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Science

Le Rythme dans la peau

 

 

 

 



(Article publié en même temps que l’émission 154 de Podcast Science sur les rythmes circadiens)
 

 

Tout bon musicien vous le dira, l’univers est fait de rythmes, que ce soient les pulsations périodiques d’étoiles à neutrons, les mouvements relatifs des astres, les dégradations nucléaires des isotopes ou encore les rotations abstraites qu’effectuent les particules… L’univers semble générer des rythmes dès qu’il peut… Et le vivant n’échappe pas à la règle! Les cellules se divisent périodiquement, les organes fonctionnent périodiquement et même la reproduction a ses périodes.

Tout bon musicien vous confiera aussi qu’un bon orchestre joue au même rythme. La clé c’est que les musiciens suivent les instructions d’un chef d’orchestre pour se mettre au même tempo. Mais comment ça marche pour le vivant? Est-ce que nos rythmes sont menés par un chef d’orchestre? Comment nous synchronisons-nous?

Jour


Avant de nous pencher sur les rythmes du vivant, demandons-nous quels sont les rythmes qui sont les plus susceptibles d’influencer les organismes. Sachant que la source d’énergie la plus abondante et quasi inépuisable de notre planète est la lumière du soleil, on comprend qu’il s’agisse d’un facteur environnemental ultra important pour les être vivants. Or, le phénomène rythmique qui est le plus évident sur notre planète, c’est l’alternance de lumière. Pas étonnant que ça en fascine certains:
 


En déplaise à Jacquouille, l’alternance Jour/Nuit n’est pas le fait d’un interrupteur céleste. Le fait est que notre planète tourne sur elle-même et que sa période de rotation, tenez-vous bien, dure grosso-modo un jour (86400 secondes pour être un chouïa plus précis). Durant cette période, un point du globe est successivement exposé à la lumière du soleil puis aux ténèbres insondables qui se trouvent à l’opposé. Voici une animation d’un jour tiré de véritables images acquises par le module MODIS du satellite TERRA qui survole la Terre à 700km d’altitude:

 

 

L’alternance jour/nuit constitue donc un rythme géophysique qu’on appelle le rythme nycthéméral quand on a été bien élevé. Nycthéméral, ça vient du grec nukthêmeron, mot composé à partir de nux, nuktos, « nuit », et hêmera, « jour ». Si vous voulez donc avoir la classe, au lieu de parler d’un jour, parlez d’un nycthémère, ça fait plus chic! Par contre, articulez bien et évitez cette expression en face de personnages hostiles, ça pourrait prêter à confusion...

Le rythme nycthéméral n’est pas le seul cycle solaire perçu sur notre planète. Sous la plupart des latitudes terrestres, il existe un rythme astronomique plus long, correspondant à une variation lumineuse étalée sur une période d’environ 365,25 jours: les saisons. Voici une illustration particulièrement frappante de ce phénomène: il s’agit de 4 photos de notre planète prises par un satellite géostationnaire (Meteosat-9) à 6h12 à 4 moments clés de l’année, le 21 décembre (solstice d’hiver), le 20 mars (équinoxe de printemps), le 21 juin (solstice d’été) et le 20 septembre (équinoxe d’automne). Sur ces photos, on voit très bien le terminateur, cette ligne qui sépare la face éclairée de la planète de la face non éclairée. On s’aperçoit que l’angle du terminateur varie au cours d’une année:

4 moments 

dans l’année, les solstices (le point de l'orbite où l'inclinaison est maximale vers le 

soleil ou dans la direction opposée) et les équinoxes (lorsque la direction de 

l'inclinaison de l'axe et la direction au Soleil sont perpendiculaires).


La vidéo suivante nous montre le phénomène sur une année complète, mais en accéléré:
 


En guise d’écran de veille, c’est plutôt sympa!

