L’horloge circadienneaspects physiologiques et génétiques

DIU sommeil 2007-2008Bruno Claustrat

Service d’HormonologieCentre de Médecine Nucléaire

Hospices Civils de Lyon

CLASSIFICATION DES RYTHMES BIOLOGIQUES

- Rythmes de haute fréquence τ < 30 min(cardiaques, respiratoires, électroencéphalographiques,……)

-Rythmes de moyenne fréquence 30 min < τ < 2,5 jours- ultradiens 30 min < τ < 20 heures- circadiens 20 heures < τ < 28 heures (conditions de free-running)- infradiens 28 heures < τ < 2,5 jours

- Rythmes de basse fréquence τ > 2,5 jours-circaseptidiens τ ≈ 7 jours-circatrigintidiens τ ≈ 30 jours-circanniensτ ≈ 1 an

Ý nycthéméral (conditions de synchronisation)Ý saisonnier

PROPRIETES DES RYTHMES BIOLOGIQUES

1) les rythmes persistent dans des conditions constantes= origine endogène - preuve génétiquecontrôle par une horloge (rythmes circadiens)

2) les rythmes sont entraînablessous l'effet des synchroniseurs (alternance lumière-obscurité)facilite l'adaptation à l'environnement

3) les rythmes sont organisés les uns par rapport aux autrescohérence physiologiquesynchronisation interne = relation de phase

Rythme activité-repos (double échelle de 24h)

Le rythme activité-reposdevient circadien en

l’absence de synchroniseur

En l’absence de synchroniseur, la période prend une valeur circadienne

L’apparition d’une deuxième période suggère l’existence d’une deuxième horloge

From Sack et al. JCEM. 1992, 75 , 127-134.

Plasma melatonin and cortisol rhythms in free-run blind people

La période circadienne (τ) moyennechez l’homme est ≈ 24.2 h

25.00

24.75

24.50

24.25

24.00

23.75

23.50

23.25

23.00

22.75

valeur observée chez les aveuglesen libre-cours(Robilliard et al, 2002)

période de mélatonine, température et cortisol chez l’homme (protocole de desynchronisation forcée) (Czeisler et al, 1999)

Distribution de la période circadienne chez l’homme en condition de free-running(Czeisler et al, 1999)

Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne

• -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971)• -expériences de lésion des SCN• abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979)• perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977)• -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in

vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977)• -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la

rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990)• -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un

raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988)

• -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

Photoréception Circadienne(C.Gronfier INSERM U371)

2 classes de photorécepteurs-cônes et bâtonnets-cellules ganglionnaires

Système circadien:voies nerveuses

Hofman et al Brain Research 1996 722 (78-82)

Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne

• -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971)• -expériences de lésion des SCN• abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979)• perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977)• -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in

vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977)• -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la

rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990)• -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un

raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988)

• -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

Variations circadiennes d’activité neuronaleM. Gilette Brain Res 1986

Mutation τau chez le hamster (Ralph et Menaker , Science 1988,241:1225-7activité chez le type sauvage, l’hétérozygote et l’homozygote

Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne

• -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971)• -expériences de lésion des SCN• abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979)• perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977)• -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in

vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977)• -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la

rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990)• -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un

raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988)

• -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

The circadian system in humans

From Claustrat et al. Restorative Neurology 1998, 12, 151-157.

Les marqueurs de l’activité de l’horloge circadienne chez l’homme

-actimétrie-questionnaire de Horne et Ostberg-mélatonine-cortisol-température

Plasma melatonin rhythm is a marker of circadian clock

Comment explorer la sécrétion de mélatonine (et de cortisol)

• La détermination du profil plasmatique de mélatonine constitue le résultat le plus précis.(Prélèvement horaire sur 24h nécessaire)

• Les dosages de l’aMT6s pratiqués sur les urines fractionnées (tranches de 4h) recueillies en ambulatoire permettent un premier screening.(Les prélèvements nécessitent de réveiller le sujet)

