Transcript Rythmes Biologiques

LES RYTHMES BIOLOGIQUES
INTRODUCTION
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Périodicité des processus vitaux et Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
INTRODUCTION
Alternance veille sommeil
Mouvements respiratoires et cardiaques
Cycles de reproduction
L’activité rythmique est une propriété fondamentale
de la matière vivante
Principe de l’homéostasie de l’organisme est-il contraire
a cette activité rythmique des des processus vivants ?
1°- Concept de structure temporelle des organismes….
• Pour connaître ou décrire un processus il faut
répondre à 3 questions :
– Où ?
•  anatomie
 histologie  cytologie
– Comment ?
•  physiologie  biologie
– Quand ?
•  chronobiologie
 biophysicien
1°) Spectres des rythmes biologiques
Rythmes haute fréquence :   0,5 heure
Rythmes moyenne fréquence : 0,5 h    2 jours
rythmes circadiens : 20 h    28 h
rythmes ultra(ra)diens : 0,5 h   < 20 h
rythmes infra(ra)diens : 28 h    2,5 jours
Alternance veille – sommeil; sensibilité aux médicaments;
processus métaboliques ; température ; constituants du sang
; niveau respiratoire
17-hydroxy-corticostéroïde (17-OHCS)
Rythmes basse fréquence :   2,5 jours
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
INTRODUCTION
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
2°- Définitions et méthodes d’analyse
Définitions
• Nycthéméral  tout rythme de 24 h synchronisé jour/nuit
• Circadien
 cycle d’activité et de repos proche de 24 h
Méthode du Cosinor
F(t) = M + A cos (t + )
M : niveau moyen ajusté
A : amplitude
t : le temps
 = 2/  avec  = 1/F = 2F
 : la pulsation
 : Acrophase
Période
Acrophase 
A
amplitude
Valeur crête
Soit 2A
Mésor
Moyenne ajustée
Bathyphase
24
6
Période de repos de 23h à 7h
12
18
24h
Représentation en coordonnées polaires
24h
23h
345°
0°
15°
30°
45°
60°
75°
18h
270°
A
115°
120°
Vecteur A
Direction =Acrophase
Longueur = Amplitude
6h
90°
150°
180°
12h
7h
Temps (heures)
Sang veineux total, nb lymphocytes / mm3
8h
16h
0h
8h
Acrophase 
période de sommeil
4000
4000
A
3000
3000
2000
2000
Bathyphase
Débit expiratoire
de pointe / min
Repos
Obscurité
Activité lumière
Acrophase
Repos
Activité lumière
Obscurité
Acrophase
640
limite de confiance
de C
640
amplitude
620
A = 63,6 (28,8 à 98,4)
600
L/min
A
580
M = 560,2  4,2
L/min
560
M
niveau moyen ajusté
540
520
Variation moyenne
496,6 - 623,8 500
L/min
7h
7h
23h
24h
6h
12h
18h
24h
6h
12h
360°
90°
180°
270°
360°
90°
180°
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
INTRODUCTION
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Périodicité des processus vitaux et Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
3°- Organisation temporelle des processus
métaboliques et physiologiques
• Les rythmes biologiques relèvent d’une programmation
dans le temps.
• Les pics (acrophase) et les creux (bathyphase) des
diverses fonctions physiologiques, métaboliques,
endocriniennes etc.. ont une position temporelle précise
les unes par rapport aux autres.
• Exemple: le pic d’ACTH se situe avant celui du cortisol
lequel précède celui des 17-OHCS urinaire qui se situe
avant la phase d’activité maximale de l’organisme.
Structure temporelle des processus 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
Période d’activité
durée 24h
Période de repos
3°- Organisation temporelle des processus
métaboliques et physiologiques (suite)
• Nombreuses altérations possibles
–
–
–
–
Altérations socio-écologiques
Altérations socio-professionnelles
Altérations pathologiques
Altérations médicamenteuses.
• Étude par isolement en Laboratoire ou en
conditions naturelles (Bunkers grottes)
Rythme circadien de l’excrétion urinaire
des 17 OH CS et de la température
Période d’isolement hors du temps
Acrophase
360° (24h)
270° (18h)
17-OH CS
T° rectale
180° (12h)
90° (6h)
0
17 déc.