D’ailleurs, au passage, est-ce que vous savez pourquoi on a des saisons sur la Terre? Moi, étant petit, j’étais persuadé que c’était dû au fait que notre Terre gravite chaque année autour du Soleil selon une orbite elliptique, avec un moment de l’année où la terre se trouve près du Soleil et un autre où elle est plus éloignée, une distance variable par rapport au Soleil qu’on nomme excentricité orbitale quand on est ingénieur à la NASA. Cependant, si c’était le cas, nous aurions des saisons identiques aux deux hémisphères, Nord et Sud. Le fait est que lorsque l’hémisphère Nord se trouve en période hivernale, l’autre hémisphère a la chance de profiter de l’été. Ma confusion enfantine vient d’une part du fait que dans les nombreuses illustrations de l’orbite terrestre de mes bouquins de cours, l’ellipse y était très fortement marquée. Or, l’orbite terrestre autour du soleil est en réalité quasi circulaire et n’a donc qu’un effet minime sur notre climat. Bon alors? C’est quoi l’origine des 4 saisons (s’impatientent Vivaldi et le Pizzaïolo)? Et bien c’est l'inclinaison de l'axe nord- sud de rotation de la Terre par rapport au plan de son orbite autour du Soleil (23.5°). Étant penchée, notre Terre présente toujours un pôle vers les soleil. Quand c’est l’été dans l’hémisphère Nord, c’est que la Terre est penchée de façon à présenter le pôle Nord vers le soleil. Les rayons que cet hémisphère reçoit sont quasi-perpendiculaires, donc moins dispersés dans l’atmosphère. 6 mois plus tard, l’inclinaison n’a pas changé et le pôle nord se trouve à l’opposé. Les rayons du soleil que reçoit l’hémisphère nord sont plus obliques, plus dispersés dans l’atmosphère, il fait plus froid, les gens sont gronchons, c’est la merde: c’est l’hiver!
On résume ça avec 2 vidéos bien faites par le MIT:
 

 


Bref, trêves de considérations astronomiques: vous comprenez maintenant qu’il existe des rythmes lumineux géophysiques pouvant influencer les organismes vivants. L’aspect le plus important de ces rythmes, c’est qu’ils sont hautement prévisibles, tellement prévisibles qu’on est capable de savoir à quelle heure s’est levé le soleil il y a 2000 ans et de construire des éphémérides pour les siècles à venir. Ces fluctuations lumineuses annoncent, en plus, des fluctuations climatiques. Les organismes possédant des moyens d’anticiper ces fluctuations ont un avantage non-négligeable pour survivre et on peut facilement s’imaginer qu’au cours de l’évolution, nombreuses sont les lignées qui ont acquis des systèmes permettant de prédire ces rythmes. Mais bon, c’est bien beau d’imaginer ce que peut faire l’évolution, mais c’est une autre paire de manche que de véritablement identifier les rythmes du vivant qui sont à l’écoute des rythmes astronomiques. Pour se faciliter la tâche, les premiers scientifiques à s’intéresser au sujet ont tenté de chercher les rythmes qui correspondent grosso-modo aux rythmes solaires. Exit donc les pulsations du cœur, le nombre de fois qu’on fait pipi, qu’on cligne des yeux, etc… Si on s’intéresse aux fluctuations nycthémérales, ce qu’on cherche, ce sont des biorythmes circadiens, c’est à dire d’environ un jour (circadien vient du latin circa, « environ », et diem, « jour »). Si on s’intéresse maintenant aux fluctuations saisonnières, on se mettra à la chasse des biorythmes circannuels.

Les premières observations de biorythmes circadiens remontent à l’antiquité! Par exemple, le philosophe grec Théophraste rapporte dans son Histoire des plantes qu’Androsthène de Thasos, capitaine d’un navire sous Alexandre le Grand, avait observé sur l’île de Tylos (aujourd’hui connu sous le nom de Bahrein) un arbre « dont les indigènes disaient qu’il dormait ». Il s’avèrera qu’il s’agit du Tamarinier dont les feuilles se ferment en effet chaque nuit et s’ouvre chaque matin:
 

 


