14.6:
Rythmes circadiens et régulation génique
The biological clock is involved in many aspects of regulating complex physiology in all animals. It was in 1935 when German zoologists, Hans Kalmus and Erwin Bünning, discovered the existence of circadian rhythm in Drosophila melanogaster. However, the internal molecular mechanisms behind the circadian clock remained a mystery until 1984, when Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, and Michael W. Young discovered the expression of the Per gene oscillating over a 24-hour cycle. In subsequent years, many other associated genes were identified, and the mechanism of regulation of the circadian rhythms was further unraveled. The contribution of Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, and Michael W. Young to the understanding of the internal biological circadian clocks was recognized with the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 2017.
In Drosophila, the Period (PER) protein is the main regulatory protein that controls the internal circadian rhythms in cells. PER forms a complex with another essential protein called Timeless (TIM) and enters the nucleus. Here, it can regulate the levels of PER expression in the cell through feedback inhibition. Additionally, it also controls the expression of other genes by inhibiting the activity of the transcriptional activators Clock and Cycle. Importantly, the stability of the PER/TIM complex is dependent on the presence or absence of light, meaning it is degraded under daytime conditions. The result is that the expression of genes downstream of the PER/TIM complex is controlled by light, and this phenomenon allows for synchronization of the circadian clock.
In mammals, the regulation of the circadian rhythm works in a very similar manner. However, due to the addition of several paralog genes, the regulation of the entire pathway is much more complicated than in Drosophila.
All living organisms on Earth have evolved in the presence of 24-hour day/night cycles and adapted their cellular, physiological as well as behavioral responses accordingly. For example, the diurnal cycles of sleeping and waking, body temperature, and hormone release in mammals are controlled by the circadian rhythms. Irregular circadian rhythms can lead to many health issues, such as bipolar disorder or sleep disorders. Additionally, disruption of circadian rhythms can result in adverse effects on other systems of the body, including the cardiovascular system.
Presque tous les organismes vivants, des micro-organismes aux mammifères, synchronisent leurs processus comportementaux, biochimiques et physiologiques en fonction du cycle solaire de 24 heures, ou horloge circadienne.
L’horloge circadienne est principalement contrôlée par des machines spécifiques, et chez les mammifères, le noyau suprachiasmatique présent dans l’hypothalamus agit comme une horloge maîtresse et contrôle les rythmes circadiens dans tout le corps.
Cependant, la plupart des cellules du corps ont également un rythme circadien interne. Un modèle cyclique d’expression des gènes dans ces cellules guide l’horloge circadienne au niveau de l’organisme.
La génétique sous-jacente des rythmes circadiens au niveau cellulaire a été classiquement étudiée chez la drosophile, où un ensemble de gènes d’horloge régulent le rythme circadien cellulaire par une boucle de rétroaction négative.
Pendant la journée, les facteurs de transcription, l’horloge et le cycle, s’hétérodimérisent et activent la transcription de leurs gènes cibles, y compris le gène de la période, également connu sous le nom de Per.
La protéine Per se dimérise avec une autre protéine appelée Timeless, ou Tim. Cependant, ces deux protéines ne sont pas très stables en présence de lumière et sont ensuite dégradées par un protéasome.
Au cours de la soirée, le complexe stable Per/Tim peut s’accumuler dans le cytoplasme cellulaire, puis se déplacer vers le noyau – où il se lie au dimère du cycle d’horloge et l’élimine de l’ADN – inhibant ainsi son activité transcriptionnelle.
En plus de cette régulation par rétroaction négative, d’autres protéines régulatrices de la cellule participent également à la modulation de l’activité de Clock.
Par exemple, Orange mécanique est un répresseur transcriptionnel qui co-réprime l’activité transcriptionnelle du cycle d’horloge avec Per en rivalisant pour le site de liaison sur l’ADN.
Étant donné que les rythmes circadiens jouent un rôle essentiel dans la coordination du fonctionnement normal du corps, toute perturbation de celui-ci peut entraîner des maladies mineures à graves, notamment des syndromes métaboliques et des maladies inflammatoires, ainsi que le cancer.
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