11 mars
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Périodicité des processus vitaux et Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
Périodicité des processus
métaboliques
Glycogène
Albumine
6h
18 h
Évaluation chronobiologique de la
toxicité d’une substance
% de la moyenne
de survie dans chaque lot de souris
180
Susceptibilité à l’endotoxine
d’Echerichia coli
165
Ouabaïne
140
100
moyenne
100
60
35
20
20h
16h
Lumière
6h
8h
24h
obscurité
18h
Lumière
6h
20h
obscurité
18h
Cinétique plasmatique de l’Indométacine
(chronopharmacocinétique)
µg/ml
d’indométacine
Ingestion à 7h
6
4
Ingestion à 19h ou 23h
2
T0
1
2
4
6
8 heures après ingestion de 100mg
Périodicité des sécrétions hormonales
Système hypothalamo-hypophysaire-gonades :
LHRH (gonadolibérine) contrôle FSH (folliculotropine) et
LH (lutéotropine) hypophysaire agit sur les gonades selon
une rythmicité mensuelle et circannuelle
au niveau hypothalamus rythmicité ultradienne de 90 min.
Système hypothalamo-hypophyso-thyroïdien : TRH
(thyrolibérine) stimule 2 fois plus TSH (thyrostimuline) si
injection à 23h au lieu de 11h
Effet différentiel de la Noradréaline dans hypothalamus:
Stimule l’appétit ou la satiété selon l’heure d’administration
hypothalamus
TRH (thyréolibérine ou RH de TSH
LHRH (gonadolibérine
RH de l’H. lutéïnisante
Voie sanguine
Hormone lutéïnisante
Stim. Cell. Intersticielles
Testicules (testostérone)
Follicules ovariens
Organes
(oestrogènes)
sexuels
Corps jaune (progestérone)
LH
FSH TSH
(thyrotropine)
Thyroïde
hypophyse
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Périodicité des processus vitaux et Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
Déterminisme de la rythmicité
Rythme nycthéméral ; Rythme circadien ; Rythme saisonnier
Nature endogène mais importance du rôle des synchroniseurs :
-variations de la lumière: jour/nuit ou saison
-variations thermiques
-variations sonores
-taux de salinité
-disponibilité de la nourriture
Les Biorythmes sont le produit de la sélection naturelle
Rythme circadien de l’excrétion urinaire
des 17 OH CS et de la température
Période d’isolement hors du temps
Acrophase
360° (24h)
270° (18h)
17-OH CS
T° rectale
180° (12h)
90° (6h)
0
17 déc.
11 mars
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
La rythmicité repose sur des mécanismes cellulaires impliquant la
structure génétique des organismes
Nombreuses preuves :
 variation du volume nucléaire et ses constituants selon un
rythme circadien.
 traitement enzymatique pour induire des modifications des taux
d’ARNm induit des modifications de l’amplitude des rythmes.
Les caractéristiques des rythmes font partie du patrimoine
héréditaire.
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
• L’expression d’un gène comporte 2 étapes :
transcription (copie des brins d’ADN en ARNm)
et traduction (synthèse d’une protéine).
• Pour qu’il y ait expression rythmique d’un gène, il
faut que le produit protéique du gène soit capable
d’inhiber la transcription de son propre gène
Des horloges moléculaires
ARNm
Transcription
Enhancer Box
Traduction
Gène
Protéine
Inhibition
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
• Au cours de la dernière décennie plusieurs gènes ont été
détectés chez divers organismes (drosophile, souris)
Chez la drosophile 5 gènes nécessaires aux boucles de régulations
circadiennes ont été identifiés.
-certains sont à activité rythmique :
period (per), timeless (tim), clock (clk).
