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Posté par Michel le Mardi 16/11/2010 à 12:00
Une horloge biologique à l'heure quel que soit l'éclairement
Comment les horloges biologiques peuvent-elles se synchroniser avec précision au cycle jour/nuit sans tenir compte des fluctuations extrêmes d'éclairement au cours d'une même journée et d'un jour à l'autre ? L'analyse mathématique des profils d'activité de deux gènes centraux de l'horloge biologique d'une algue (Les algues sont des êtres vivants capables de photosynthèse dont le cycle de vie se déroule généralement en milieu aquatique. Elles constituent une part très importante de la biodiversité, et une des...) verte microscopique vient d'être réalisée par des chercheurs de l'Observatoire océanologique de Banyuls, du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des lasers, atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...), molécules et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.). Cette étude révèle que l'horloge biologique n'est sensible à l'éclairement que si elle se trouve décalée et doit être remise à l'heure (L'heure est une unité de mesure  :). Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue PloS Computational Biology.

L'alternance jour/nuit induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) des variations périodiques de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) (lumière, température) que la plupart des organismes vivants, dont l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère...), anticipent grâce à une horloge interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...) dite circadienne. Ces horloges tournent sur une période proche des 24 heures que dure le cycle lumière/obscurité. Les rouages de ces horloges sont des gènes qui interagissent afin de moduler réciproquement leur activité: par exemple, un gène « A » produit des protéines qui activent un gène « B », qui produit à son tour des protéines qui quand elles sont actives, inactivent le gène « A », et ainsi de suite. L'activité de ces gènes oscille ainsi spontanément, avec une période proche des 24 heures. Dans la cellule, on peut ainsi avoir une indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) de l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire » employé...) qu'il est en mesurant la concentration de ces protéines et donc leur activité.

Pour que cette oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) biochimique soit calée sur le cycle jour/nuit, cela suppose que l'un des acteurs moléculaires, au moins, soit sensible à la lumière. Et ce d'autant plus que les moments clés que sont le lever du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...) et la tombée de la nuit varient tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long de l'année. Certaines protéines sont par exemple dégradées plus rapidement le soir, d'autres produites plus activement le matin. Or, l'éclairement solaire peut fluctuer fortement d'un jour à l'autre ou même dans une journée, en fonction de la couverture nuageuse. Ces variations devraient donc décaler l'horloge aléatoirement, la rendant inopérante… Une collaboration entre des biologistes et des physiciens vient de mettre en évidence un mécanisme simple qui résout ce mystère.


Evolution de la concentration des produits des deux gènes clefs de l'horloge biologique de l'algue marine
Ostreococcus tauri en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). On peut observer qu'ils s'autorégulent
(la concentration de l'un augmente quand celle de l'autre diminue)
et que leur concentration évolue en fonction de l'heure et selon un cycle de 24h.

Des chercheurs de l'Observatoire océanologique de Banyuls (CNRS/UPMC) ont analysé l'horloge biologique de l'algue verte unicellulaire Ostreococcus tauri (1) dont les propriétés principales peuvent être expliquées par un oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou pseudo-périodique s'il existe une dissipation d'énergie). Les...) à deux gènes. Ils ont mesuré l'activité de ces deux gènes et des protéines qu'ils produisent à intervalles réguliers (toutes les deux/trois heures) pendant 24 heures. Les chercheurs du Laboratoire de physique des lasers, atomes, molécules (CNRS/Université Lille 1) et de l'Institut de recherche interdisciplinaire (CNRS/Universités Lille 1 et 2) ont ensuite construit des modèles mathématiques pour essayer de reproduire les courbes d'activité obtenues. Le modèle le plus simple colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des pièces entre elles. Ces pièces peuvent être de...) parfaitement aux données: les deux gènes se régulent réciproquement et constituent un oscillateur qui se cale précisément sur le cycle d'éclairement, auquel il doit donc être sensible.

Mais paradoxalement, ce modèle mathématique n'est couplé que de manière exceptionnelle à la lumière: l'étude montre que le couplage à la lumière n'est activé qu'à certaines heures bien précises de la journée. En dehors de ces moments, la lumière n'a pas d'effet sur la synthèse et la dégradation des protéines mesurées, et donc sur leurs concentrations car l'information sur la luminosité ne parvient pas jusqu'à l'oscillateur. Mais ce n'est pas tout ! Le moment où le couplage est activé, tout au moins lorsque l'horloge est à l'heure, coïncide avec une période d'insensibilité de l'oscillateur aux perturbations externes. Ce dernier peut en effet être comparé à une balançoire qui est animée d'un mouvement périodique. En fonction du moment où l'on pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) cette balançoire, l'action peut soit ralentir le mouvement, soit l'accélérer, soit être sans aucun effet.

Grâce à ce minutage astucieux, l'horloge, lorsqu'elle est à l'heure, est aveugle au cycle jour/nuit, et donc aux fluctuations lumineuses liées à un épisode nuageux. En revanche, si l'horloge vient à se décaler (par exemple dans le cas d'un décalage horaire ou plus simplement par simple déréglage), le couplage à la lumière intervient dans une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) différente de l'oscillation, et peut alors agir sur l'oscillateur pour le remettre à l'heure. C'est donc un mécanisme dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé...) simple qui explique la robustesse observée dans les horloges biologiques.

Les chercheurs vont désormais voir si ces résultats peuvent s'appliquer à toutes les horloges biologiques, notamment chez l'homme, où une quinzaine de gènes sont impliqués. Les modèles existants ne prennent pas en compte la fluctuation de la luminosité au cours de la journée et d'un jour à l'autre. En les soumettant à de telles perturbations, les scientifiques pourront tester la robustesse de ces modèles.

Note:

(1) L'algue verte unicellulaire Ostreococcus tauri, découverte en 1994 dans l'étang de Thau, est le plus petit eucaryote connu et constitue un organisme « modèle ».



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Source: CNRS
Illustration: © Marc Lefranc