Ce genre de mouvement qu’effectuent les plantes en fonction du soleil s’appelle l’héliotropisme (Du grec ancien ἥλιος hélios « soleil » et τρόπος tropos « direction ») ou phototropisme (Du grec ancien φωτός photos « lumière »). Bien sûr, il n’y a pas que le Tamarinier qui soit capable d’héliotropisme: on pense tous spontanément au tournesol, ou à l’héliotrope chez qui le nom même de l’espèce correspond au phénomène. Mais en fait il y a un nombre incalculable de plantes à fleurs chez qui les pétales s’ouvrent et se ferment en fonction de la lumière. D’ailleurs toutes ne s’ouvrent pas au même moment, ce qui a donné l’idée à Carl von Linné, en 1751, de concevoir une horloge florale. Le célèbre naturaliste suédois avait en effet noté que les plantes à fleurs pouvaient être triées en 3 groupes en fonction de leur comportement: les plantes météoriques dont les fleurs s’ouvrent et se ferment en fonction des conditions climatiques, les plantes tropiques qui s’ouvrent et se ferment en fonction de la longueur du jour et enfin, celles qui nous intéressent aujourd’hui, les Equinoxiales qui s’ouvrent à heure fixe de la journée quelque soit la saison et sans tenir compte des conditions météorologiques. Sans avoir jamais pris le temps de planter son invention, Carl von Linné avait tout de même réalisé de nombreuses observations permettant, théoriquement, de construire une horloge florale dont les quadrants seraient constitués de diverses plantes dont les fleurs s’ouvriraient à des périodes différentes de la journée.

Horloge Florale

Horloge Florale


Mais cette expérience peut nous laisser perplexe quand même: comment ces plantes font-elles pour savoir l’heure de la journée si elles ne se laissent ni influencer par la météo, ni par la longueur d’exposition au soleil? C’est comme si la plante possédait un système interne permettant de lui indiquer l’heure du jour: un mécanisme endogène…


Jean-Jacques d’Ortous de MairanMimosa pudica

 

 

Le premier à avoir cherché à caractériser ce mécanisme endogène est un astronome français,  Jean-Jacques d’Ortous de Mairan, qui, en 1729,  a pris des plants de Mimosa pudica, capable de phototropisme, et les a enfermés dans sa cave.

 

 

 


De Mairan a alors observé que le comportement des feuilles de la plante, s’ouvrant le matin et se refermant le soir, continuait même dans l’obscurité totale! Vu que de Mairan était astronome et qu’il avait d’autres chats à fouetter cette année qui était riche en évènements astronomiques à étudier, on a que très peu de détails sur son protocole, dont il a confié le rapport à l’Académie Royale des Sciences, à son ami Jean Marchant.
 

 

Heureusement, de nombreux botanistes (Johann Gottfried Zinn, Henri Louis Duhamel du Monceau, Alphonse Louis Pierre Pyrame de Candolle) ont reproduit l’expérience avec des protocoles très rigoureux, à températures et humidités constantes, sans possibilité de fuite de lumière, et ont confirmé le résultat de de Mairan.

Cependant, rendons à l’astronomie et à la marine ce qu’il leur revient: sans Androsthène de Thasos et Jean-Jacques d’Ortous de Mairan, nous n’aurions pas eu de chronobiologie de sitôt, la chronobiologie étant la discipline scientifique étudiant l'organisation temporelle des êtres vivants.

Les premières expériences de chronobiologie se penchaient donc sur les rythmes endogènes des plantes, sans influences externes (tout ce qui pourrait leur donner une notion de temps). On appelle ces protocoles des expériences de libre-cours où l’on place une plante en obscurité ou en lumière constante. Au-delà de l’existence d’un rythme endogène, ce qui a surpris ces premiers chronobiologistes, c’est que ces rythmes n’aient pas une période exactement égale à 24h (24h et des poussières dans l’obscurité et 25,5 heures en luminosité constante chez Mimosa pudica).