-d’autres sont permanents :
cycle (cyc), double time (dbt)
Drosophile
5 gènes impliqués dans l’horloge moléculaire
Period
Timeless
Clock
(per)
(Tim)
(clk)
Exprimés de façon
rythmique
Cycle
(cyc)
Double-time (dbt)
clk
ARNm
per, tim
0
12
24 h
Cytoplasme
Noyau
PER
Per
PER TIM
Tim
PER TIM
TIM
Drosophile
PER TIM
E -Box
Per
CACGTG
CLK CYC
CLK CYC
Per Tim
Tim
Per
Tim
TIM
PER
CLKCYC
CLKCYC
Per Tim
PER
TIM
CYC
Clock
CLK
DBT
P
PER TIM
PER
Boucles de régulation de la transcription
des horloges circadiennes moléculaires
Chez la Drosophile
CLOCK & CYCLE
PERIOD &TIMELESS
Facteurs Positifs Transcription
+
Traduction
Gène(s) horloge(s)
-
Facteurs négatifs
Activité rythmique
Métabolisme
+
Gènes contrôlés
Cycle hormonaux
par horloge
Comportement
Locomotion
CLOCK & BMAL1
Chez les Mammifères
PER1 PER2 PER3
Mode d’action de la lumière
Chez la drosophile :
rôle de photorécepteurs contenant de la rhodopsine
Rôle de photorécepteurs cellulaires sensibles
à la lumière bleue les cryptochromes qui peuvent se
fixer directement sur TIM
Identification des gènes horloges
chez la souris
1°) Existence de 3 gènes homologues de per (per1 - per2 et per3) exprimés
dans le NSC de la souris ; ils possèdent une activité rythmique
entraînée par la lumière (pic entre 6 et 9 h)
 2°) Gènes cry1 à courte période et cry2 à longue période; les protéines
résultantes PER et CRY transloquées dans le noyau inhibent la transcription
 3°) Gène clock découvert d’abord chez la souris pas d’expression rythmique
mutation chez les homozygotes = allongement de l’activité locomotrice
 4°) Gènes BMal sans expression rythmique, produits combinés à CLOCK
= activation des gènes per
 5°) Hétérodimère CLOCK-BMAL active la transcription des 3 gènes per et
des 2 gènes cry
Possible action de la LU
CRY
Cry 1-2
+
PER1
Per1
-
Per2
Per3
PER - PER
PER
PER TIM
TIM
PER2
autres
PER3
+
Clock-BMal
-
Complexe
CCG
Clock Control Processes
Activité rythmique du NSC, neuropeptide,
rythmicité de l’organisme
Phosphorilation et
Dégradation
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
Localisation des horloges biologiques
Chez les organismes des structures fonctionnelles
intervenant dans la rythmicité ont été isolées
Chez les invertébrés :,
-processus neuroendocriniens impliquant le protocérébron ou le ganglion
sous-oesophagien chez la blatte, le grillon, les pupes du ver à soie,
-chez la drosophile le gène est exprimé dans le cerveau et les photorécepteurs,
mais aussi ailleurs (oscillateurs secondaires),
-chez l’aplysie (gastéropode marin) 2 organes sont impliqués dans le rythme
circadien d’activité locomotrice de l’animal, le ganglion abdominal et l’œil.
manteau
siphon
tentacules postérieurs
tête
.
queue
masse buccale ganglion buccal
nerf optique
pénis
pied
masse viscérale
oeil
tentacules antérieurs
Aplysia californica (10 cm)
ganglion pleural
oesophage
orifice génitale
ganglion abdominal
nerf branchial
ganglion branchial
ganglion génital
intestin
anus
anus
glandes digestives
branchies
siphon
Ganglion Abdominal
Vue Dorsale
queue
Manteau
Siphon
Tentacules
postérieurs
Tête
Queue
Pied
Masse viscérale
Oeil
Tentacules
antérieurs
Orifice génital
Branchies
Siphon
Anus
Queue
Masse buccale
Nerf optique
Ganglion buccal
Pénis
Ganglion pleural
Ganglion abdominal
Oesophage
Nerf branchial
Ganglion branchial
Ganglion génital
anus
intestin
Glandes digestives
Vue dorsale
Neurone R15 à l’origine de
l’activité circadienne
Ganglion Abdominal d’Aplysie
L’œil excisé d’aplysie
-survit plusieurs jours en culture en produisant des
bouffées de potentiels d’action dans le nerf
optique dont la fréquence varie selon une
périodicité circadienne.
-Implication de la distribution ionique et de la
synthèse des macromolécules dans la genèse de
cette activité
B
A
Niveau de variation du PM des Photorécepteurs
P.M. des Photorécepteurs
-55 mV
-65
12
HEURE
LOCALE
N. Optique Enregistrement extracellulaire
+10
-10
Nombre de potentiels d’action par heure
13
120
16
80
20
40
0
12
23
18
24
6
Temps (heure)
11
30 minutes
Activité dans le nerf optique de
l’œil excisé d’Aplysie
12
L’œil réduit d’aplysie
- Origine de l’oscillation circadienne.
- Les photorécepteurs eux-mêmes ne sont
pas impliqués.
- Cellules horloges = un groupe de cellules
(Basal Retinal Neurons, BRN) à la base de
la rétine.