• Les dosages de mélatonine dans la salive sont particulièrement indiqués chez les sujets jeunes et pour les études de physiologie sur le terrain . Ils sont difficiles à mettre en œuvre chez le sujet âgé en raison des faibles concentrations de mélatonine.(Les prélèvements nécessitent de réveiller le sujet)

Rythme nycthéméral de température

L’entraînement de l’horloge par l’alternance lumière-obscurité obéit à une courbe de réponse de phase

A human phase-response curve to lightMinors et al Neuroscience letters 1991 133 36-40

Noyau Cytoplasme

+

- PER

PER 3

PER 2

PER 1

PER

CRY

CRY 1

CRY 2

CRY

PERPPP

PER 2

Clock

Bmal1

mCry2

mCry1

mPer1

mPer3

mPer2

CCG

CKIε

CKIε

CCG

Voies de sortie de l’horloge

CLOCK BMAL1

Rev-erb αREV-ERB α

-?

Modèle moléculaire de l’horloge circadienne

D’après N. Cermakian et P. Sassone-Corsi. Médecine/Sciences 2000 ; 16 : 504-12

?+

Noyau

Cytoplasme

Gènescontrôlés

par l’horloge

BMAL1

Clock

Clock

Bmal1

E-Box Per1-3

Cry1-2

Dec1-2

Rev-erb α

?+-

E-Box

Boucle activatrice

Boucle inhibitrice

Bases moléculaires des oscillations circadiennes dans les NSC des mammifères (d’après Challet et al., 2003)

Clock BMAL1

-

-

-

+

Clock BMAL1

+

+ClockBMAL1

Sortie :RythmesbiologiquesEx : AVP

REV-ERBα

DECs

CRYs PERs

PER2

PER2

CRYs

CRYs PERs PP

●● PP

CKs

P

P●

P●

CKs

P●

•Tau est plus court de 0.5 h chez Per3(-/-)•(Shearman et al, Mol Cell Biol 2000, 20:6269-75)

La souris knockout pour Per(s)

• Per1/Per3 ou Per2/Per3 (-/-) maintiennent encore des rythmesen free-running tandis quePer1/Per2(-/-) sont arythmiques(Bae et al, Neuron, 2001,30:525-36)

Troubles du rythme circadien du sommeil

1. Syndrome de franchissement rapide de fuseau horaire (jet lag)

2. Trouble du sommeil en rapport avec le travail posté

3. Irrégularité du sommeil et de la veille

4. Syndrome de retard de phase du sommeil

5. Syndrome d’avance de phase du sommeil

6. Syndrome hypernyctéméral (non-24h sleep-wake syndrome)

7. Trouble du rythme circadien du sommeil non autrement spécifié

Le syndrome d’avance de phase

Le principal épisode de sommeil est avancépar rapport à la plage horaire habituelle, avec pour conséquence :

- une somnolence vespérale majeure,

- l’incapacité à rester éveillé jusqu’au moment souhaité du coucher,

- l’incapacité à rester endormi jusqu’à l’heure souhaitée du lever.

Références

1. Kamei R, Hughes L, Miles L, Dement W. Advanced sleep phase syndrome studied in a time isolation facility. Chronobiologia 1979; 6:115.

2. Moldofsky H, Musisi S, Phillipson EA. Treatment of a case of advancedsleep phase syndrome by phase advance chronotherapy. Sleep 1986; 9: 61-65.

3. Singer CM, Lewy AJ. Case report: use of the dim light melatonin onset in the treatment of ASPS with bright light. Sleep Res 1989; 18: 445.

4. Billiard M, Verge M, Aldaz C, et al. A case of advanced-sleep phase syndrome. Sleep Res 1993; 22: 109.

5. Wagner DR. Disorders of the circadian sleep-wake cycle. Neurol Clin1996; 14: 651-670.

6. Jones CR, Campbell SS, Zone SE et al. Familial advanced sleep-phasesyndrome : a short-period circadian rhythm variant in humans. Nat Med1999; 5: 1062-1065.

7. Toh KL, Jones CR, He Y, et al. An hPer2 phosphorylation site mutation in familial advanced sleep phase syndrome. Science 2001. 291: 1040-1043.

