Introduction aux rythmes biologiques

Introduction aux rythmes biologiques
Francis LEVI
INSERM E 0118 « Chronothérapeutique des Cancers»
Hôpital Paul Brousse, Villejuif, France
Rythmes
Biologiques
• Descriptif
• Neurosciences
• Biologie moléculaire
• Applications
médicales
Période
Acrophase
et I.C. à 95%
Unités arbitraires
100
75
Mésor
50
Double
amplitude
25
0
0
3
7
11
15
19
23
Temps (heures Après le Début de la Lumière)
Synchroniseur
Période
- circadienne (20 à 28 h)
- ultradienne (< 20 h)
- infradienne (> 28 h)
• circaseptaine
• cycle de fertilité (estral, ovarien)
• circannuelle
Rythmes biologiques
Période
• Rythmes neuronaux
0.01-10 s
• Rythmes cardiaques
1s
• Oscillations du calcium
• Oscillations biochimiques
• Cycle mitotique
• Rythme circadien
• Rythmes hormonaux
• Cycle ovarien
• Rythmes annuels
1 s - 30 mn
1-20 mn
10 min - 24 h
20 - 28 h
10 min - 3 h
28 jours
1 an
D’après A Goldbeter in : Biochemical oscillations and cellular rhythms. (1997)
Individu
Groupe (n = 8)
Température (°C)
Activité (unités )
Rythmes circadiens de température et d’activité
chez la Souris en LD 12:12
Jours
Rythme circadien des globules blancs circulants
10000
1200
8000
1000
900
6000
800
Leuco
4000
700
600
500
2000
GRAN
400
0
300
0
3
Souris B6D2F1
7
11
15
Temps (hADL)
19
23
Granulocytes (cell./mm3)
Leucocytes (cell./mm3)
1100
Rythme du cortisol et de la mélatonine plasmatiques
chez 18 patients cancéreux
0.3
600
[cortisol] (nM/l)
0.2
400
0.1
300
200
0
8
12
16
20
0
4
Temps (heures)
8
[mélatonine] (nM/l)
500
Cycle activité-repos
mesuré par actimétrie
Heures Après le Début de la Lumière (hADL)
Hours After Light Onset (HALO)
Zeitgeber Time (ZT)
Rat, Souris,
Hamster
LD 12:12
0
4
8
Repos
12
16
20
24
19
23
Activité
Humains
23
3
7
11
15
Heure locale
Synchronisation
Structure circadienne
Rythmes circadiens
• endogènes
• ubiquitaires
• horloge centrale (mammifères)
• gènes spécifiques
Rythmes endogènes chez la souris B6D2F1
DD (19 semaines)
Temperature (°C)
Activité (arb
units))
(arb.. units
LD 12:12
Jours)
Li et al. Am
Am.. J. Physiol
Physiol.. 2000
LD 12:12
LL
Température (°C)
Activité (unités )
Rythmes circadiens de température et d’activité
chez la Souris en LD 12:12 ou en LL
Jours
Endogénicité des ryhmes circadiens chez l’Homme
• Expériences d’isolement prolongé (> 300)
• Suppression des synchroniseurs (effet de masque)
- lumière tamisée constante
- alimentation contrôlée
- position
Noyau suprachiasmatique de souris
Modèle de souris avec lésion des NSC
Témoin
NSC(-)
Immunocoloration PHI
Cycle activité-repos et rythme thermique (souris témoin)
Activity (arb. un.)
A (mm )
τ = 24 h
20
10
0
5
Temperature (°C)
1
10
15
20
25
30
35
40
τ = 24 h
0.5
0
Time (days)
5
10
15
20
25
Harmonic
30
35
40
Activity (arb. un.)