A
Nombre de potentiels d’action par 1/2 heure
C
éclair lumineux
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
24
12
24
12
24
12
24
12
B
oeil intact
10mV
1 sec
oeil réduit
24
12
Temps (heure)
activité du nerf optique oeil intact
activité du nerf optique oeil réduit
rétine (300 Ph.)
50 à 70 cellules
à la base de l’oeil
nerf optique
éclair lumineux
Oeil réduit
L’œil d’aplysie : conclusions
• rythme circadien fréquence des potentiels d’action
est indépendant des photorécepteurs.
• Un pacemaker circadien est situé à la base de la
rétine (BRN) qui présentent une fluctuation de
leur PM (hyperpolarisation la nuit, dépolarisation
le jour.
• Les photorécepteurs ne sont pas obligatoires pour
enclencher les changements de phase provoqués
par la lumière.
Boucle de régulation de l’oscillateur
circadien chez l’Aplysie
Transcription
ADN
Traduction
ARN
Protéines
Facteurs cytoplasmiques ?
[Ca2]
gK
gCa2
Putative Oscillatory Proteins :
(POP)
Facteurs membranaires ?
Vm
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
La glande pinéale
-La glande pinéale est une structure cérébrale
sensible à la lumière.
-Selon les espèces le fonctionnement de la
glande pinéale est régulée de façon différente.
La glande pinéale
• Photorécepteurs directement sensibles à la lumière chez les
vertébrés inférieurs.
• La lumière  hyperpolarisation = réduction d’activité
• L’obscurité  dépolarisation = excitation avec libération d’un
neurotransmetteur et action sur un neurone de 2ème ordre qui
projette sur le cerveau
• Chez certaines espèces l’obscurité provoque en plus la
synthèse et la libération de mélatonine
Hyperpolarisation
photorécepteurs
modifiés
Dépolarisation
Lumière
Lumière
glande pinéale
crâne
toit optique
-
JOUR
NUIT
OSC
OSC
hémisphère
cérébral
Nat
Nat
POISSONS
AMPHIBIENS
MEL
MEL
Na
Na
MEL
MEL
capillaire
organe para-pinéal
La glande pinéale
Chez les oiseaux et les reptiles
-Les photorécepteurs sont profondément modifiés, mais
sont toujours directement sensibles à la lumière.
-Ils se terminent seulement sur des capillaires sanguins.
-Ils reçoivent une innervation sympathique (voie rétinohypothalamo-sympathique). Liaison de la NA avec des
récepteurs alpha2-adrénergiques
-Ils libèrent la mélatonine la nuit
Lumière
lumière
glande pinéale
crâne
photorécepteur
modifié
JOUR
NUIT
OSC
OSC
rétine
ganglion
cercical supérieur
-
hypothalamus
N. suprachiasmatiques
Projections rétino-hypothalamiques
-
+
Nat
Nat
Mel
Mel
?
AMPC
Na
Mel
capillaire
a2
terminaison de
fibre sympathique
Mel
OISEAUX
La glande Pinéale des Mammifères
- Les pinéalocytes ont perdu leur fonction photoréceptrice.
- Action de la lumière par la voie rétino-hypothalamique –
sympathique.
- Mécanismes différents de celui des oiseaux, liaison de la
noradrénaline avec des récepteurs ß adrénergiques
Pinéalocyte
JOUR
glande pinéale
NUIT
fibres
sympathiques
Lumière
+
rétine hypothalamus
ganglion
cervical supérieur
N. suprachiasmatique
+
Nat
Projections rétino-hypothalamique
Nat
AMPC
MEL
MEL
ATP
+
a1
terminaison de fibre
sympathique
MEL
MEL
capillaires
b1
RAT
Na
Pinéale et Mélatonine
Production rythmique et circadienne d’hormones de
la série des indol-amines : sérotonine et mélatonine
Mélatonine synthétisée la nuit à partir de la sérotonine
grâce à 2 enzymes :
Arylalkylamine N-acétyltransférase = AANAT
Hydroxy indol-O-méthyl transférase = HIOMT
TRYPTOPHANE
5
Tryptoph. hydroxylase 4
5-hydroxylation
6
3
1
7
2
8
CH2
CH
COOH
NH2
9
NH
OH
CH2
5-Hydroxytryptophane (5-HTP)
décarboxylation Tryptoph. décarboxylase
5-Hydroxytryptamine
SEROTONINE (5-HT)
OH
COOH
NH2
NH
(CH2) 2
Arylalkylamine
N-acétyltransférase
(AANAT)
C CH3
CH
Sérotonine
NH2
5HT
acétyl CoA
CoA
O
NAT
NH
OH
(CH2) 2
NH
N-acétyl-sérotonine
(acétyl tryptamine)
adénosyl méthionine
C
CH3
NA 5HT
O
NH
HIOMT
CH3
Hydroxy indol-O-méthyl transférase
(HIOMT) CH -O
3
adénosyl homocystéine
MELATONINE
(5-méthoxy-N-acétyl tryptamine)
(CH2) 2
NH
C
CH3
Mélatonine
X 10
O
NH
L
O
L
Production de mélatonine par les
pinéalocytes chez le poulet
La production de mélatonine est inhibée le jour par 2 voies:
- action directe sur les pinéalocytes
- action indirecte via la rétine et le NSC par la noradrénaline
libérée par les terminaisons sympathiques agissant par des
récepteurs adrénergiques alpha2
qui diminuent l’AMPc le jour  bas niveau de NAT
qui augmentent l’AMPc la nuit  haut niveau de NAT
Production de mélatonine par les
pinéalocytes chez le rat
La noradrénaline agit sur des récepteurs ß
adrénergiques pour stimuler la production d’AMPc.
