Introduction aux rythmes biologiques

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Véronique Bertrand
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1 Introduction aux rythmes biologiques Francis LEVI INSERM E 0118 «Chronothérapeutique des Cancers» Hôpital Paul Brousse, Villejuif, France

2 Rythmes Biologiques Descriptif Neurosciences Biologie moléculaire Applications médicales

3 Période 100 Acrophase et I.C. à 95% Unités arbitraires Double amplitude Mésor Temps (heures Après le Début de la Lumière) Synchroniseur

4 Période - circadienne (20 à 28 h) - ultradienne (< 20 h) - infradienne (> 28 h) circaseptaine cycle de fertilité (estral, ovarien) circannuelle

5 Rythmes biologiques Période Rythmes neuronaux s Rythmes cardiaques Oscillations du calcium 1 s 1 s - 30 mn Oscillations biochimiques 1-20 mn Cycle mitotique 10 min - 24 h Rythme circadien h Rythmes hormonaux Cycle ovarien Rythmes annuels 10 min - 3 h 28 jours 1 an D après A Goldbeter in : Biochemical oscillations and cellular rhythms.. (1997)

biochimiques 1-20 mn Cycle mitotique 10 min - 24 h Rythme circadien 20-28 h Rythmes

6 Rythmes circadiens de température et d activité chez la Souris en LD 12:12 Jours Température ( C) Activité (unités ) Individu Groupe (n = 8)

7 Rythme circadien des globules blancs circulants Leucocytes (cell./mm 3 ) Leuco GRAN Granulocytes (cell ( cell./mm 3 ) Souris B6D2F 1 Temps (hadl( hadl)

/mm 3 ) 8000 6000 4000 2000 Leuco GRAN 1000 900 800 700 600

8 Rythme du cortisol et de la mélatonine plasmatiques chez 18 patients cancéreux [cortisol] (nm/l) [mélatonine] (nm/l) Temps (heures)

9 Cycle activité-repos mesuré par actimétrie

10 Heures Après le Début de la Lumière (hadl) Hours After Light Onset (HALO) Zeitgeber Time (ZT) Rat, Souris, Hamster LD 12: Repos Activité Humains Heure locale

Rat, Souris, Hamster LD 12:12 0 4 8 12 16 20 24

11 Synchronisation Structure circadienne

12 Rythmes circadiens endogènes ubiquitaires horloge centrale (mammifères) gènes spécifiques

13 Rythmes endogènes chez la souris B6D2F 1 LD 12:12 DD (19 semaines) Activité (arb arb. units) Temperature ( C) Jours) Li et al. Am. J. Physiol. 2000

14 Rythmes circadiens de température et d activité chez la Souris en LD 12:12 ou en LL Jours Température ( C) Activité (unités ) LD 12:12 LL

15 Endogénicité des ryhmes circadiens chez l Homme Expériences d isolement prolongé (> 300) Suppression des synchroniseurs (effet de masque) - lumière tamisée constante - alimentation contrôlée - position

16 Noyau suprachiasmatique de souris

17 Modèle de souris avec lésion des NSC Témoin NSC(-) Immunocoloration PHI

18 Cycle activité-repos et rythme thermique (souris témoin) Temperature ( C) Activity (arb. un.) A (mm ) τ = 24 h τ = 24 h 0.5 Time (days( days) Harmonic

) A (mm ) τ = 24 h 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1

19 Cycle activité-repos et rythme thermique (souris avec NSC détruit Activity (arb. un.) Temperature ( C) Time (days( days) Harmonic

) 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Temperature ( C)

20 Température péritonéale Double-tracé Analyse spectrale 1 τ = 24 h Témoin A mm mm τ = 3.6 h τ = 3.5 h 0.2 NSC (-) A mm Heures après le début de la lumière

5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 mm τ = 3.6 h τ = 3.5 h 0.

21 Cycle activité-repos Drosophile Souris Rongeurs Rat Hamster Autres homologues d-per d-tim Homologues d-clock d-cyc d-cry m-clock m-bmal-1 m-per1 m-per2 m-per3 m-tim m-cry1 m-cry2 Homologues r-per1 r-per2 tau (ckiε ) Clock Poisson zèbré Per, tim, clock, bmal-1, cry Homme

22 Rythme circadien de l expression de gènes dans les NSC Schibler et coll., 1997

23 Réponse de phase à la lumière Temps (heures) Dunlap et al. Cell 1999, 96 :

24 Décalage de phase des rythmes d expression de Per1 dans les NSC et dans les tissus périphériques ZT2 ARNm Per1 dans les NSC ZT6 ZT10 ZT14 ZT18 ZT22 ZT2 ZT6 ZT10 ZT14 ZT18 ARNm Per1 dans le foie ZT22 Balsalobre