Cycle activité-repos et rythme thermique (souris avec NSC détruit
5
Temperature (°C)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.2
0
0
Time (days)
5
10
15
20
25
Harmonic
30
35
40
Température péritonéale
Double-tracé
Analyse spectrale
τ = 24 h
1
A 0.5
mm
Témoin
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
40
45
50
mm
τ = 3.6 h
τ = 3.5 h
0.2
NSC (-)
A
mm
0
0
0
12
24
12
24
Heures après le début de la lumière
5
10
15
20
25
30
35
Cycle activité-repos
Drosophile
d-per
d-tim
Rongeurs
Souris
Rat Hamster
Homologues
d-clock
d-cyc
d-cry
tau
(ckIε )
m-clock
m-bmal-1
Autres
homologues
Clock
Poisson zèbré
Homologues
m-per1
m-per2
m-per3
m-tim
m-cry1
m-cry2
r-per1
r-per2
Per, tim,
clock,
bmal-1, cry
Homme
Rythme circadien de l’expression de
gènes dans les NSC
Schibler et coll., 1997
Réponse de phase à la lumière
Temps (heures)
Dunlap et al. Cell 1999, 96 : 271-290.
Décalage de phase des rythmes d’expression de Per1
dans les NSC et dans les tissus périphériques
ARNm Per1 dans les NSC
ZT2
ZT6
ZT10
ZT14
ZT18
ZT22
ZT2
ZT6
ZT10
ZT14
ZT18
ZT22
ARNm Per1 dans le foie
Balsalobre
Un choc sérique induit l’expression rythmique
de gènes dans des fibroblastes de rat en culture
5%
Pas de sérum
50% pendant 2 h à t0
Heures
Per1
Per2
Reverbα
TBP
Balsalobre et al., Cell 1997
Concepts, méthodes et acquis récents en chronobiologie
Horloge circadienne moléculaire
Eléments activateurs
CKI ε
E-box
Eléments inhibiteurs
Gènes de l’horloge
Per1, Per2, Per3, Cry1, Cry2, Tim,
Bmal1, Clock, Rev-erb, CKIε, Dec1, Dec2
Gènes contrôlés par l’horloge
~5-10% du génôme
Cycle activité-repos
Rythmes métaboliques
Rythmes du cycle cellulaire
Revue par Reppert S & Weaver D, NATURE | VOL 418 | 29 AUGUST 2002 |
INSERM E 0118 Chronothérapeutique des cancers
Analyse de l’expression des gènes du
rythme circadien par micropuces ADN
Modèle
Micropuce
Nombre de gènes
Référence
Arabidopsis
Affymetrix
GeneChip
8 200
Harmer et al., 2000
Science 290: 2110-2113.
Produits PCR/
Lames de verre
7 800
Schaffer et al., 2001
Plant Cell 13:113-123.
Drosophile
Affymetrix
GeneChip
13 600
Fibroblaste
de rat
Affymetrix
GeneChip
9 957
F Delaunay
Mc Donald & Rosbash, 2001
Cell 107: 567-578
Claridge-Chang et al., 2001
Neuron 32: 657-671
Grundschober et al., 2001
J Biol Chem 276: 46751-46758
Niveau relatif d’expression (%)
Expression circadienne in vitro
de gènes du cycle cellulaire
140
Cycline D3
100
60
CDK4
Ring3
20
0
8
16
24
32
40
48
Temps (h)
J Biol Chem 2001
F Delaunay
56
64
72
Classes fonctionnelles des transcrits cycliques
dans des fibroblastes de rat en culture
Custom Affymetrix arrays (Roche/incyte)
Signal transduction 8%
Others 6%
ESTs 24 %
Growth factors 1%
Structural/cytoskelton 2%
Chaperones/heat shock 3%
85 gènes
rythmés (> x 2)
Trafficking/translocation 7%
Cell cycle 8%
Unknown 11%
Channel/transporter 7%
Clock 2%
Enzymes 10%
J Biol Chem 2001
F Delaunay
Transcription 9%
Translation 2%
Quelques modèles de souris avec gène circadien muté
• clock
• per1
• per2
• per1 et per2
• bmal1