L’AMPc active une protéine kinase qui phosphorile
une protéine CREB (cAMP Response element Binding protéin) :
un facteur de transcription activant l’expression des gènes per
Contrôle négatif par un répresseur de transcription
(inducible cAMP early repressor, ICER)
Production de mélatonine par les pinéalocytes
Sang
HIOMT
MELATONINE
cAMP Dependant
Protéin Kinase
N-acétylsérotonine
Synthèse
Protéique
NAT
Sérotonine
CREB
5HTP
AMPc
Terminaisons synaptiques
Protéine G
ATP
Récepteurs
b1 adrénergiques
Adénylate cyclase
Tryptophane
Sang
Photorécepteurs
Horloge
circadienne
Facteurs positifs
BMAL1/Clock
Obscurité
dépolarisation
Ca2+
cAMP
Lumière
hyperpolarisation
Ca2+
cAMP
CREB
ICER
E.Box
gène AA-NAT
- CRE
ARNm AA-NAT
AA-NAT activity
Mélatonine
Production rythmique
+
Protéolyse
Récepteurs à la mélatonine
• Dans le système nerveux central: hypothalamus et
NSC, rétine, thalamus, cervelet, hippocampe
hypophyse chez les vertébrés et l’humain
• Présence de récepteurs à la mélatonine dans
d’autres tissus:
– système cardiovasculaire
– systèmes cellulaires assurant les réponses immunes et
les réponses inflammatoires
Voies de signalisation intracellulaire activées par
les récepteurs à la mélatonine (MT1 & MT2)
MT1
• Activation de protéine Gi avec
diminution de la formation
– AMPc
– Protéine Kinase A
– Phosphorilation pCREB
• Conséquences:
– Augmentation des conductances
potassiques et du calcium
intracellulaire
– Diminution de l’activité cellulaire
MT2
• Inhibition de la formation de cAMP
et de cGMP
• Augmente les phosphoinositides
– Hydrolyse phosphoinositol biphosphate
(PIP2) par PLC  formation
• DAG et Protéine Kinase C (PKC)
• IP3 action dur libération Ca2+ du
réticulum endoplasmique
• Conséquences induit chgt de phase:
– Avance du pic circadien de décharge des
neurones du NSC
K+
K+
Mélatonine
Ca++
MT1
PLC
Kir
Gi Adenylyl
PIP2
DAG
Cyclase
ATP
cAMP
(Mg++)
IP3
(+)
r.endoplasmique
PKA
CCaVD
Canaux Ca ++
dépendant du voltage
Ca++
Kir
Canaux K+
rectification entrante
=inhibition de l’activité
CREB
P-CREB
BKCa
Canaux K+
activés par le Ca++
 post-hyperpol.
