Rythme circadien dans le Système Nerveux Central et l'Hypophyse
publicité
Rythme circadien dans le Système Nerveux Central et l'Hypophyse UE S1 INTRODUCTION A LA RECHERCHE Plan • I. Propriétés des rythmes biologiques et organisation du système circadien • II. Dysfonctionnements de l’horloge et pathologies associées • III. Chronobiologie appliquée à une étude expérimentale dans l’hypophyse Intégration de la dimension temporelle : Caractéristique du monde vivant Description d’un processus dans le monde vivant Où ? anatomie histologie cytologie Comment ? physiologie biologie biophysique Quand ? Chronobiologie Définition d un rythme Un rythme est un processus de n importe quelle nature qui se reproduit à intervalle de temps régulier Les rythmes suivent des fréquences très variables alternance veille/sommeil circadiens Environ 24 heures battements cardiaques respiration ultradiens moins de 20 heures Menstruations infradiens plus de 28 heures Définitions Rythme circadien: rythme à période (inverse de fréquence) proche de 24 h Rythme nycthéméral: tout rythme de 24 h synchronisé sur l alternance jour/nuit ! Plan • I. Propriétés des rythmes biologiques et organisation du système circadien • II. Dysfonctionnements de l’horloge et pathologies associées • III. Chronobiologie appliquée à une étude expérimentale dans l’hypophyse PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES ET ORGANISATION DU SYSTEME CIRCADIEN I - Nature et propriétés des rythmes biologiques A - Représentation mathématique B – Diversité des phénomènes rythmiques C - Organisation temporelle des fonctions biologiques D - Endogénie et synchronisation des rythmes circadiens II - Les oscillateurs circadiens A - Mise en évidence du pacemaker B – Mécanismes moléculaires des oscillations C - Concept d oscillateurs secondaires PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES ET ORGANISATION DU SYSTEME CIRCADIEN I - Nature et propriétés des rythmes biologiques A - Représentation mathématique B - Diversité biologique des phénomènes rythmiques C - Organisation temporelle des fonctions biologiques D - Endogénie et synchronisation des rythmes circadiens II - Les oscillateurs circadiens A - Mise en évidence du pacemaker B – Mécanismes moléculaires des oscillations C - Concept d oscillateurs secondaires Lymphocytes totaux / mm3 de sang veineux A - Représentation mathématique Temps (heures) 8h 16h 0h 8h Repos nocturne 4000 Acrophase 4000 A 3000 3000 2000 2000 Bathyphase A - Représentation mathématique Période (τ) Acrophase (ϕ) Amplitude (A) Mésor (M) Bathyphase 24 6 12 18 24h (t) Période de repos de 23h à 7h Analyse cosinor : F(t) = M + A cos (2π/τ x t + ϕ) PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES ET ORGANISATION DU SYSTEME CIRCADIEN I - Nature et propriétés des rythmes biologiques A - Représentation mathématique B – Diversité des rythmes circadiens C - Organisation temporelle des fonctions biologiques D - Endogénie et synchronisation des rythmes circadiens II - Les oscillateurs circadiens A - Mise en évidence du pacemaker B – Mécanismes moléculaires des oscillations C - Concept d oscillateurs secondaires Rythmes circadiens Rythmes cellulaires - Rythmes d expression génique - Rythmes d activités enzymatiques - Rythmes métaboliques … Rythmes des fonctions - Fonctions endocriniennes - Fonction cardiovasculaire - Température corporelle … Rythmes comportementaux - Activité générale locomotrice - Prise de nourriture et de boisson - Niveaux de somnolence et vigilance - Activité physique - Performances cognitives … PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES ET ORGANISATION DU SYSTEME CIRCADIEN I - Nature et propriétés des rythmes