Au début, nombreux étaient ceux qui pensaient qu’il s’agissait là d’une spécificité des plantes, mais la curiosité scientifique prend souvent le pas et des chercheurs ont voulu savoir si l’on pouvait mettre en évidence de tels rythmes endogènes chez d’autres organismes. Le hic, c’est qu’autant dans l’obscurité, venir observer à intervalles régulier l’activité d’une plante est chose aisée, autant enregistrer l’activité d’un animal, c’est un poil plus complexe. Si complexe qu’il faudra attendre le XXe siècle pour que de véritables études de chronobiologie soient menées sur des rats à l’aide d’une invention particulièrement ingénieuse: la roue actographique. Le nom de l’invention est bien plus complexe que ce dont il s’agit réellement! C’est simplement une roue pour rongeur reliée à un stylet placé sur un rouleau de papier qui se déroule à rythme fixe. Le stylet s’agite dès que la roue fait un tour et marque le papier de petits zigouigouis d’encre:

Principe de la roue actographique


C’est finalement exactement le même système que les anciens cardiographes ou sismographes, sauf que les vibrations sont générées ici par les tours que la roue effectue, à chaque fois que le rongeur l’utilise. Bon, bien sûr, il faut que le rongeur ait envie d’utiliser la roue… Mais en fait, c’est très très souvent le cas et on peut corréler facilement l’activité motrice de l’animal avec les tours de roue:

hamster-wheel
La roue ne s'arrête donc que quand l’animal va manger, faire ses besoins ou dormir. Et ces arrêts sont visualisables graphiquement, dans ce qu’on appelle un actogramme. Quand le rongeur est actif, y’a plein de p'tits traits qui forment une sorte de bande continue noire, interrompue de temps en temps par des pauses, représentées par une ligne droite. Quand le rongeur pionce, on voit une longue ligne droite. Quand on place notre animal d’intérêt dans ce dispositif expérimental dans des conditions d’illumination standard (genre 12h de lumière et 12h d’obscurité), on s’aperçoit que l’activité de l’animal suit grosso-modo le régime lumineux. Quand y’a de la lumière, le style s’agite, quand y’a extinction des feux, c’est fini tournez-manège.

C’est donc un protocole expérimental pour vérifier si ces espèces possèdent des rythmes endogènes influençant leur activité locomotrice. Pour tester nos cobayes, il suffit de jouer les gros bâtards et de les placer en situation de libre cours, c’est à dire en lumière ou obscurité constante. C’est comme cela qu’on s’est aperçu que ces rythmes d’activité suivaient bel et bien une périodicité d’environ un jour (circadienne donc). Chez les rats, l’étude date de 1922 et a mis en évidence une période d’activité circadienne de 24h12 en obscurité permanente. Sur l’actogramme de ces rats, on voit que ce petit décalage de 12 minutes va entraîner, au bout d’un certain temps, un décalage complet de la bestiole par rapport au véritable rythme nycthéméral.
 

Exemple d'actogramme

Certainement jaloux de pouvoir torturer de pauvres bêtes, d’autres équipes de chercheurs ont mis en évidence des périodicités circadiennes d’activité chez plein d’autres bestioles, des écureuils volants, des visons, des cailles…

Voici un exemple avec un écureuil volant:

l’écureuil volant 

(Glaucomys volans)

 

Actogramme pour Glaucomys 

volans
Et un exemple avec un Vison:

Vison

 

Actogramme d'un VisonCes études ont permis cependant de révéler que ces périodicité n’étaient pas systématiquement identiques et pouvaient, encore une fois, varier selon les conditions de libre-cours (obscurité ou lumière constante), selon les espèces et même selon les individus. Cependant, la période était toujours proche de 24h. Le caractère endogène de ces rythmes circadiens semblaient particulièrement bien prouvé. La sortie des expériences en libre-cours donnait aussi une information particulièrement intéressante aux chercheurs. En rétablissant un cycle de lumière/obscurité, les animaux retrouvent progressivement un rythme calqué sur le régime lumineux imposé. On peut aussi établir des résultats similaires (mais de moindre importance) en imposant des variations de températures, des variations des intervalles d’accès à la nourriture, des variations d’humidités, etc. Ça veut dire que même si la plupart des organismes vivants possèdent des rythmes endogènes approximativement égaux à 24h, ceux-ci sont ramenés à la véritable rythmicité géophysique via des facteurs environnementaux: on appelle ces facteurs des synchroniseurs (ou zeitgebers… Parce que visiblement c’était chic de leur donner un nom allemand à une certaine époque…) Les synchroniseurs agissent donc en entraînant le rythme endogène vers un rythme nycthéméral. La bouffe, la lumière, la température, l’humidité sont des “zeitgebers”. Et pour faire poétique, on peut dire : pas de nycthémère sans lumière.