Voies de signalisation intracellulaire activées par
les récepteurs à la mélatonine (MT3)
• Les récepteurs MT3 dans cerveau et tissus périphériques
• Mode d’action : stimule l’hydrolyse des phosphoinositol
• Nature des récepteurs membranaires impliqués pas
encore clairement établi
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
III- Rythmes circannuels
Le noyau suprachiasmatique (NSC)
•
•
•
•
•
•
A) Preuves de l’implication du NSC dans la rythmicité
B) Localisation et caractéristiques histologiques
C) Neurotransmetteurs et Neuromodulateurs impliqués
D) Projections afférentes au NSC
E) Les voies de sortie du NSC
F) Mode de fonctionnement de l’oscillateur
suprachiasmatique
Le noyau suprachiasmatique
Chez les mammifères, la pinéale n’est plus
l’oscillateur circadien endogène
L’oscillateur circadien est situé dans
le noyau suprachiasmatique (NSC)
Les neurones du NSC sont de véritables cellules « horloge »
Des explants de NSC in vitro contiennent des neurones
dont l’activité rythmique (fréquence des potentiels d’action)
circadienne se maintient continuellement
Enregistrement de l’activité de potentiels d’action
d’un neurone du NSC en culture
Nbre de PA
jours
Le noyau suprachiasmatique
• Noyaux pairs situés dans l’hypothalamus
• Subdivisés en aires caudale et ventrale
• l’aire caudale plus grande
– Région dorso-médiane (dmNSC) GABA + AVP
(vasopressine)
– Région ventrolatérale GABA + VIP (vasoactive
intestinal peptide)
– Niveau des ARNm codant pour la GAD fluctue selon
un rythme circadien
Le noyau suprachiasmatique (NSC)
•
•
•
•
•
•
A) Preuves de l’implication du NSC dans la rythmicité
B) Localisation et caractéristiques histologiques
C) Neurotransmetteurs et Neuromodulateurs impliqués
D) Projections afférentes au NSC
E) Les voies de sortie du NSC
F) Mode de fonctionnement de l’oscillateur
suprachiasmatique
oeil
Innervation de la Glande Pinéale
chez les Mammifères
rétine
voie rétinohypothalamique
glande pinéale
ganglion cervical
supérieur
optique chiasma
n. suprachiasmatique
hypothalamus latéral
n. paraventriculaire
formation réticulée
Afférences vers le NSC
Hypothalamus
Lat. septum
BNST
Paraventriculaire Th.
N. Raphé
Corps Genouillé lat.
Dorsal
dmNSC
NSC
vINSC
Gaba
NPY
Glu
oeil
Nerf et tractus optiques
IGL
Ventral
Glu
Afférences au NSC
3 voies essentielles:
 voie rétino-hypothalamique (RHT), Glutamate + PACAP
(pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide)
projections venant de cellules ganglionnaires de la rétine
contenant un pigment spécifique, mélanopsine)
 du corps genouillé latéral (feuillet inter-géniculé,IGL)
Autres projections : hypothalamus, Septum Latéral, Bed Nucleus Strie Latérale
(BNSL) mais surtout des noyaux du raphé (sérotonine)
NSC
lumière
Neurone suprachiasmatique
Structures
visuelles
Ca2+
rétine
CP

C

B

B
CREB phosphorilation

B

Kinase activation
C




Glu
PACAP
Expression per1
H
Bi
A
Gg
Lu
Glutamate et PACAP sont libérés par la voie RHT
activent l’entrée de Ca2 + et l’expression de per1
Cellules ganglionnaires à mélanopsine
sensibles directement à la lumière
Les voies nerveuses de la rétine au NSC
• Une petite population de cellules ganglionnaires (type III
ou W cells) rétiniennes forme une voie de projection
spécifique vers le NSC où elles libèrent glutamate et
PACAP
– Réponse directe à la lumière
– Connectée aux cônes et bâtonnets par l’intermédiaire des cellules
bipolaires et amacrines (certaines avec cryptochromes)
• Glutamate et PACAP  informations lumineuses vers les
gènes per
• Activation expression per par pCREB
Projection des voies visuelle vers les neurones
horloges du noyau Supra chiasmatique
Neurone du Noyau Supra Chiasmatique
sous contrôle de la lumière
• La lumière est capturée par les cellules ggres rétiniennes
• Les terminaisons nerveuses RHT libèrent le glutamate (AA
excitateur, récepteurs NMDA et non NMDA) qui active
selon le moment (jour ou nuit) une voie de signalisation
calcique
• Celle-ci active la phosphorilation de la proteine CREB
(cAMP response element-binding protein)
• pCREB est supposée activer l’expression de per1 et per2
• PACAP (pituitary adenylate cyclase activationg peptide) et
substance P modulent l’action du glutamate
Neurone du Noyau Supra Chiasmatique
sous contrôle de la lumière (suite)
• L’activation de la transcription par pCREB = interaction
directe avec cAMP response element (CRE) situé sur la
