolution (nommés BMAL) (12, 13). Il a été démontré que les dimères CLOCK-BMAL se lient à la région promotrice des gènes period et timeless et qu’ils transactivent les deux gènes chez les mouches. De plus, l’expression de PERIOD-TIMELESS (PER-TIM) réprime l’induction du rapporteur médiée par CLOCK-BMAL. Ainsi, un modèle de rétroaction négative a été proposé (figure 1).

Chez les mammifères, le SCN dans l’hypothalamus est considéré comme un pacemaker majeur pour les phénomènes de rythme circadien, comme le démontrent de nombreuses études anatomiques et physiologiques (14). Récemment, trois homologues du gène period de la drosophile ont été signalés chez la souris et l’homme (15). Malgré l’existence de trois homologues de period chez les mammifères qui présentent une oscillation circadienne de l’ARNm dans le noyau suprachiasmatique du cerveau de la souris, aucune implication fonctionnelle du comportement locomoteur circadien n’a été rapportée.

Pour clarifier si l’homologue per des mammifères pourrait être impliqué dans le rythme circadien du comportement locomoteur des mammifères, le groupe d’Ishida a cloné un homologue per de rat et a fait des rats arythmiques à lésion SCN pour surveiller les rythmes circadiens dans les tissus périphériques (16).

Pour vérifier si l’expression rythmique de l’ARNm du rat PERIOD 2 (RPER2) est observée dans des tissus autres que le SCN, une analyse par Northern blot a été réalisée sur des tissus de l’œil, du cerveau, du cœur, de la rate du poumon, du foie et des reins. Il est intéressant de noter que tous les tissus testés présentent une expression rythmique de l’ARNm de RPER2, bien que le rapport nuit/jour soit différent dans chaque tissu. RPER2 se comporte comme un homologue mammifère du gène period de la drosophile (16) car son expression circadienne était élevée la nuit dans une grande variété de tissus, comme period l’est chez la drosophile.

Parce que le SCN est considéré comme un pacemaker de l’horloge circadienne chez les mammifères, le groupe d’Ishida (16) a testé si l’expression circadienne de plusieurs tissus de l’ARNm RPER2 est affectée par une lésion du SCN. De manière assez surprenante, la nature rythmique de l’expression tissulaire multiple de RPER2 a été complètement abolie par la lésion du SCN. L’expression tissulaire multiple de RPER2 est donc sous le contrôle du SCN. Il s’agit du premier rapport indiquant que le rythme circadien multitissulaire est régi par une horloge cérébrale de mammifère, le SCN de l’hypothalamus. Les données suggèrent également qu’un homologue de per mammifère (RPER2) pourrait être impliqué dans le rythme circadien du comportement locomoteur chez les mammifères, car la perte de l’expression circadienne de l’ARNm de RPER2 dans le corps entier s’est produite lorsque l’activité locomotrice circadienne des rats a été perdue. Pour clarifier un tel problème, nous devons fabriquer des animaux transgéniques ayant une mutation de perte de fonction ou de gain de fonction dans le gène RPER2. Le fait que l’expression rythmique de l’ARNm RPER2 dans plusieurs tissus dépende complètement du SCN suggère que certains signaux sont nécessaires pour maintenir de manière coordonnée le rythme de l’ensemble du corps (Fig. 2). Une étude sur la transplantation du NSC suggère également l’importance des facteurs humoraux du NSC (17). De tels facteurs humoraux provenant du SCN pourraient être importants pour générer l’expression rythmique circadienne du gène RPER2 dans les tissus périphériques. Ainsi, il apparaît, comme dans le cas de la biologie du développement, que les molécules clés de cette horloge biologique sont bien conservées entre les mouches et les mammifères. Le mécanisme d’horloge moléculaire commun des bactéries (18) à l’homme pourrait être envisagé dans un futur proche.

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