Pour formaliser ces différentes découvertes, un modèle théorique fut bâti, celui de l’oscillateur central. Dans ce modèle, le rythme endogène d’un organisme est dicté par un oscillateur central autonome. La période de ces oscillations est approximativement égale à 24h. Mais ces oscillations peuvent être influencées par des zeitgebers externes (lumière, température, humidité, etc.) Ceux-ci entraînent l’oscillateur central pour coller aux variations géophysiques. L’oscillateur central permet d’influer diverses fonctions physiologiques via des oscillateurs secondaires (ou esclaves). Quand l’oscillateur central est entraîné, les rythmes physiologiques collent aux conditions externes, mais quand l’organisme se trouve en libre cours, les rythmes se mettent à suivre les oscillations non-perturbées de l’oscillateur central (avec une période différente de 24h). Comme d’habitude, un bon schéma vaut mieux qu’un long discours:

Modèle de l'oscillateur central

 

Et puis, un chercheur, Colin Pittendrigh, a compilé en 1960 une liste de 16 observations empiriques concernant les rythmes circadiens dont voici un échantillon:

 

- Les rythmes circadiens ont une période approchant le rythme nycthéméral de la rotation de la terre.

- Les rythmes circadiens sont ubiquitaires dans le vivant.

- Les rythmes circadiens sont endogènes, autonomes et innés

- Les rythmes circadiens, bien que sensibles à la température, n’y varient pas de manière linéaire (il y a compensation thermique)

- Les rythmes circadiens sont entrainés par des zeitgebers environnementaux

C’est une liste particulièrement intéressante parce qu’elle est pour l’instant à l’épreuve du temps, bien que de nombreux chercheurs s'échinent à briser l’une ou l’autre règle empirique.

À partir de la découverte des rythmes endogènes et des concepts de synchroniseurs, les recherches en chronobiologie animale sont parties dans différentes directions.
Certains physiologistes voulaient par exemple découvrir où se trouvait ce fameux oscillateur central. Le protocole est on ne peut plus simple: tu bousilles un organe et tu vois si le cycle est maintenu en libre cours. Si tu peux, après lésion, greffer un organe provenant d’un animal sain et observer si le rythme varie, c’est bonnard! Bien sûr, je caricature et simplifie la grande variété de protocoles mis en place pour identifier ces organes… Ces organes, on les appellera les organes ou système pacemakers (ce qui signifie en anglais ‘faiseur d’allure’ et non ce que j'eus cru étant petit ‘faiseur de paix’... ce qui avait toutefois un sens d’un point de vue médical…) Par exemple, si vous réalisez chez un moineau une ablation d’une petite glande du cerveau qui se nomme la glande pinéale (appelée aussi épiphyse) et que vous placez le piaf dans des conditions de libre cours, son activité locomotrice devient totalement arythmique: on est incapable de retrouver une période d’activité claire comme on peut en observer chez un moineau normal: en gros, il fait n’importe quoi, se couche à pas d’heure, un moineau-ado quoi!

Emplacement de la glande pinéale chez les oiseaux

Chez les mammifères, l’organe qui, lésé, entraîne l'arythmie, porte un nom à coucher dehors: ce sont les noyaux suprachiasmatiques (NSC en français), deux petites boules de 10000 neurones chacune et située dans l’hypothalamus.

Emplacement des Noyaux Suprachiasmatiques chez l'humain
Cette fois-ci vous chopez un hamster, vous réalisez une ablation de ses NSC, et, en obscurité ou lumière constante, le hamster fera rouler sa roue n’importe quand… Mieux: maintenant, chopez un deuxième hamster (un fœtus, c’est plus pratique), prélevez ses NSC et greffez-les à celui à qui vous les aviez ôtées: comme par magie, le hamster greffé retrouve un rythme endogène. Encore plus magique: ce rythme endogène correspond à celui qui était exercé chez le donneur et non le receveur!

