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L’Encéphale (2009) Supplément 2, S53–S57
j o u r n a l h o m e p a g e : w w w. e m - c o n s u l t e . c o m / p r o d u i t / e n c e p
Biologie et génétique des rythmes circadiens
F. Bellivier
Pôle de Psychiatrie, CHU de Créteil, Hôpital Henri Mondor, Université Paris 12
MOTS CLÉS
Rythmes circadiens ;
Gènes circadiens ;
Anomalies des
rythmes circadiens
KEYWORDS
Circadian rhythms ;
Circadian genes ;
Circadian rhythm
abnormalities
Résumé La connaissance des mécanismes moléculaires des horloges biologiques connaît un essor
exponentiel ces dernières décennies. Ceci permet de guider le choix des gènes étudiés pour expliquer les
variations inter-individuelles observées dans les rythmes circadiens. Ainsi, l’analyse de gènes circadiens
connaît, ces dernières années un développement important dans l’étude des rythmes circadiens
pathologiques chez l’homme. Ces données, associées aux données obtenues dans l’étude de souris
invalidées pour des gènes circadiens, permettent de démontrer le rôle de facteurs génétiques dans les
rythmes circadiens. Une synthèse de ces données est présentée dans cette revue de la littérature. Audelà de la compréhension du fonctionnement de ces horloges biologiques, ces connaissances seront très
utiles pour l’analyse des facteurs génétiques impliqués dans les entités morbides comprenant des
anomalies des rythmes circadiens.
Abstract In recent decades our knowledge of the molecular mechanisms of biological clocks has grown
expontentially. This has helped to guide the choice of genes studied to explain inter-individual variations
seen in circadian rhythms. In recent years analysis of circadian rhythms has advanced considerably into the
study of pathological circadian rhythms in human beings. These findings, combined with those obtained
from studying mice whose circadian genes have been rendered incapable, have revealed the role of genetic
factors in circadian rhythms. This literature review presents an overview of these findings. Beyond our
understanding of the functioning of these biological clocks, this knowledge will be extremely useful to
analyse genetic factors involved in morbid conditions involving circadian rhythm abnormalities.
Les rythmes physiologiques circadiens sont le témoin d’une
adaptation de l’homme à son milieu. À ce titre, les mécanismes de ces rythmes résultent d’un héritage phylogénétique très ancien puisqu’on retrouve les traces de ces rythmes
biologiques chez les invertébrés. Chez un individu donné,
l’environnement joue un rôle important dans la mise en
place des horloges biologiques au cours du développement,
* Auteur correspondant.
E-mail : [email protected]
Conflits d’intérêts : none.
© L’Encéphale, Paris, 2009. Tous droits réservés.
et chez l’adulte (une fois ces horloges mises en place), les
facteurs environnementaux jouent un rôle dans le maintien
de la synchronisation sur une période de 24 h. On sait
encore peu de chose sur le rôle des gènes dans la mise en
place des rythmes circadiens au cours du développement
mais le corpus de données qui démontrent le rôle de certains gènes dans les rythmes circadiens chez l’adulte est en
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F. Bellivier
plein développement. En effet, le rôle des différents
acteurs moléculaire au niveau cellulaire, de ces horloges
est de mieux en mieux connu. Ainsi les études animales, en
particulier chez des souris invalidées pour des gènes circadiens, ont permis d’illustrer très clairement le rôle de certains gènes dans le fonctionnement de ces horloges
moléculaires. Enfin, chez l’homme, des mutations de gènes
circadiens ont été identifiées chez des sujets présentant un
chronotype pathologique. Au total, les rythmes circadiens
sont très biologiquement inscrits ; à ce titre, les gènes
exercent un contrôle important sur le fonctionnement des
rythmes circadiens. Dans cet article, nous passerons
d’abord en revue les différents acteurs moléculaires des
horloges circadiennes, afin d’illustrer les multiples sites
possibles de régulation des rythmes circadiens. Nous décrirons ensuite les données obtenues chez l’animal puis chez
l’homme, qui illustrent le rôle des gènes dans ces horloges
circadiennes.
Dans cette revue, nous entendrons par « rythmes circadiens », l’ensemble des processus physiologiques rythmiques ayant une période d’environ 24 h.
L’horloge moléculaire des mammifères
L’étude du fonctionnement moléculaire de ces horloges circadienne, fait apparaître l’intervention de nombreuses
protéines impliquées dans des boucles régulatrices de l’expression de nombreux gènes faisant intervenir donc des
transferts noyau → cytoplasme et cytoplasme → noyau.
