Les cellules dotées d’une horloge moléculaire fonctionnelle sont mieux à même de s’adapter aux variations de l’apport en glucose et de se remettre plus rapidement d’une malnutrition prolongée, comme le montre une étude publiée dans eLife. Cette découverte aide à expliquer pourquoi les modifications du rythme circadien de l’organisme, telles que le travail de nuit et le décalage horaire, peuvent augmenter le risque de maladies métaboliques comme le diabète.

Réglage fin de l’horloge circadienne

L’horloge circadienne est un système de mesure du temps endogène d’une durée d’environ 24 heures qui organise de nombreux processus physiologiques, en particulier le métabolisme. Au niveau moléculaire, elle repose sur des boucles de rétroaction transcription-traduction étroitement liées. Au centre de cette régulation se trouvent les facteurs de transcription CLOCK et BMAL1. Ces protéines forment un complexe hétérodimère qui se lie à des séquences d’ADN spécifiques et active la transcription de divers gènes cibles. Ces gènes cibles comprennent les gènes de la famille des périodes et des cryptochromes, à savoir les gènes PER et CRY.

Après la transcription, les protéines PER et CRY sont synthétisées dans le cytoplasme, où elles s’accumulent initialement. Au cours de plusieurs heures, elles forment des complexes protéiques, puis retournent dans le noyau cellulaire. Là, elles inhibent l’activité du complexe CLOCK-BMAL1, supprimant ainsi leur propre expression génétique. Cette rétroaction négative entraîne une diminution progressive de la production des protéines PER et CRY. Une fois que les protéines existantes ont été dégradées par les processus de dégradation cellulaire, l’inhibition du complexe CLOCK-BMAL1 est supprimée et le cycle recommence. Le délai entre l’activation, l’accumulation et l’inhibition crée un rythme autonome d’environ 24 heures.

Outre cette boucle centrale, il existe d’autres mécanismes de régulation qui contribuent à la stabilisation et au réglage fin de l’horloge circadienne. Les récepteurs nucléaires REV-ERBα et RORα, qui régulent l’expression de BMAL1, jouent un rôle important dans ce processus. Alors que RORα active la transcription de BMAL1, REV-ERBα a un effet répressif. Cette interaction antagoniste crée une autre boucle de rétroaction qui augmente la précision temporelle et la robustesse du système circadien.

Horloge circadienne et métabolisme

Les horloges circadiennes sont étroitement liées au métabolisme: d’une part, l’horloge module de manière rythmique de nombreuses voies métaboliques et, d’autre part, les nutriments et les stimuli métaboliques influencent le fonctionnement de l’horloge. Cela est rendu possible par des boucles de rétroaction finement réglées dans lesquelles certains composants positifs de l’horloge en activent d’autres, qui à leur tour ont un effet négatif sur les composants initialement activateurs. Par exemple, le métabolisme du glucose, la synthèse des lipides et la production d’énergie mitochondriale sont soumis à des fluctuations circadiennes. Dans le même temps, les signaux métaboliques agissent en retour sur l’horloge et modulent son activité. L’enzyme SIRT1, dont l’activité dépend du niveau de NAD⁺ cellulaire, en est un exemple. Comme ce niveau est étroitement lié à l’état énergétique de la cellule, la SIRT1 peut influencer l’activité des facteurs de transcription circadiens et ainsi adapter l’horloge à l’état métabolique. Un autre exemple est la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK), qui est activée en cas de manque d’énergie et peut, entre autres, influencer la stabilité des protéines CRY.

Ce couplage bidirectionnel crée un système finement réglé dans lequel l’horloge circadienne coordonne les processus métaboliques, tandis que les nutriments, l’état énergétique et les signaux métaboliques modulent le fonctionnement de l’horloge. Cette interaction étroite permet à l’organisme d’adapter de manière optimale les processus métaboliques au rythme jour-nuit et aux conditions environnementales changeantes. « Étant donné que le glucose influence de nombreuses voies de signalisation, on suppose qu’une carence en glucose pourrait altérer les boucles de rétroaction de l’horloge circadienne et entraver sa capacité à maintenir un rythme constant », explique Anita Szöke, auteure principale et doctorante à l’Institut de physiologie de l’Université Semmelweis à Budapest, en Hongrie. « Nous voulions étudier comment une carence chronique en glucose affecte l’horloge moléculaire et quel rôle joue l’horloge dans l’adaptation à la faim. »

Les composants de l’horloge ont une influence majeure sur l’équilibre du métabolisme énergétique au sein des cellules

En utilisant le champignon Neurospora crassa comme modèle, l’équipe a d’abord étudié comment une carence en glucose de 40 heures affectait deux composants essentiels de l’horloge, le complexe White Collar (WCC), qui se compose des deux sous-unités WC-1 et 2, et Frequency (FRQ). Ils ont constaté que les concentrations de WC1 et 2 diminuaient progressivement pour atteindre respectivement environ 15 % et 20 % de leurs niveaux avant la famine, tandis que les concentrations de FRQ restaient inchangées mais étaient modifiées par l’ajout de nombreux groupes phosphate (un processus appelé hyperphosphorylation). Normalement, l’hyperphosphorylation empêche la FRQ d’inhiber l’activité du WCC, les auteurs ont donc émis l’hypothèse que l’activité plus élevée pourrait accélérer la dégradation du WCC. Lorsqu’ils ont examiné les actions en aval du WCC, ils ont constaté peu de différences entre les cellules affamées et celles qui continuaient à se développer dans le glucose. Dans l’ensemble, cela suggère que l’horloge circadienne a continué à fonctionner de manière robuste pendant la privation de glucose, entraînant l’expression rythmique des gènes cellulaires.

Afin d’étudier plus en détail l’importance de l’horloge moléculaire dans l’adaptation à la privation de glucose, l’équipe a utilisé une souche de Neurospora dépourvue du domaine WC-1 de la WCC. Elle a ensuite comparé les niveaux d’expression génique après privation de glucose avec ceux de Neurospora contenant une horloge moléculaire intacte. Ils ont découvert que la privation de glucose à long terme affectait plus de 20 % des gènes codants et que 1 377 de ces 9 758 gènes codants (13 %) présentaient des changements spécifiques à la souche selon que les cellules possédaient ou non une horloge moléculaire. Cela suggère que l’horloge est un mécanisme important pour la réponse des cellules à la privation de glucose.

L’équipe a ensuite cherché à savoir si une horloge fonctionnelle était importante pour la récupération cellulaire après une privation de glucose. Elle a constaté que la croissance des cellules Neurospora sans FRQ ou WCC fonctionnelle était nettement plus lente que celle des cellules normales après l’ajout de glucose, ce qui suggère qu’une horloge fonctionnelle favorise la régénération cellulaire. En examinant le système de transport du glucose de Neurospora, elle a également constaté que les cellules sans horloge fonctionnelle étaient incapables d’augmenter la production d’un important transporteur de glucose permettant d’acheminer davantage de nutriments dans la cellule. « Les différences évidentes dans le comportement de récupération entre les souches fongiques avec et sans horloge moléculaire fonctionnelle suggèrent que l’adaptation à l’évolution de la disponibilité des nutriments est plus efficace lorsque l’horloge circadienne fonctionne dans une cellule », a expliqué l’auteur principal Krisztina Káldi, professeur associé à l’université Semmelweis. Cela suggère que les composants de l’horloge ont une influence majeure sur l’équilibre du métabolisme énergétique au sein des cellules et souligne l’importance de l’horloge dans la régulation du métabolisme et de la santé.