Expérience d'ablation des 

NSC chez les Hamsters


Chez d’autres bestioles, les pacemakers ont été trouvés encore ailleurs: dans les lobes optiques des insectes ou encore dans les yeux des mollusques. Le fait que ces structures soient composées de cellules photoréceptrices semblait idéal pour réguler le rythme endogène. Du coup des chercheurs se sont demandé comment les pacemakers des vertébrés étaient connectés avec des structures photoréceptrices. C’est là que l’histoire devient franchement chelou, car on a trouvé des photorécepteurs dans la plupart de ces structures qui sont parfois logées bien profondément dans le cerveau. Prenez la glande pinéale par exemple: non seulement elle est bardée de cellules photoréceptrices chez presque tous les vertébrés (sauf chez les mammifères à ce qu’on sache), mais chez la plupart des espèces de vertébrés, on la trouve associée avec un organe entier photorécepteur. Chez la plupart des poissons et chez les lamproies on parle d’organe parapinéal, chez les amphibiens on parle d’organe frontal et chez la plupart des lézards, on cause d’organe pariétal.

Organes parapinéaux, 

frontaux et pariétaux de divers vertébrés

Mais quand je dis organe photorécepteur, faut carrément comprendre une structure capable de capter la lumière, de transmettre ce signal à des neurones qui vont relayer le message au reste du cerveau. Moi quand j’entends cette description, ça me fait penser à un œil. Ben, c’est exactement ça en fait: la plupart de ces animaux possèdent un 3ème œil.

Organe parapinéal chez le 

Thon
Organe Frontal des amphibiens
Organe pariétal chez Anolis 

carolinensis
Alors certes, dans la majorité des cas, il n’a pas la tronche d’un véritable œil (notamment parce qu’il s’agit d’une structure qui régresse au cours du développement), mais si vous prenez un lézard Sphénodontien, la ressemblance reste assez frappante: l’organe pariétal, ou devrais-je dire l’œil pariétal, possède un cristallin, une cornée, une rétine à photorécepteurs de type bâtonnet…

image
Bref, c’est un œil en haut du crâne et puis voilà quoi! Vu que cette structure semble partagée largement parmi les lignées des vertébrés et qu’on retrouve l’orbite d’un troisième œil dans la plupart des crânes des premiers crâniates (les vertébrés possédant une boite crânienne), il semblerait que l’évolution, se foutant bien de notre gueule, ait supprimé l’option œil sur le capot à la livraison des mammifères.

Foramen parietal chez 

Plioplatecarpus
Qu’à cela ne tienne: on a nos NSC, nous! Ben, en fait, tous les vertébrés ont des NSC aussi, bardés de photorécepteurs chez les poissons par exemple. De récentes études ont même montré que les SNC des têtards de poissons, bien que logés au milieu du cerveau, étaient sensibles à la lumière et contrôlaient des comportements phototactiques (c’est à dire qu’ils se mettent à nageouiller en absence de lumière).

Photokinèse chez la 

larve de zebrafish


A partir du moment où les centres pacemaker de ces organismes commençaient à être décrits anatomiquement, certains chercheurs se sont mis en chasse de leur fonctionnement. Paradoxalement, l’un des facteurs prédominants du fonctionnement de la glande pinéale, la mélatonine, avait été découverte bien plus tôt par des chercheurs qui voulaient trouver un moyen d’éclaircir la peau… En effet, en 1917, Carey Pratt McCord et Floyd P. Allen découvrent que des extraits de glande pinéale de vache éclaircissent la peau de têtards. En 1958, suivant ces expériences, Aaron B. Lerner décide de découvrir l’agent éclaircissant pour traiter des maladies dermatologiques et il est le premier à isoler cette hormone qu’il appelle mélatonine (méla: de mélanine, tonine: de sérotonine). Cette hormone n’a en fait aucune action sur la pigmentation et on s’apercevra plus tard que l’accumulation des pigments chez les amphibiens suit en réalité un rythme circadien contrôlé par la mélatonine… Cette variation circadienne de la pigmentation est un phénomène qu’on retrouve chez pas mal de bestioles, que ce soit chez les poissons…

Variation circadienne 

de la pigmentationdes poissons zèbresVariation circadienne de la pigmentationdes poissons zèbres