• cry1
• Rythme circadien amorti en LD 12:12 (cycle activité-repos)
• Période circadienne allongée, puis supprimée en DD
Expression de hClock et hTim dans la
muqueuse buccale humaine
1
hClock
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
08
12
16
20
00
04
hTim
08
Heure de prélèvement
Bjarnason et al., Am J Path 2000
12
16
20
00
04
Expression de hPer1 et hBmal1 dans la
muqueuse buccale humaine
1
1
hPer1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
08
12
16
20
00
04
hBmal1
08
12
16
20
00
04
Heure de prélèvement
ANOVA: F = 16.1, p < 0.001 ; Cosinor à 24 hr : p < 0.001
Maximum à 08:29 hr (I.C. à 95% : 07:16 à 09:40 hr)
Bjarnason et al., Am J Path 2000
ANOVA: F = 25.7, p < 0.001 ; Cosinor à 24 hr : p < 0.001
Maximum à 21:40 hr (I.C. à 95% : 21:00 à 22:20 hr)
Expression de hCry1
dans la muqueuse buccale humaine
1.00
0.80
0.60
0.40
ANOVA: F = 8.7, p = 0.0001
24 hr Cosine: p <0.001
High Point at 17:04 hr
(95% CI:15:35 to 18:35 hr)
0.20
0.00
08
12
16
20
00
Heure de prélèvement
04
ANOVA: F = 8.7, p < 0.001 ; Cosinor à 24 hr : p < 0.001 , maximum à 17:04 hr (I.C. à 95% : 15:35 à 18:35 hr)
Bjarnason et al., Am J Path 2000
Rythmes synchrones d’expression
de hPer1 et hBmal1
dans la muqueuse buccale et la peau humaines
Peau
Muqueuse
buccale
hper1
hBmal1
hper1
hBmal1
00
04
08
12
16
20
Heure de prélèvement
Bjarnason et al., Am J Path 2000
00
Gènes de l’horloge et cycle activité-repos chez l’Homme
polymorphisme
hClock
Préférence
diurne
polymorphisme
hPer3
Syndrome de retard à
l’endormissement
mutation
hPer2
Syndrome familial
d’avance de phase
du sommeil
Katzenberg et al.
Sleep 1998, 21, 569-76
Ebisawa et al.
EMBO Rep 2001, 21, 342-46
Toh et al.
Science 2001, 291 : 1040-43
Concepts, méthodes et acquis récents en chronobiologie
SNC, hormones,
peptides, mediateurs
Système
circadien
NPY NPV
TRH
Glutamate
NSC
NSC
Unités arb.
?
23
7
Temps (h)
23
Coordination
centrale
Mélatonine
Glucocorticoides
Schéma d’alimentation
Systèmes Σ & paraΣ
TGFα, EGF
Prokineticine
11
Epiphyse
Epiphyse
Métabolisme
7
Cycle activité-repos
Prolifération
Oscillateurs périphériques
Lévi, Lancet Oncol 2001 ; Mormont & Lévi, Cancer 2003, sous presse
INSERM E 0118 Chronothérapeutique des cancers
Synchronisation
Structure circadienne
Chronopharmacologie
Chronothérapeutique
Rythme circadien de tolérance aux anticancéreux
Pharmacologie
Thérapeutique
Structure circadienne
Synchronisation
Temperature (°C)
Same dose of cancer drug alters body temperature rhythm
pending upon time of administration
Injection
at “least” toxic time
Injection
at “most” toxic time
Day
Implications médicales et thérapeutiques
• Troubles du sommeil
• Psychiatrie (dépression)
• Pneumologie (asthme)
• Rhumatologie (arthrose)
• Cardiologie (HTA, infarctus)
• Cancérologie
Conclusions
• Rythmes des fonctions biologiques
• Horloges cellulaires et coordination centrale
• Implications pathologiques et thérapeutiques
• Nécessité d’intégrer un grand nombre de paramètres
d’où l’intérêt d’une modélisation