biologiques A - Représentation mathématique B - Diversité des rythmes circadiens! C - Organisation temporelle des fonctions biologiques D - Endogénie et synchronisation des rythmes circadiens II - Les oscillateurs circadiens A - Mise en évidence du pacemaker B – Mécanismes moléculaires des oscillations C - Concept d oscillateurs secondaires Structure temporelle des fonctions biologiques chez l homme ACTH plasmatique Cortisol plasmatique 17-OHCS urinaire Potassium urinaire Éosinophiles sanguins Force d étreinte de la main Débit expiratoire maximal Catécholamines urinaires Aldostérone urinaire Activité rénine plasmatique Pression sanguine systolique Pression sanguine diastolique Rythme cardiaque Effet des agents vagolytiques activité repos 24h Influence de! l homéostasie! veille-sommeil! ++! +/- + ++ + 0 + ++ ++ + ++ + TSH (µU/ml! ++ ++ 0 ++ 0 0 Prolactine! (µU/ml! GH (ng/ml)! Testostérone! Cortisol (ng/ml)! (ng/ml)! Influence de! l horloge! circadienne! Mélatonine ! pg/ml! Rythmes endocriniens chez l’homme Heure! Influence! des repas! PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES ET ORGANISATION DU SYSTEME CIRCADIEN I - Nature et propriétés des rythmes biologiques A - Représentation mathématique B - Diversité biologique des phénomènes rythmiques C - Organisation temporelle des fonctions biologiques D - Endogénie et synchronisation des rythmes circadiens II - Les oscillateurs circadiens A - Mise en évidence du pacemaker B – Mécanismes moléculaires des oscillations C - Concept d oscillateurs secondaires Rythme locomoteur (rongeurs nocturnes) Rythme nycthéméral Zeitgeber Time Eclairage : 7h:19h Rythme circadien Circadian Time Obscurité totale J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10 J11 J12 Flexibilité des rythmes circadiens Propriété de pouvoir modifier leur période ! Synchronisation = Mécanisme de modification de la période Synchroniseur ou Zeitgeber = Facteur capable d imposer sa propre période Principaux zeitgebers : - Lumière - Température - Disponibilité alimentaire - Environnement sonore - Facteurs socio-écologiques! PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES ET ORGANISATION DU SYSTEME CIRCADIEN I - Nature et propriétés des rythmes biologiques A - Représentation mathématique B - Diversité biologique des phénomènes rythmiques C - Organisation temporelle des fonctions biologiques D - Endogénie et synchronisation des rythmes circadiens II - Les oscillateurs circadiens A - Mise en évidence du pacemaker B – Mécanismes moléculaires des oscillations C - Concept d oscillateurs secondaires Le noyau suprachiasmatique (NSC) 3V! CO! NSC! Rythme nycthéméral d ACTH et de corticostérone plasmatiques : Effet de la lésion du NSC 150 250 200 100 ACTH (pg/ml) 50 0 1822 2 6 10141822 2 6 0 250 150 200 100 150 100 50 0 50 0 1822 2 6 10141822 2 6 CORT (ng/ml) 100 50 Restauration du rythme d’activité locomotrice chez le hamster par greffe de NSC Destruction du NSC 0 Greffe de NSC 24 0 24 0 24 Ralph, M.R. et al., Science, 247, 975-978, 1990 Schéma conceptuel initial du système circadien Les gènes de l horloge Définition: Les gènes de l horloge sont définis comme des gènes dont les produits protéiques sont des éléments essentiels à la génèse ou la régulation des rythmes circadiens c est à dire des protéines qui forment le mécanisme moléculaire fondamental de l oscillation dans chaque oscillateur de l organisme. Mécanisme fondamental des oscillations ARNm Transcription Gène Horloge Inhibition Dégradation Translocation nucléaire Traduction Interaction Protéines Horloge Modifications Post-Traductionnelles Mécanismes moléculaires de l’oscillation circadienne E-Box genes Clock Transcriptome Circadien