région promotrice de chaque gène
• Activation possible indépendamment de CLOCK (C) et
BMAL1 (B)
• La voie de signalisation calcique intracellulaire comprend
des Protéines Kinases Ca++ /Calmoduline-dépendantes
(CaMK); MAP kinase, MAPK; PKA protéine kinase A;
PKC, protéine kinase C; PKG, protéine kinase G
Neurone du Noyau Supra Chiasmatique
sous contrôle de la lumière
Le noyau suprachiasmatique (NSC)
•
•
•
•
•
•
A) Preuves de l’implication du NSC dans la rythmicité
B) Localisation et caractéristiques histologiques
C) Neurotransmetteurs et Neuromodulateurs impliqués
D) Projections afférentes au NSC
E) Les voies de sortie du NSC
F) Mode de fonctionnement de l’oscillateur
suprachiasmatique
Efférences au NSC
Projections principales vers le noyau paraventriculaire (NPV) et
la zone sub-paraventriculaire (SPZ) origine de la voie descendante
vers la corne intermédio-latérale spinale puis gg cervical sup. et pinéale
Autres projections vers l’hypothalamus médian et dorso médian (DMH) et
thalamus paraventriculaire (PVT)
 Connexions commissurales entre les 2 NSC
 Projections vers la région préoptique et le septum latéral = influence
nombreuses fonctions
NPV
Efférences du NSC :
PVT
SPZ
Septum lat.
Aire
Préoptique
DMH
Corps Genouillé lat.
Dorsal
NSC
dmNSC
vlNSC
IGL
Medial
Hypothalamus
oeil
Nerf et tractus optiques
Ventral
Afférences vers le NSC
Hypothalamus
Lat. septum
BNST
Paraventriculaire Th.
N. Raphé
Corps Genouillé lat.
Dorsal
dmNSC
NSC
Gaba
NPY
vINSC
IGL
Ventral
Glu
Glu
oeil
Nerf et tractus optiques
NPV
Efférences du NSC :
PVT
SPZ
Septum lat.
Aire
Préoptique
DMH
Corps Genouillé lat.
Dorsal
NSC
dmNSC
vlNSC
IGL
Med.
Hypothalamus
oeil
Nerf et tractus optiques
Ventral
Les voies de sortie du NSC
Activité induite dans le Noyau Supra Chiasmatique est transmise à
de nombreuses structures réglant les diverses fonctions physiologiques.
Le NSC module la libération de mélatonine par la pinéale qui chez
les mammifères a perdu sa fonction rythmique.
Le NSC utilise le signal mélatonine pour envoyer une information
rythmique à toutes les structures cibles (SNC ou organes périphériques)
susceptibles de la lire, c.e. possédant des récepteurs à mélatonine.
En retour la mélatonine agit sur les neurones du NSC
Le noyau suprachiasmatique (NSC)
•
•
•
•
•
•
A) Preuves de l’implication du NSC dans la rythmicité
B) Localisation et caractéristiques histologiques
C) Neurotransmetteurs et Neuromodulateurs impliqués
D) Projections afférentes au NSC
E) Les voies de sortie du NSC
F) Mode de fonctionnement de l’oscillateur
suprachiasmatique
Le noyau supra chiasmatique et la
coordination des rythmes circadiens
• Chez les Mammifères le système temporel circadien est
organisé selon un mode hiérarchisé
• Il y a des oscillateurs circadiens secondaires dans d’autres
tissus avec des gènes identiques à ceux décrits dans le
NSC
• Les oscillateurs hors NSC sont des oscillateurs « esclave »
qui ne peuvent maintenir une rythmicité que peu de temps
Explant de noyau suprachiasmatique
Bioluminescence rythmique
par gène exprimant
luciférase dépendant
de per1 (rat transgénique)
jours
L’activité rythmique persiste des semaines
Le noyau suprachiasmatique
• Il organise et synchronise l’activité de
l’ensemble des oscillateurs « esclave »
• Ces derniers régulent à leur tour les rythmes
locaux
• La glande pinéale est devenu un oscillateur
« esclave » chez les Mammifères
• En retour la mélatonine contrôle l’activité
des neurones du NSC
Explants de cellules hépatiques en culture
Bioluminescence rythmique
par gène exprimant
Milieu changé luciférase dépendant
de per1 (rat transgénique)
jours
L’activité rythmique s’atténue et disparaît
Le changement de milieu = cellules toujours vivantes
LES RYTHMES BIOLOGIQUES
I- Propriétés et caractéristiques des rythmes
1°- Concept de structure temporelle des organismes et spectres des rythmes
2°- Définitions et méthodes d’analyse
3°- Organisation temporelle des processus métaboliques et physiologiques
4°- Importance pratique
5°- Déterminisme de la périodicité
6°- Les mécanismes cellulaires de la rythmicité
II- Localisation des horloges biologiques
1°- Chez les Invertébrés
2°- La glande pinéale des Vertébrés
3°- Le noyau supra-chiasmatique (NSC)
III- Rythmes circannuels
Rythme circannuel reproducteur
• Cycle endogène annuel en libre cours = 320 à 340 jours recalé
par la lumière solaire et le climat.