Ceci fait apparaître un nombre de lieux de régulations
potentielles extrêmement importants : au niveau des protéines elles-mêmes, de leur site d’action, de la production
d’ARN messagers, des sites de transfert des ARN messagers
vers le cytoplasme, de leur traduction en protéine, des
sites de transfert des protéines vers le noyau, etc.
L’horloge repose sur deux gènes clés codant pour deux
protéines essentielles (Bmal1 et Clock), qui, en se dimérisant, ont la capacité de fixer des séquences spécifiques
d’ADN (E-box) et d’activer la transcription d’une grande
variété de gènes. Parmi ces gènes, ceux codant pour les
protéines Per et Cry, en rentrant dans le noyau, exercent un
rétrocontrôle négatif sur l’action activatrice de la transcription du dimère Bmal1-Clock. Outre ce rétrocontrôle inhibiteur, il existe d’autres boucles de rétro-contrôle négatif,
avec la fixation de récepteurs nucléaires.
Cette horloge contrôle l’expression d’une grande
variété d’autres gènes, dits « Clock Controlled Genes »,
dont les protéines effectrices ont de multiples fonctions
centrales et périphériques ; l’horloge centrale génère ainsi
des rythmes métaboliques dans nombreux domaines du
cycle cellulaire, ainsi que dans le fonctionnement de nombreux organes périphériques (foie, cœur, muscle squelettique, os, tissu adipeux…) (Fig. 1).
Le caractère rythmique de ces métabolismes, centraux
et périphériques, est également illustré par la production
rythmique d’ARN messagers de ces gènes circadiens, par
exemple au niveau du système nerveux central, mais également au niveau périphérique. Il s’agit donc bien d’une
oscillation métabolique centrale et périphérique.
L’horloge biologique la mieux connue est celle des
noyaux supra-chiasmatiques de l’hypothalamus. Il en existe
toutefois de nombreuses autres, comme celles des noyaux
para-ventriculaires, de la glande pinéale, du bulbe olfactif,
et de divers organes périphériques.
Feedback négatif
Cycle cellulaire
Per
Apoptose
Cry
E-boxes
Clock
Controlled
Genes
Rev-Erba
Bmal1
Angiogénèse
RORE
Clock
Activation
Metabolic rhythms
Nucleus
Cytoplasm
Figure 1 L’horloge moléculaire des mammifères [6].
Expression
de CCGs
Biologie et génétique des rythmes circadiens
S55
Cytoplasm
Nucleus
RORα REV-ERBβ
RORα
RRE
Bmal1
BMAL1
REV-ERBβ
CLOCK
E-box
Rorα
E-box
REV-erbα
CK1 ε/δ
De nombreux autres partenaires :
HOMOLOGUES : NPAS2/BMAL2
RÉCÉPTEURS NUCLEAIRES
REV-ERBα et REV-ERBβ
TIMELESS
DEC1 et DEC2
PERs
BMAL1
E-box
Per1/Per2
E-box
Cry1/Cry2
CRYs
CLOCK
PER
CRY
CK1 ε/δ
E-box
BMAL1
Clock output/
Rhythmic Biological Processes
Ccg
CLOCK
Takahashi, 2006
Figure 2 Horloge circadienne dans le SNC [17].
L’architecture globale de fonctionnement de cette horloge accorde un rôle central au noyau supra-chiasmatique,
qui exerce son influence sur les horloges accessoires du SNC
et sur les horloges périphériques, principalement en en
assurant la régularité et de la synchronisation.
Ces horloges sont également sous l’influence de facteurs
environnementaux : la lumière, l’alimentation, la température. Ces stimuli jouent également un rôle dans la régularité et la synchronisation sur une phase de 24 heures.
On dispose donc d’un schéma aujourd’hui admis du
fonctionnement de l’horloge circadienne au sein du système nerveux central (Fig. 2).
Les nouveaux acteurs de la régulation
circadienne
L’horloge circadienne telle que décrite dans le schéma précédent est très stable sur le plan phylogénétique, comme
le montre le degré élevé d’homologie entre les gènes circadiens de l’homme et des vertébrés inférieurs. Il existe
même des similitudes pour certains gènes avec ceux du
nématode. Il apparaît donc peu probable que s’opèrent sur
ces acteurs principaux de l’horloge des variations génétiques qui contribueraient à expliquer les variations phénotypiques des rythmes circadiens chez l’homme. En revanche,
d’autres gènes, au rôle moins central, pourraient être des
candidats à des variations génétiques contribuant à expliquer des variations du chronotype.