Per’s Bmal1 Rev-erb’s ROR’s Cry’s RORE-genes Organisation du Système Circadien Conception actuelle du système circadien Horloge Centrale NSC Oscillateurs Périphériques Moelle osseuse Foie Cellules sanguines Intestin Rein Le transgene Per::luciferase permet de montrer la diversité des oscillateurs circadiens Hastings et al., Nature Rev. Neurosci., 4, 649-661, 2003 Plan • I. Propriétés des rythmes biologiques et organisation du système circadien • II. Dysfonctionnements de l’horloge et pathologies associées • III. Chronobiologie appliquée à une étude expérimentale dans l’hypophyse DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI - Chronothérapie DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI - Chronothérapie Synchronisation externe Heure des repas Lumière ambiante Synchronisation interne Désynchronisation externe : Désynchronisation par rapport aux conditions environnementales Décalage horaire (jet lag) Travail en horaires décalés, travail de nuit Cécité Le décalage horaire L adaptation à un retard de phase (déplacements vers l ouest) nécessite un allongement de la période des rythmes pour en retarder la phase L adaptation à une avance de phase (déplacements vers l est) nécessite une réduction de la période des rythmes pour en avancer la phase L adaptation est plus aisée pour un retard de phase (voyages d est en ouest) Désynchronisation externe + Désynchronisation interne! " Le décalage horaire Désynchronisation entre rythmes endogènes et exogènes fatigue troubles du sommeil diminution des performances intellectuelles et psycho-motrices troubles digestifs … La mélatonine est un chronobiotique Son administration modifie la sécrétion endogène de mélatonine selon une courbe de réponse de phase Point critique! Avance de phase Retard de phase Le travail en horaires décalés Travail posté : synchroniseurs contradictoires (cycle lumière/obscurité vs environnement familial et social) Travail de nuit permanent : état chronique de désynchronisation Désynchronisation interne : Liée à un dysfonctionnement propre de l horloge Troubles dépressifs Certaines altérations du sommeil Cancers Vieillissement DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI - Chronothérapie Troubles de la rythmicité " Troubles de la phase du sommeil! - Syndrome de l endormissement retardé (DSPS) - Syndrome d avance de phase du sommeil (FASPS) Troubles de la période du sommeil! - Syndrome « en libre cours » ou « hypernycthéméral » " Troubles psychiatriques! - Dépression endogène, réactionnelle ou saisonnière " Vieillissement! " Troubles de la rythmicité et troubles de l humeur FASPS et DSPS : souvent associés à dépression et anxiété Effets bénéfiques de la restauration de cycles veille/sommeil normaux Les changements environnementaux (saisons, stress, horaire des cycles veille/sommeil) peuvent être associés à des épisodes dépressifs = Incapacité de l horloge à s adapter de manière appropriée Effets bénéfiques de la photothérapie et/ou de la mélatonine dans la dépression saisonnière " Troubles de la rythmicité et troubles de l humeur Relations avec les gènes de l horloge : - Troubles bipolaires: Le lithium allonge la période circadienne (ralentissement du rythme) par un effet sur la phosphorylation de per - Chez l’homme, association dépression saisonnière et polymorphismes Npas2, Bmal1, Per2 - Chez l animal (modèles murins), association mutation de Clock et troubles bipolaires McClung, Parmacol. Ther.,114, 222-232, 2007 Coyle, PNAS, 104, 6097-6098, 2007 Roybal et al., PNAS, 104, 6406-6411, 2007 Vieillissement Diminution de l amplitude des rythmes + avance de phase + raccourcissement de la période des oscillations = Manque de précision