• Photo-gonado-stimulation à point de départ rétinien
• Coordination hypothalamique dans le noyau suprachiasmatique.
• Espèces de « jours longs » activation des gonades après le
solstice d’hiver
• Espèces de « jours courts » activation des gonades après le
solstice d’été ou l’équinoxe d’automne
Régulation de l’axe hypothalamohypohyso-gonades
• Mélatonine : rôle majeur dans modulation
des cycles de reproduction saisonniers
• Tissus cibles : hypothalamus et hypophyse
– Action sur GnRH (gonadolibérine) 
gonadostimulines hypophysaires (FSH) et
(LH) qui règlent l’activité des gonades
– Récepteurs à la mélatonine dans les gonades :
action sur progestérone
Rythme circannuel reproducteur
• Mélatonine adapte la fonction reproductrice à
la longueur du jour
• Détection des variations journalières de la
durée de lumière.
• La sécrétion nocturne de mélatonine en
agissant sur récepteurs MT1supprime
l’expression du gène per en inhibant la voie
de cAMP
Mécanismes d’action de la mélatonine
sur les rythmes saisonniers : 2 hypothèses
• 1°) Durée du signal mélatonine son augmentation
ou sa diminution produit inhibition ou stimulation
de la fonction reproductrice
• 2°) Nécessité de l’existence d’une coïncidence de
la photopériode avec un rythme endogène de
photosensibilité
Rythmes saisonniers : hypothèse
de la coïncidence
• Déclenchement de la réponse photopériodique
quand la concentration en mélatonine coïncide
avec la fenêtre de photosensibilité
• Cycle quotidien de photosensibilité mise en
évidence par un protocole de créneaux de
lumière de 4h (3h30 fixe et 30 min de lumière en
position temporelle variable
Jours Longs
Jours courts
Photosensibilité
G.7
G.1 G.2 G.3 G.4
G.8
G.6
G.10
G.9
G.5
G.5
G.4
G.7
G.6
G.1 G.2 G.3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
activité sexuelle
après un mois
d’expérience
G.8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
G.1
G.2
G.3
G.4
G.5
photosensibilité
G.9
G.10
G.6
G.7
G.8
G.9
G.10
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Rythme circannuel
• Espèces de jours longs: augmentation de la
durée du jour en coïncidence avec la phase
de photosensibilité = réactivation des
gonades.
• Espèces de jours courts: reprise d’activité
sexuelle en fin d’été ou à l’automne quand la
lumière qui est ici inhibitrice ne recouvre
plus la phase quotidienne de photosensibilité
épiphyse
MEL
hypothalamus
{
lumière
obscurité
N.P.V.
N.S.C.
nerf optique
hypophyse
rétine
REPRODUCTION
ganglion
cervical supérieur
Voies nerveuses et mécanismes neuroendocriniens impliqués
dans la photorégulation de la fonction de reproduction
moelle épinière
Rythme circannuel
• Espèces de jours longs
– ablation de la pinéale stimule
la reproduction (simule un
éclairement de longue durée)
– Injection de mélatonine =
jours courts
– Effet antigonade de la pinéale
et la mélatonine
• Espèces de jours courts
– Pinéalectomie inhibe la
reproduction (simule jours
longs)
– Injection de mélatonine a
un effet gonado-stimulant
– Exemple chez la brebis :
implants de mélatonine en
jour long pour avancer la
reproduction
lumière et autres facteurs environnementaux
NSC
nerf optique oeil
hypothalamus
cellule
neurosécrétrice
hormones hypothalamiques
antéhypophyse
Rétro-contrôle
hormones gonadotrophiques
Gonades
androgènes
oestrogènes
organes cibles
Lumière