Parmi ces autres gènes, les gènes homologues ont été
bien étudiés durant les dernières années, par exemple le
gène codant pour la protéine NPAS2 : il s’agit d’une protéine
d’action similaire à Clock, capable également de dimériser
avec la protéine Bmal1. La compétition qui s’opère entre
NPAS2 et Clock pour dimériser avec Bmal1 pourrait être un
premier site de régulation chronobiologique.
Autre homologie intéressante : le complexe NPAS2Bmal1 subit le même rétrocontrôle négatif de son action
par le dimère Per-Cry que le complexe Clock-Bmal1, mais
ces rétrocontrôles pourraient différer légèrement, ce qui
sous-tendrait des régulations ou des variations de fonctionnement de l’horloge.
Un autre homologue est le Bmal2, capable également
de dimériser avec Clock, les rétrocontrôles négatifs légèrement différents pour Clock-Bmal1 et Clock-Bmal2 pouvant
également entrer en jeu dans les régulations de l’horloge
biologique.
Ces diverses redondances moléculaires (les homologues)
joueraient un rôle dans les réglages fins de l’horloge, et
pourraient également être impliquées dans les variations
inter-tissulaires des fonctionnements de l’horloge. Par
S56
exemple, NPAS2 n’est pas exprimé dans le noyau suprachiasmatique, Bmal2 ne l’est que très peu, alors que les
deux sont exprimés largement au niveau périphérique.
D’autres gènes candidats pour des variations génétiques
contribuant à des modifications des phénotypes circadiens
sont les récepteurs nucléaires, comme par exemple les
gènes Rev-erb α et Rev-erb β. Ces deux récepteurs nucléaires sont principalement impliqués dans les fluctuations de
l’expression de Bmal1, eux-mêmes sous la dépendance de
l’activation du dimère Clock-Bmal1 : ceci jouerait un rôle
important dans la synchronisation par la lumière.
Le gène de la protéine Timeless est également un acteur
probablement important, cette protéine régulant la réentrée du dimère Per-Cry dans le noyau, et pouvant être le
siège de modifications de l’horloge en fonction de variations génétiques traductionnelles ou transcriptionnelles.
DEC1 et DEC2 sont deux autres partenaires sans doute
importants : ils subissent une expression rythmique dans le
noyau suprachiasmatique et font donc partie, à ce titre,
des gènes contrôlés par l’horloge. Les protéines DEC1 et
DEC2 ont un effet de type Per-Cry, exerçant un rétrocontrôle de même type mais sans doute légèrement différent. D’autre part, elles peuvent dimériser avec Bmal1,
réalisant des dimères qui n’ont pas cette action activatrice
de la transcription, entrant donc en compétition avec la
protéine Clock.
Au total, la mécanique moléculaire de régulation de
l’horloge biologique est donc extrêmement complexe, du
fait du nombre d’acteurs qui peuvent être le siège de variations génétiques, mais également du fait des mécanismes
mis en jeu : exportation des ARN-m du noyau vers le cytoplasme, demi-vie des ARN-m, ré-entrée des protéines dans
le noyau pour exercer leurs actions moléculaires. Il en
résulte un nombre très élevé de gènes-candidats pour la
régulation des rythmes circadiens. Ces données sont
détaillées dans un article de synthèse récent [3].
Une autre manière d’argumenter l’influence de la génétique sur les rythmes circadiens est d’envisager l’analyse
des rythmes circadiens d’animaux invalidés pour certains
de ces gènes (souris knock-out), domaine dans lequel il
existe une littérature importante [17].
Analyse génétique d’anomalies
circadiennes chez l’homme
Trois grands syndromes de rythmes circadiens anormaux
ont été étudiés chez l’homme d’un point de vue génétique : la matinalité/vespéralité, le syndrome de retard de
phase et le syndrome d’avance de phase.