de l horloge - Diminution du sommeil lent et du sommeil paradoxal - Augmentation du nombre et de la durée des éveils au cours du sommeil - Altération de la synchronisation par la lumière et l’activité - Perturbation des rythmes hormonaux - Désynchronisation des rythmes métaboliques DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI - Chronothérapie Horloge circadienne et troubles métaboliques Chronobésité Anomalies circadiennes au cours de pathologies métaboliques 1 - Obésité génétique chez l animal" 2 - Obésité nutritionnelle chez l animal" 3 - Diabète" " Horloge circadienne et troubles métaboliques Chronobésité Anomalies circadiennes : causes de désordres métaboliques? - Noyau suprachiasmatique - Horloges secondaires de l hypothalamus - Système nerveux autonome - Horloges périphériques DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI - Chronothérapie Oscillateurs périphériques et maladies cardiovasculaires! Tous les tissus du système cardiovasculaire sont des oscillateurs périphériques avec une spécificité (1) des composants moléculaires de l’oscillation et (2) de leurs gènes cibles rythmiques. Ceci entraîne une rythmicité des fonctions spécifiques à ces tissus (activité thrombolytique du tPA, vasodilatation, pression sanguine et rythme cardiaque. Et une rythmicité de la fréquence de survenue des accidents cardiovasculaires (infarctus, ischémie, accidents vasculaires cérébraux) Nouvelles stratégies thérapeutiques : interventions locales (sans impact sur l horloge centrale) Hastings et al., Nature Rev. Neurosci., 4, 649-661, 2003 DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI - Chronothérapie Horloge circadienne et cancer Données épidémiologiques et cliniques La désorganisation des rythmes circadiens augmente les risques de cancer (travailleurs de nuit) Hansen, J. Ntl. Cancer Inst., 93, 1513-1515, 2001 Davis et al., J. Ntl. Cancer Inst., 93, 1557-1562, 2001 Schemhammer et al., J. Ntl. Cancer Inst., 93, 1563-1568, 2001 Perturbation du rythme activité/repos accélère la croissance tumorale et réduit la survie (cancers colo-rectaux) Mormont et al., Clin. Cancer Res., 6, 3038-3045, 2000 Relation positive entre le rythme du cortisol salivaire et la survie (cancers du sein) Sephton et al., J. Ntl. Cancer Inst., 92, 994-1000, 2000 Horloge circadienne et cancer Données expérimentales Souris porteuses de tumeurs (ostéosarcomes, adénomes pancréatiques) « Jet lag » chronique (avance de phase de 8h/2 jours) Modification de l expression de gènes de l horloge et de gènes impliqués dans carcinogénèse et progression tumorale Lésion NSC " Altérations de la rythmicité Accélération de la croissance tumorale Fonction « anti-tumorale » du système circadien Filipski et al., J. Ntl. Cancer Inst., 97, 507-517,2005 Filipski et al., J. Ntl. Cancer Inst., 94, 690-697, 2002 Horloge circadienne, cycle cellulaire et développement tumoral 7% des gènes contrôlés par l horloge sont impliqués dans la régulation du cycle cellulaire, dans la prolifération et l apoptose (ex: cyclines, c-myc, caspases, p53). (Bjarnason et al., Am. J. Pathol., 154, 613-622, 1999; Duffield et al. Curr. Biol., 12, 551-557, 2002) Mutants per2 et développement tumoral : - développement d hyperplasies spontanées des glandes salivaires et de lymphomes - sensibilité accrue aux radiations γ (formation accrue de tumeurs) - dérégulation du rythme des gènes impliqués dans le cycle cellulaire et la suppression tumorale (c-myc, cycline D1, p53). (Fu et al., Cell, 111, 41-50, 2002) Effet de la mutation de per2 sur le développement tumoral radioinduit mPer2 m/m! Wild-type" Fu et al., Cell, 111, 41-50, 2002 DYSFONCTIONNEMENTS DE L HORLOGE ET PATHOLOGIES