Plasma melatonin and cortisolin advanced sleep phase syndrome

Melatonin Cortisol

Syndrome d’avance de phaseActimétrie de 12 jours (G. K),

Cycles de mélatonine et de cortisol (plasma) de K.G. (ASPS)

Références

1. Kamei R, Hughes L, Miles L, Dement W. Advanced sleep phase syndrome studied in a time isolation facility. Chronobiologia 1979; 6:115.

2. Moldofsky H, Musisi S, Phillipson EA. Treatment of a case of advancedsleep phase syndrome by phase advance chronotherapy. Sleep 1986; 9: 61-65.

3. Singer CM, Lewy AJ. Case report: use of the dim light melatonin onset in the treatment of ASPS with bright light. Sleep Res 1989; 18: 445.

4. Billiard M, Verge M, Aldaz C, et al. A case of advanced-sleep phase syndrome. Sleep Res 1993; 22: 109.

5. Wagner DR. Disorders of the circadian sleep-wake cycle. Neurol Clin1996; 14: 651-670.

6. Jones CR, Campbell SS, Zone SE et al. Familial advanced sleep-phasesyndrome : a short-period circadian rhythm variant in humans. Nat Med1999; 5: 1062-1065.

7. Toh KL, Jones CR, He Y, et al. An hPer2 phosphorylation site mutation in familial advanced sleep phase syndrome. Science 2001. 291: 1040-1043.

Jones et al, 1999: Familial ASPS inherited as a single-gene defect

Control FASPS ∆ pSleeponset

23:10±0:40 19:25±1:44 3:45 < 0.0005

Sleepoffset

07.44±1.13 04:18±1:44 3:26 < 0.0005

C. R. JONES. Nature Medecine 1999, 5, 1062-1065

Une mutation du gène Per2 est observéedans le syndrome d’avance de phase

(Toh et al Science 2001: 291 1040-1043)

Association entre la mutation A446G de la caseine kinase I∂ et ASPS (Xu et al, 2005)

• Affecte des individus ayantune heure préferéed’endormissementà18:12±1.4 h et unepréference d’éveil à4:06±0.7 h

• Affecte des individus ayantune mutation faux-sensdans le gène de la caséinekinase I∂ (thréonine vs alanine)

• Mutation non retrouvéechez d’autres sujets

Les mutations des enzymes ou des substrats sont responsables d’un

même phenotype = ASPS

P

P

Caseinekinase I∂ PER2

Hormone and rectal temperature profiles in delayed sleep phase syndrome

1 2 1 6 2 0 2 4 0 4 0 8 1 2 1 60

5 0

1 0 0

1 5 0C o n tro ls (m ± s .e .m .)P e n .C .(0 8 -0 9 /1 0 /9 7 )

H o u rs

Mel

aton

in (p

g/m

l)

Per3 et delayed sleep phase syndrome (DSPS) (Ebisawa et al, EMBO Rep 2001,2: 342-6)

• 5 polymorphismes sur Per3 observésdans 4 haplotypes

• Association entre un de ces haplotypes(H4), et DSPS (15% des cas)

Le polymorphisme de longueur de Per3contient des substrats potentiels pour la phosporylation par la caseine kinase Iε

Le plus court allèle Per3 (4-répétitions) est associé avec une préference vespérale and DSPS (Archer et al, 2003)

Collection de materiel au London Science Museum (Robilliard et al, 2002)

• Sujets (n = 484) renseignentle questionnaire de HÖ et subissent un prélèvement de muqueuse buccale pour ADN

• L’étude confirme l’influencede l’âge et du genre dans la variabilité du score de HÖ

Une modification de la phosphorylation peutexpliquer des différences phénotypiques

• La phosphorylation des proteines-horloges régule leurtranslocation du cytoplasme vers le noyau

• La phosphorylation contrôle les interactions des proteines-horloges et leur dégradation

• Ces mécanismes peuvent influer sur la vitesse de l’horloge

• Chacun des motifs de 18 aa peut être considérécomme un module de phosphorylation, et l’augmentation ou la diminution du nombre de répétitions peut contribuer au réglage fin de l’horlogeau cours de l’évolution

Analyse des séquences répétées en tandem sur PER3 dans une population

Brésilienne (Pereira et al, 2005)

Existe-t-il une influence de la latitude sur le PER3 VNTR?