La matinalité/vespéralité
Il existe désormais des données consistantes concernant
l’existence d’une association entre l’allèle C du polymorphisme T3111 du gène Clock et la vespéralité, avec deux
études positives [8, 11], et une étude négative [14]. Dans
la mesure où ce polymorphisme est non fonctionnel, si
cette association existe, elle serait le reflet d’un déséquili-
F. Bellivier
bre de liaison entre ce polymorphisme et un variant fonctionnel aujourd’hui inconnu. Par ailleurs, une autre
difficulté dans l’interprétation de cette association entre
Clock et vespéralité est liée au fait qu’une étude a montré
une association entre ce même polymorphisme et le syndrome de retard de phase.
D’autres travaux ont mis en évidence une association
avec le polymorphisme C111G du gène Per2 [2, 15]. Une
association a également été mise en évidence avec un polymorphisme fonctionnel 647 Val/Gly du gène Per3 [1, 7],
mais ce polymorphisme a également été retrouvé en association avec le syndrome de retard de phase.
Enfin, le phénotype matinalité/vespéralité a également
été étudié avec un polymorphisme de Per1 [9] et de
Timeless [12].
Syndrome de retard de phase
Une association a été mise en évidence entre le syndrome
de retard de phase, qui est un syndrome familial, et le
polymorphisme 647 Val/Gly du gène Per3 [4]. Ce résultat
apparaît cohérent avec le phénotype de la souris KO pour
ce gène [16]. On peut noter que ce changement d’acide
aminé en position 647 modifie un site d’action de la caséine
kinase 1 (CK1ε) inactivatrice de Per3.
D’autres polymorphismes de ce gène Per3 ont été testés
avec des résultats contradictoires [1, 4, 13].
Les polymorphismes du gène codant pour la caséine
kinase CK1ε ont également fait l’objet de nombreuses études, avec une mutation non sens protectrice, associée à
une activité enzymatique augmentée, potentialisant l’inactivation de Per3 qui conduit au retard de phase (deux études positives : in [10,18]).
Cela amène plusieurs auteurs à conclure que la phosphorylation de Per3 par CK1ε jouerait un rôle important
dans l’ajustement aux rythmes jour/nuit [5].
Syndrome d’avance de phase
Le syndrome d’avance de phase est un autre phénotype
circadien pathologique héritable. Il semble plus rare que le
syndrome de retard de phase, et moins bien reconnu car
moins invalidant sur le plan social.
On retrouve dans ce syndrome un polymorphisme fonctionnel (mutation Ser662Gly) du gène Per2 [19]. Ce changement d’acide aminé en position 662 abolit un site de
phosphorylation de Per2 par la CK1δ.
Une mutation Tyr44Ala du gène de la caséine kinase
CK1δ est associée à une activité enzymatique réduite [20],
mais cette mutation produit des phénotypes inverses chez
la souris et la drosophile. Ceci est à rapprocher du fait que
la drosophile est active le jour alors que la souris est un
animal nocturne. Ainsi, bien que les acteurs de l’horloge
soient très conservés entre les espèces, leur contribution
fonctionnelle peut donc varier d’une espèce à l’autre, probablement en fonction d’autres facteurs.
La synthèse des données génétiques sur ces chronotypes
pathologiques semble accorder une importance particulière
Biologie et génétique des rythmes circadiens
aux facteurs de régulation mettant en jeu les protéines Per
ainsi que les protéines impliquées dans la phosphorylation
de ces protéines, ce qui en ferait un mécanisme central des
modifications des phénotypes circadiens.
Conclusions
Le fonctionnement de l’horloge est très biologiquement
déterminé, ce qui n’exclut pas le rôle de certains facteurs
environnementaux. La connaissance des facteurs qui la
composent et qui influencent son fonctionnement sera
déterminante pour mieux comprendre les grandes fonctions
dans lesquelles les rythmes circadiens sont impliqués :
régénération tissulaire, cycles veille/sommeil, métabolismes (os, graisse, rein, cœur, cycles hormonaux…), troubles
de l’humeur. Les variations au sein des gènes circadiens
(Clock genes et Clock controlled genes) sont susceptibles
de jouer un rôle très important dans ces différentes grandes fonctions physiologiques.
Les mécanismes biologiques de l’horloge sont très
conservés au cours du développement des espèces. Ceci
offre de nombreuses possibilités d’études animales et
d’études in vitro des variations qui seront trouvées chez
l’homme associées à des phénotypes d’intérêt. Mais ces
variations porteront sans doute sur des gènes codant pour
des protéines de régulations des protéines de l’horloge (par
exemple CK1δ/ε) plutôt que sur les acteurs fondamentaux
eux-mêmes.
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