ASSOCIEES I - Conditions de désynchronisation II - Troubles de la rythmicité III - Horloge circadienne et troubles métaboliques IV - Horloge circadienne et maladies cardiovasculaires V - Horloge circadienne, cycle cellulaire et cancer VI- Chronothérapie Variation des paramètres pharmacocinétiques selon le moment d administration de la drogue Bruguerolle, Clin. Pharmacokinetics, 35, 83-94, 1998 Chronothérapie des cancers Dommages aux tissus sains Index thérapeutique Efficacité du ciblage tumoral Tissu sain - Rythme de prolifération cellulaire - Rythmes métaboliques des drogues Tissu tumoral Asynchronie ! Traitement dans une plage horaire permettant: - susceptibilité maximale de la tumeur - tolérance maximale de l organisme Plan • I. Propriétés des rythmes biologiques et organisation du système circadien • II. Dysfonctionnements de l’horloge et pathologies associées • III. Chronobiologie appliquée à une étude expérimentale dans l’hypophyse Axe hypothalamo-hypophysaire diurèse hypothalamus hypothalamus ADH hypophyse antéhypophyse posthypophyse accouchement ocytocine os FSH TSH ACTH croissance staturale surrénales seins PRL GH thyroïde corticostéroïodes thyroxine LH FSH LH ovaire testicule testostérone spermatogenèse lactation et éjection du lait oestrogènes, progestérone maturation follicule ovulation Influence de! l homéostasie! veille-sommeil! ++! +/- + ++ + 0 + ++ ++ + ++ + TSH (µU/ml! ++ ++ 0 ++ 0 0 Prolactine! (µU/ml! GH (ng/ml)! Testostérone! Cortisol (ng/ml)! (ng/ml)! Influence de! l horloge! circadienne! Mélatonine ! pg/ml! Rythmes endocriniens chez l’homme Heure! Influence! des repas! Rythmicité des Gènes de l’Horloge dans l’Hypophyse de Souris Caractérisation de l’Oscillateur dans la Lignée GH4C1 Rythmicité d’Expression de la Prolactine dans la Lignée GH4C1 Schéma du promoteur hPRL P2 E-Box P1 -164 -1 ATATGAATA CATTTG TATTCAT E-Box consensus pour CLOCK/BMAL1: CACGTG Rythme circadien d’activation du promoteur hPRL dans la lignée GH4C1 240% hPRL 220% y=1.2+0.6*exp(-t/30)*(sin(2*pi*x/23.4)+1) 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 0 12 24 36 48 60 Mutations de la séquence E-Box -164 P2 E-Box P1 -1 ATATGAATA CATTTG E-BoxDel E-BoxMut CTCTTG TATTCAT Implication de la E-Box dans le rythme d’activation du promoteur hPRL 240% hPRL 220% E-BoxDel 200% E-BoxMut 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 0 12 24 36 48 60 Interactions entre les sites P1 et P2 et la E-Box -164 P2 E-Box P1 -1 ATATGAATA E-BoxMut P2Mut GGGTACCCA CATTTG TATTCAT CTCTTG P1Mut TATCTGT Effet répresseur du site E-Box sur le niveau d’activation du promoteur hPRL % de hPRL (Luciferase/renilla) 600% 500% 400% 300% 200% 100% 0% E-BoxDel E-BoxMut % of respective control values (Firefly/Renilla) Interactions entre les sites P1 et P2 et la E-Box P2 P2 P2 P2 E-Box E-Box E-Box E-Box P1 P1 P1 P1 350 300 250 200 150 100 50 0 P1-Mut EBoxMutP1Mut P2-Mut EBoxMutP2Mut % of respective control values (Firefly/Renilla) Interactions entre PIT-1 endogène et la EBox P2 P2 E-Box E-Box P1 P1 P2 E-Box P1 350 350 300 300 250 250 200 200 150 150 100 100 50 50 0 0 P1-Mut EBoxMutP1Mut 0ng (R271W) 100ng (R271W) 200ng (R271W) P2-Mut EE-BoxMutP1-Mut BoxMutP2Mut Implication du site P2 dans le rythme d’activation du promoteur hPRL 240% hPRL 220% P2Mut 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 0 12 24 36 48 60 L’expression des ligands de la E-Box et P2 n’est pas rythmique Identification par spectrométrie de masse des cofacteurs de HLTF St EBox EBox Mut 220 160 120 100 80 70 60 50 40 30 25 hnRNP K hnRNP M hnRNP U Nono Sfpq/PSF PSP2/Rbm 14 PSP1 Rythmicité des cofacteurs associés à HLTF Conclusions hnRNPK SFPQ hnRNPU Pit-1 HLTF P2 E-box NONO Prl
