1.1 Résumé en français
Durant l’évolution, les mammifères, comme la plupart des autres organismes vivant sur la terre, se sont adaptés aux variations journalières et saisonnière de luminosité et de température, résultant de la rotation de la terre sur son axe et autour du soleil. Des oscillateurs moléculaires capables de générer des rythmes d’environ 24 heures ont pris place au cœur de quasiment chaque cellule et contrôlent de nombreux aspects de la physiologie et du comportement chez les mammifères. Ces horloges moléculaires permettent à l’organisme d’anticiper les changements journaliers, afin de régler et d’optimiser sa physiologie en accord avec ce rythme géophysique. Ces oscillateurs restent synchronisés au sein du corps grâce à un groupe d’oscillateurs situés dans l’hypothalamus, appelé horloge centrale, qui elle-même est synchronisée chaque jour par la lumière. L’horloge centrale emploie ensuite divers moyens pour régler la phase des oscillateurs périphériques, tel que la sécrétion d’hormone, l’envoi d’influx nerveux, ou plus indirectement le contrôle du cycle veille/sommeil et du cycle alimentaire en résultant, ainsi que probablement la régulation journalière de la température corporelle.
Afin de mieux comprendre ces mécanismes, notamment l’influence de la température dans le processus de synchronisation, nous avons dans un premier temps examiné les effets de différents stimuli de température sur les oscillateurs moléculaires opérant dans les fibroblastes de souris en culture. Pour ce faire, nous avons utilisé des reporteurs bioluminescents reflétant l’expression de divers gènes circadiens, tel que Bmal1, Dbp ou Per2. Nous avons ainsi pu montrer que des cycles de température, similaires aux fluctuations de température corporelle, sont capables de synchroniser les horloges moléculaires présentes dans ces cellules. De plus, nous avons pu démontrer que le facteur de transcription, heat shock factor 1 (HSF1), joue un rôle durant ce processus. Ces résultats suggèrent donc que la fluctuation journalière de la
périphériques au sein de l’animal entier, et que ceci nécessiterait la participation du facteur de transcription HSF1.
Dans un deuxième temps, pour pouvoir analyser les différentes voies de synchronisation entre l’horloge centrale et les horloges des tissus périphériques dans un animal entier, nous avons mis en place un système permettant la visualisation de l’expression de gènes circadiens dans le foie d’un animal intact et libre de mouvements. Nous avons introduit des transgènes bioluminescents reflétant l’expression de gènes circadiens dans le foie des souris par l’utilisation de vecteurs adénoviraux. La mesure en temps réel de la bioluminescence émanent de l’animal a pu être effectuée à l’aide de détecteurs de photons extrêmement sensibles. Cette approche nous a permis de visualiser l’expression circadienne des gènes Bmal1 ou Per2 durant plus d’une semaine au sein d’un même animal. De plus, grâce à cette méthode, nous avons pu examiner les influences respectives des signaux émis par l’horloge centrale et des signaux induits par la prise nourriture, sur les oscillateurs du foie.
Nous avons ainsi pu démontrer que l’horloge centrale joue un rôle essentiel dans la synchronisation des oscillateurs individuels du foie dans l’animal. Cette synchronisation est perdue an absence de l’horloge centrale, mais peut être restaurée par un rythme alimentaire imposé. Cette méthode ouvre donc la possibilité d’étudier une multitude de processus au sein d’un animal vivant, et dans le domaine circadien, notamment de mieux caractériser les diverses voies de synchronisation entre l’horloge centrale et les oscillateurs périphériques.
1.2 Abstract
During evolution, most of the organisms living on earth, including mammals, adapted to the daily and seasonal variations of luminosity and temperature resulting from the rotation of earth around its own axis and around the sun. Molecular oscillators able to generate rhythms of approximately 24 hours are present in virtually all cells. These molecular clocks are involved in the control of many aspects of physiology and behavior in mammals. They allow
the organism to anticipate daily changes in order to tune its physiology to geophysical time.
These oscillators keep synchrony within the body owing to a specific group of oscillators located in the hypothalamus, called the central clock, which is itself synchronized every day by light. The central clock uses then diverse means to reset the phase of peripheral oscillators;
these include hormones secretion, neuronal signals, or more indirectly the control of rest/activity cycle and the resulting fasting/feeding cycle, as well as probably the daily regulation of body temperature.
In order to better understand these mechanisms, notably the influence of temperature in the synchronization process, we first examined the effects of different temperature stimuli on the molecular oscillators operative in cultured mouse fibroblasts. To this end, we used bioluminescent reporters reflecting the expression of diverse circadian genes, such as Bmal1, Dbp or Per2. We were thus able to show that temperature cycles mimicking natural body temperature fluctuations can synchronize the molecular clocks present in these cells. In addition, we demonstrated that the transcription factor, heat shock factor 1 (HSF1) plays a role during this process. These results suggest therefore that daily fluctuations of body temperature may indeed participate in the synchronization of peripheral oscillators in the whole animal, and that this would necessitate the participation of HSF1.
Secondly, in order to analyze the different synchronization pathways between the central clock and the clocks in peripheral tissues in the context of a whole animal, we established a system allowing the visualization of circadian gene expression in the liver of an intact and freely moving mouse. We introduced bioluminescent transgenes - reflecting the expression of circadian genes - into mice liver by using adenoviral vectors. Real time monitoring of the bioluminescence emanating from the animal was possible using ultra sensitive photons detectors. This approach allowed us to visualize the circadian expression of Bmal1 or Per2 genes during more than one week within an individual animal. Moreover, using this method, we could examine the respective influences of signals emanating from the
central clock and food-induced signals on liver oscillators. We thus demonstrated that the central clock plays an essential role in the synchronization of individual oscillators within the liver in the animal. This synchronization is lost in the absence of the central clock, but can be restored by restricted feeding regimens. This method opens thus the possibility to study many processes within a living animal, and in the circadian field, will notably allow to better characterize the diverse synchronization pathways operative between the central clock and peripheral oscillators.