1.6
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1.6 La question qui se poseLa question qui se poseLa question qui se poseLa question qui se pose
Les résultats récents, obtenus grâce à la réalisation in vitro de l’oscillateur KaiABC, ainsi que des modélisations théoriques de cet oscillateur permettent de mieux comprendre les interactions potentielles entre ces 3 protéines clés [54, 56]. Cependant, les origines de la stabilité in vivo ne sont pas encore connues. L’oscillation circadienne de la phosphorylation de KaiC, parallèlement avec la formation du périodosome semble être à la base des oscillations circadiennes de l’ensemble du génome. Dans chaque cellule, on compte plusieurs milliers de protéines KaiC et KaiB par cellules, et seulement 250-500 pour KaiA. La formation du
a
b
a
b
FIG. FIG. FIG.FIG. 1111----15151515 Colonie Colonie Colonies adjacentes de phases d’oscillations différentes. Colonies adjacentes de phases d’oscillations différentes.s adjacentes de phases d’oscillations différentes.s adjacentes de phases d’oscillations différentes. a)a)a) Images en contraste de phases a)
(haut) et de bioluminescence correspondantes (bas). Les cellules de colonies A et B se rejoignent au fur et à
mesure de leur croissance. b)b)b)b) Phases des oscillateurs de la colonie A (rouge) et (bleu) à différents intervalles
de temps. Les vecteurs centraux représentent la cohérence au sein des colonies, leur orientation est donnée par la phase moyenne. Au fur et à mesure du temps, les phases individuelles se dispersent. Cependant, les phases moyennes des colonies A et B ne semblent pas être influencées l’une par l’autre.
(D’après Mihalcescu I et al., «Resilient circadian oscillator revealed in individual cyanobacteria», NatureNatureNatureNature
1.6 LA QUESTION QUI SE POSE 31
périodosome nécessite 1 ou 2 dimère KaiA, ce qui implique qu’il y a en moyenne 60-250 périodosomes actifs par cellule [67]. Cette faible quantité de complexes est a priori susceptible d’engendrer des fluctuations stochastiques de son activité [1, 59].
Pourtant un organisme aussi simple qu’une bactérie semble posséder des propriétés de résistance au bruit stochastique fondamentalement différentes de celles observées chez les eucaryotes :
Malgré les divisions cellulaires (jusqu’à 4 fois par 24 h [29]), la phase de l’oscillation circadienne est conservée pour des cellules d’une même lignée. Ceci est d’autant plus surprenant que les quantités d’ARNm et de protéines jouant un rôle dans la formation du périodosome sont susceptibles de fluctuer d’une cellule à l’autre, vu le nombre de copies limitées.
Par comparaison avec ce qui est observé in vivo pour des oscillateurs naturels ou synthétiques, nous pouvons émettre deux hypothèses expliquant les origines d’une telle robustesse :
• Il peut s’agir d’une propriété intrinsèque de l’oscillateur : il est en effet possible que les mécanismes moléculaires générant les oscillations circadiennes soient telles qu’ils soient résistants aux fluctuations stochastiques. C’est le cas d’un oscillateur synthétique implémenté dans la bactérie Escherichia coli [68]. Les boucles et les interactions entre les protéines de cet oscillateur sont telles que pour certaines valeurs de paramètres, on observe à l’échelle d’une des oscillations du nombre d’une protéine donnée. L’originalité de cet oscillateur, par rapport à celui que nous avons vu auparavant (1.3.2) réside dans le fait que les oscillations sont résistantes aux divisions cellulaires. En effet, en dépit d’un temps de divisions 10 fois plus petit que la période, 3 cycles d’oscillations sont observés avant que les fluctuations stochastiques n’atténuent notablement l’amplitude du signal. Le mécanisme de cet oscillateur est tel qu’il permet de suivre les oscillations circadiennes sur une trentaine de générations. Par comparaison, avec les cyanobactéries, il est possible de suivre les oscillations sue une quarantaine de jours, soient environ 40 générations (cf. 4.2). L’oscillateur synthétique offre une preuve de la robustesse potentielle aux fluctuations stochastiques qui résultent des interactions moléculaires au sein du système.
• La deuxième hypothèse pouvant expliquer la robustesse constatée, est celle du couplage entre oscillateurs, que nous avons déjà évoqué pour les cellules des SCN par exemple. L’hypothèse d’une interaction forte est a priori exclue pour expliquer la stabilité observée, mais il est possible qu’une telle robustesse puisse provenir d’un couplage faible entre oscillateurs, renforcé par l’existence du bruit extracellulaire. L’existence d’une interaction, même faible pourrait contrebalancer la dispersion des phases des oscillateurs individuelles.
Le mécanisme de l’interaction pourrait être similaire à celui observé chez la levure : les levures interagissent via un réservoir commun de métabolites extracellulaires, et synchronisent ainsi leurs oscillations glycolytiques. Un mécanisme similaire a été proposé pour les oscillations circadiennes de bioluminescence de Gonyaulax polyedra [8]. Deux cultures initialement en opposition de phase sont mélangées, et les oscillations étudiées pendant une quinzaine de jours.
CHAPITRE 1. INTRODUCTION
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Il apparaît que ce mélange développe un comportement temporel qui diffère progressivement d’une simple somme arithmétique de leurs oscillations circadiennes. Ceci peut être interprété comme un type de communication, orchestré via le milieu cellulaire.
C’est dans cette direction que se sont orientés nos travaux : nous investiguons l’existence d’un couplage entre oscillateurs cyanobactériens, et tentons de voir si la stabilité de l’oscillateur circadien est une propriété intrinsèque aux bactéries, ou si une interaction faible entre oscillateurs participe à renforcer la robustesse des oscillations.
FIG.
FIG. FIG.
FIG. 1111----16161616 Evolution temporelle des nombres de molécules par ce Evolution temporelle des nombres de molécules par ce Evolution temporelle des nombres de molécules par ce Evolution temporelle des nombres de molécules par cellules en protéines KaiA, kaiB, KaiCllules en protéines KaiA, kaiB, KaiCllules en protéines KaiA, kaiB, KaiC llules en protéines KaiA, kaiB, KaiC
dans une cyanobactérie. Le nombre de protéines KaiA n’oscille pas. Alors que les nombres de protéines KaiB et KaiC oscillent avec une période proche de 24 h.
(D’après Kitayama Y et al., « KaiB functions as an attenuator of KaiC phosphorylation in the cyanobacterial