… ou encore chez des crustacés marins…

Eurydice pulchraEurydice pulchraRythme circadien de 

la pigmentation chez Eurydice pulchra
La glande pinéale est donc responsable de la synthèse de la mélatonine mais cette sécrétion n’est pas continue, elle est uniquement nocturne et suit donc un rythme circadien. On peut d’ailleurs observer le rythme circadien de la production de mélatonine même si on isole la glande pinéale du reste de l’organisme. Très pratique quand on veut en apprendre plus sur les mécanismes à l’origine de l’horloge circadienne. Pendant quelques temps, c’était la direction privilégiée des recherches en chronobiologie et la mélatonine semblait être la molécule miracle à l’origine de tous les rythmes… Mais à son habitude, la génétique a foutu le souk…

Phaseolus coccineus
Tout commence par les travaux d’un botaniste, Erwin BünningErwin Bünning, qui s’amuse à croiser des plants d’haricots d’Espagne possédant des périodes de rythmes endogènes différents. En effet, dans la même espèce, certains individus présentaient des mouvements de feuilles héliotropiques avec une période de 23 heures, et d’autres de 26h. Bünning se demandait si cela était dû à des caractéristiques génétiques simples et à commencé à établir des lignées de haricots à période stable en les autopollinisant (pratique!). Une fois les lignées établies, il a commencé à les croiser et remarqué que la période des haricots croisés correspondait à la moyenne des périodes des parents: la chasse aux gènes circadiens était ouverte!

 

Tout bon généticien vous le dira, le moyen le plus facile de trouver la fonction d’un gène, c’est de trouver des mutants pour ce gène. Ceux-ci ont été découverts dans les années 70, chez un champignon (Neurospora crassa) et des mouches du vinaigres (Drosophila melanogaster). Chez la drosophile, ce furent 3 mutants pour le prix d’un: les mutants exhibaient 3 types de perturbations circadiennes à deux niveaux physiologique: le moment de l’éclosion, et l’activité locomotrice. Une souche mutante était arythmique, une autre avec une période de 19 heures et la 3e avec une période de 28 heures. Et pourtant, il s’agissait de 3 mutations d’un même gène, qui fut appelé period. Chez le champignon, le gène isolé fut appelé Frequency… Les biologistes sont parfois hyper imaginatifs… Chez les mammifères, la quête fut plus longue et il faudra attendre 1988 pour qu’un hamster mutant à l’horloge circadienne cassée soit caractérisé. Le gène sous-jacent fut nommé Tau… Tau comme le symbole de la période, l’inverse de la fréquence, bref, le running-gag de chronobiologiste le plus long du monde… Avec les avancées technologiques en matière de biologie moléculaire, le réseau génétique circadien fut disséqué assez rapidement. Très vite, on se rendit compte, chez les animaux en tout cas, que la plupart des gènes circadiens étaient homologues entre les différentes lignées, c’est à dire hérité d’un ancêtre commun d’entre la mouche, l’humain, le rat, les mollusques, les vers marins, etc.

Conservation des réseaux génétiques circadiens entre la drosophile et la souris
Eh ouais, ça veut bien dire que nous aussi on a des gènes circadiens et d’ailleurs, chez certaines familles, il existe des syndromes héréditaires de décalage de phase de sommeil: de véritables mutants du cycle circadien (ils n’ont pas été embauchés par le Pr. Xavier par contre…)

 


Très vite, les chronobiologistes moléculaires ont découvert que ces gènes circadiens avaient une activité cyclique: ces gènes sont transcrits en ARN, mais la transcription n’est pas continue au fil du temps et fluctue. Et ces fluctuations, vous l’aurez deviné, ont une période proche de grosso-modo 24h…

Variation de 

l'expression de gènes circadiens chez la drosophile

 