25 Balsalobre et al., Cell 1997 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

26 Concepts, méthodes et acquis récents en chronobiologie Horloge circadienne moléculaire Eléments activateurs E-box CKI ε 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 Eléments inhibiteurs Cycle activité-repos Rythmes métaboliques Rythmes du cycle cellulaire Revue par Reppert S & Weaver D, NATURE VOL AUGUST 2002 INSERM E 0118 Chronothérapeutique des cancers

27 Analyse de l expression des gènes du rythme circadien par micropuces ADN Modèle Micropuce Nombre de gènes Référence Arabidopsis Drosophile Fibroblaste de rat Affymetrix GeneChip Produits PCR/ Lames de verre Affymetrix GeneChip Affymetrix GeneChip Schaffer Harmer et al., 2000 Science 290: Schaffer et al., 2001 Plant Cell 13: Mc Donald & Mc Donald & Rosbash,, 2001 Cell 107: Claridge-Chang Chang et al., 2001 Neuron 32: Grundschober Grundschober et al., 2001 J Biol Chem 276: F Delaunay

28 (%) Niveau relatif d expression Expression circadienne in vitro de gènes du cycle cellulaire Temps (h) Cycline D3 CDK4 Ring3 J Biol Chem 2001 F Delaunay

29 Classes fonctionnelles des transcrits cycliques dans des fibroblastes de rat en culture Custom Affymetrix arrays (Roche/ (Roche/incyte) Signal transduction 8% Others 6% Growth factors 1% Structural/cytoskelton 2% Chaperones/heat shock 3% Trafficking/translocation 7% ESTs 24 % 85 gènes rythmés (> x 2) Cell cycle 8% Unknown 11% Channel/transporter 7% Enzymes 10% Clock 2% Transcription 9% J Biol Chem 2001 F Delaunay Translation 2%

30 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

31 Bjarnason et al., Am J Path 2000 Expression de hclock et htim dans la muqueuse buccale humaine 1 hclock 1 htim Heure de prélèvement

32 Bjarnason et al., Am J Path 2000 Expression de hper1 et hbmal1 dans la muqueuse buccale humaine hper hbmal Heure de prélèvement ANOVA: F = 16.1, p < ; Cosinor à 24 hr : p < Maximum à 08:29 hr (I.C. à 95% : 07:16 à 09:40 hr) ANOVA: F = 25.7, p < ; Cosinor à 24 hr : p < Maximum à 21:40 hr (I.C. à 95% : 21:00 à 22:20 hr)

33 Expression de hcry1 dans la muqueuse buccale humaine ANOVA: F = 8.7, p = hr Cosine: p <0.001 High Point at 17:04 hr (95% CI:15:35 to 18:35 hr) Heure de prélèvement ANOVA: F = 8.7, p < ; 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

34 Rythmes synchrones d expression de hper1 et hbmal1 dans la muqueuse buccale et la peau humaines Peau Muqueuse buccale hper1 hbmal1 hper1 hbmal Heure de prélèvement Bjarnason et al., Am J Path 2000

35 Gènes de l horloge et cycle activité-repos chez l Homme polymorphisme hclock Préférence diurne Katzenberg et al. Sleep 1998, 21, polymorphisme hper3 mutation hper2 Syndrome de retard à l endormissement Syndrome familial d avance de phase du sommeil Ebisawa et al. EMBO Rep 2001, 21, Toh et al. Science 2001, 291 :

36 Concepts, méthodes et acquis récents en chronobiologie Système SNC, hormones, peptides, mediateurs Epiphyse circadien TRH Glutamate NPY NPV NSC Mélatonine Coordination centrale TGFα,, EGF Prokineticine Glucocorticoides Schéma d alimentation Systèmes Σ & paraσ Unités arb Temps (h) Cycle activité-repos Lévi, Lancet Oncol 2001 ; Mormont & Lévi, Cancer 2003, sous presse? Métabolisme Prolifération Oscillateurs périphériques INSERM E 0118 Chronothérapeutique des cancers

37 Synchronisation Structure circadienne Chronopharmacologie Chronothérapeutique

38 Rythme circadien de tolérance aux anticancéreux

39 Pharmacologie Thérapeutique Structure circadienne Synchronisation

40 Same dose of cancer drug alters body temperature rhythm pending upon time of administration Temperature ( C) Injection at least toxic time Injection at most toxic time Day

41 Implications médicales et thérapeutiques Troubles du sommeil Psychiatrie (dépression) Pneumologie (asthme) Rhumatologie (arthrose) Cardiologie (HTA, infarctus) Cancérologie

42 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

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