• Possibilité soulevée par l’étude BrésilienneObservation chez – Les plantes (Arabidopsis, Michael et al, 2003) – Le gène per de la Drosophila (Costa et al,

1992)• Étude chez 27 populations indigènes

(Nadkarni et al, 2005)

Fréquence de l’allèle court de Per3 chez 27 populations

(Nadkarni et al, 2005)• 80—90%: Mongolian (89%), Sichuan Chinese,

Japanese• 60—70%: Finns, Iranians, Malawis, Nigerians,

Norwegians, Manjak Senegalese, Wolof Senegalese, Southern Sudanese, Ladin-speaking Tyrolians, British, Ukrainians, South African Bantu-speakers, Anatolians, Afghans

• 50—60%: Algerians, Northern Sudanese, Amharic Ethiopians, Yemenis, Indian Hindus

• 19%: Papua New Guinea

Fréquence de répétition de l’allèle court de PER3 en fonction de l’ensoleillement annuel

et la déviation standard de la longueur du jour

Papua New Guinea (potential outlier)

No significant association between PER3 allele frequency and latitude or insolation (Nadkarni et al, 2005)• Allele frequency vs latitude:

p = 0.12 including Papua New Guineap = 0.24 excluding Papua New Guinea

• Allele frequency vs insolation: p = 0.11 including Papua New Guineap = 0.05 excluding Papua New Guinea

Chronotype et fréquence des allèlesprésentant le polymorphisme de répétition (4 ou 5)

de l’exon 18 de Per3

From Archer et al Sleep 2003 26:413-415 Résultats du service d’hormonologie

Le chronotype résulte d’une interaction de variants des différents gènes de l’horloge circadienne

diversement combinés, (hérédité oligogénique : implication de Per3 , de Clock …?)

Certains troubles du rythme veille-sommeil (ASPS) sont concernés par une mutation ponctuelle (hérédité monogénique : implication de Per2, CK1δ, ε …)

MouseRat

DogHuman (long)

Human (short)ChimpanzeeGorilla (long)

Gorilla (short)GibbonLangur

Marmoset

A - - - -A - - - -A - - - -A B C D EA B - D EA B - D EA B - D EA - - D EA B - D EA - - D EA

b c d e f g

Gradual expansion of a variable number tandem repeat (VNTR) in the coding region of the primate Per3 gene

(Jenkins et al, JBR 2005 20, 470-1)

Syndromes neurodégénératifs d’origine génétique associant un trouble du rythme veille-sommeil

• Syndrome de Down (trisomie 21) fragmentation du sommeil

• Syndrome de Rett (trouble lié à l’X) sommeil irrégulier ou retard de phase

• Syndrome d’Angelman (délétion ou disomie uniparentale de 15q11-13); retard deφ

• Syndrome de Smith-Magenis (délétion 17p11-2)

Phenotype d’avance de phase

rythme d’aMT6S urinaire perturbé (Potocki J Med Genet 2000 37: 428-433)

20 gènes identifiés dans la zone critique Haploinsuffisance pour la sous-unité 3 du signalosome COP3 qui régule la réponse transcriptionnelle à la lumière chez Arabinopsis thaliana (moutarde)

Daily plasma melatonin levels in Smith – Magenis Syndrome(17p 11-2 deletion)

H. Leersnyder et al. J. Pediat, 2001, 139 : 111-6

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (m±sem)H.C.

Heures

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (m± sem)M.Y.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (m±sem)V.J.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (m± sem)L.I.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (m±sem)C.D.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000 Contrôles (m± sem)B.R.

Cor

tisol

(nm

ol/l)

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000 Contrôles (m±sem)M.T.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000 Contrôles (m±sem)B.K

Heures

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000 Contrôles (m±sem)D.M.

Heures

Cycle de cortisol dans le syndrome de Smith-Magenis