Du coup, certains ont commencé à construire des modèles pour expliquer cette activité cyclique. Le modèle le plus simple est appelé boucle auto-régulatrice négative de la transcription/traduction (oui, c’est paradoxal d’être le modèle le plus simple quand on porte un nom pareil…) Le modèle s’applique chez les eucaryotes (les organismes dont les cellules portent un noyau) et part de la transcription d’un gène circadien, successivement traduit en protéine. Seulement la protéine a pour action de perturber la transcription de son gène d’origine. La transcription est donc progressivement inhibée, mais la protéine, qui a une durée de vie limitée commence à se dégrader, levant l’inhibition et entrainant le début d’un nouveau cycle:

boucle auto-régulatrice négative de la transcription/traduction

 

Bien sûr ce modèle est über simple et de nombreux labos travaillent d’arrache-gène pour obtenir un modèle qui colle le mieux à la réalité. Cette approche génétique, je vous l’avais confié, avait foutu le souk dans le travail précédent des physiologistes. Pourquoi? Et bien parce qu’on retrouve l’expression cyclique des gènes circadiens dans presque toutes les cellules du corps. Certes, il y a des endroits privilégiés, comme nos fameux oscillateurs centraux, mais la présence de mini-horloges cellulaires partout a quand même sérieusement réfréné les ardeurs des physiologistes. Et puis, d’autre part, de nombreux organismes unicellulaires semblent utiliser ce système sans besoin de grand complexe de neurones et d’hormones pour pouvoir suivre les rythmes des journées. On peut même observer des rythmes circadiens chez des lignées de cellules humaines, cultivées en laboratoire!

Mais bon, Karma’s a bitch: les partisans du tout génétique allaient vite fait se prendre une belle mandale dans la gueule. En effet, parallèlement à la course aux gènes circadiens, certains chercheurs claironnaient haut et fort des résultats allant complètement à l’encontre du modèle de la boucle auto-régulatrice négative de la transcription/traduction. Par exemple, certaines équipes ont mis en évidence des rythmes circadiens de diverses fonctions cellulaires… de globules rouges humains. Sachant que les globules rouges n’ont pas de noyau, donc pas d’ADN, donc pas de matériel génétique… Ça la fout un peu mal pour le modèle. Et puis rapidement, on a trouvé des systèmes circadiens chez des organismes procaryotes (sans noyau). Certes, ces organismes possèdent un matériel génétique, mais si on bloque, avec des produits chimiques, la transcription et la traduction, les fonctions circadiennes continuent quand même. Chez un de ces procaryote, la cyanobactérie Synechococcus elongatus, le système circadien non-génétique a été disséqué et implique 3 protéines (KaiA, KaiB et KaiC) et une source d’énergie chimique (le fameux Adénosine Tri Phosphate ou ATP).
 

Horloge moléculaire chez Synechococcus elongatus

Mieux encore, ces chercheurs, en isolant ces 3 protéines à partir de la cyanobactérie, ont réussi à reproduire un cycle circadien dans un tube à essai. Tout ce qu’il suffit de faire, c’est de rajouter de l’ATP en abondance dans la solution!

Qu’est-ce que ça implique sur les rythmes circadiens chez les cyanobactéries, chez les champignons, les plantes, les animaux? Ben franchement on est encore loin de tout comprendre. Ce que ces résultats suggèrent, c’est que l’on possède des horloges circadiennes de différents âges. Certaines sont très vieilles, comme cette horloge moléculaire qu’on retrouve dans les cyanobactéries et qui peut être est la même agissant dans nos globules rouges. D’autres sont juste un poil moins anciennes et se retrouvent dans toutes nos cellules, et puis d’autres ont accompagnées l’émergence des organismes à plusieurs cellules. A travers la quête de nos horloges biologiques, on se retrouve à creuser les strates de notre histoire évolutive, mettant une énième fois en évidence le fait que tous les êtres vivants sont liés par des liens de parenté. Mais ici, en toile de fond, une dimension nouvelle se dégage. Ce rythme latent, ce rythme qu’on cherche dans tout ce qui vit, c’est le rythme des milles milliards de levers et couchers de soleil qui se sont succédés à la surface de notre planète. Cette quête du rythme, c’est l’une des rares occasions que la biologie peut trouver pour toucher du doigt les rythmes de notre immense univers.



Liens:
Article Bibnum sur De Mairan
Une centaine d'articles de Bora Zivkovic mais celui-ci est un bon départ.
Article News Discovery

Références:
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