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Métabolisme et horloge circadienne Quand tout se met à l’heure Karima Begriche*

Chez les mammifères, l’horloge circadienne influence de nombreux processus physiologiques et comportementaux tels que le cycle veille-sommeil, la température corporelle, la sécrétion hormonale, le métabolisme hépatique et l’activité cardiovasculaire. L’horloge circadienne est constituée d’une horloge centrale localisée dans le noyau suprachiasmatique de l’hypothalamus et de nombreuses horloges périphériques localisées au niveau de différents tissus. Des dysfonctions au niveau de l’intégrité et/ou de la coordination temporelle du système circadien peuvent favoriser la survenue de troubles du sommeil, d’anomalies hormonales et métaboliques pouvant conduire à l’apparition d’une obésité et d’un diabète de type 2. La présente revue résumera les travaux récents sur le rôle clé de l’horloge circadienne endogène dans la régulation des processus métaboliques et nutritionnels.

Introduction La plupart des mammifères contrôlent leur physiologie et leur comportement selon un rythme de vingt-quatre heures grâce à la présence d’une horloge biologique interne : l’horloge circadienne. Cette horloge circadienne, chez l’Homme comme chez tous

*INSERM, U991, Université de Rennes 1 karima.begriche@univ-rennes1.fr

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Introduction

les mammifères, est constituée d’oscillateurs moléculaires localisés dans le cerveau et dans de nombreux organes périphériques comme le foie, le tissu adipeux, le pancréas, les muscles squelettique et cardiaque (1). Ces oscillateurs moléculaires gouvernés par des gènes spécifiques appelés “gènes de l’horloge’’ régulent notre physiologie en imposant une rythmicité circadienne à de nombreuses fonctions telles que la digestion, les sécrétions hormonales, l’activité cardiovasculaire, le métabolisme hépatique. Des études expérimentales essentiellement menées sur des rongeurs de laboratoire ont montré que des dysfonctions de l’horloge circadienne pouvaient favoriser l’apparition de perturbations

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physiologiques et métaboliques à l’origine de troubles du sommeil, d’un syndrome métabolique, d’une augmentation des risques de maladies cardiovasculaires et de certains cancers (2). Chez l’Homme, des études d’associations génétiques et des données épidémiologiques ont également montré que des perturbations de l’horloge circadienne pouvaient avoir un impact sur la santé. Il a été rapporté par exemple que l’existence de certains polymorphismes sur des gènes de l’horloge ainsi que des altérations des rythmes du système circadien liées au mode de vie (travail de nuit, travail en horaires décalés) augmentaient le risque de survenue d’obésité et de certaines manifestations pathologiques du 331

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syndrome métabolique (hyperglycémie, hypertension, résistance à l’insuline) (3-4). À travers la présentation de quelques études cliniques et expérimentales, cette revue exposera les principales investigations qui ont permis de montrer que l’horloge circadienne est une composante majeure du métabolisme énergétique. Nous verrons en particulier comment le maintien de l’intégrité du système circadien est essentiel à la prévention des troubles métaboliques.

Figure 1 - Organisation moléculaire des horloges biologiques. Au niveau du noyau, les

Organisation moléculaire de l’horloge circadienne Au niveau moléculaire, l’horloge circadienne est fondée sur des boucles d’autorégulations transcriptionnelles et posttraductionnelles organisées en composantes positives ou négatives. Les gènes de l’horloge CLOCK (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput), BMAL1 (Brain and Muscle ARNt Like Protein 1) ainsi que les gènes Period (Per1-3), Cryptochromes (Cry1-2), Rev-erba et Rora sont les acteurs principaux de ces boucles d’autorégulations (1).

facteurs de transcription CLOCK et BMAL1 stimulent l’expression et la transcription des gènes de l’horloge Per, Cry, Rev-erba et Rora en se fixant à des séquences d’ADN particulières ‘’boîte E’’ au niveau de la région promotrice de ces gènes. Après traduction et au-delà d’un certain seuil, les protéines Per et Cry migrent dans le noyau pour inhiber leur propre expression par un mécanisme de rétrocontrôle négatif en bloquant la fixation du dimère CLOCK/BMAL1 à l’ADN. La protéine Caséine Kinase Epsilon (CK1e) en phosphorylant les protéines Per favorise leur déstabilisation et leur dégradation par le protéasome. La dégradation des protéines Per favorise l’activité transcriptionnelle du dimère CLOCK/BMAL1 par levée d’inhibition. Dans une seconde boucle de régulation, les récepteurs nucléaires Rev-erba et Rora vont respectivement inhiber ou stimuler l’expression du gène BMAL1 en se fixant aux éléments de réponse RORE. Les gènes de l’horloge peuvent également moduler l’expression d’autres récepteurs nucléaires, facteurs de transcription ou enzymes (PPARa, PGC1, SIRT1 et AMPK) impliqués dans la régulation du métabolisme. Le contrôle exercé sur ces différents facteurs induit une rythmicité circadienne de nombreuses fonctions métaboliques (e.g. gluconéogenèse, lipogenèse, oxydation des acides gras…).

En réponse aux fluctuations énergétiques intracellulaires, l’activation des facteurs de transcription PPARa, PGC1 et de l’enzyme SIRT1 permet en retour une régulation positive ou négative des gènes BMAL1 et CLOCK soit au niveau transcriptionnel, soit au niveau posttranscriptionnel. L’activation de l’AMPK au cours d’un déficit énergétique favorise la phosphorylation et la dégradation des protéines Per et Cry par le protéasome.

Au niveau du noyau, les facteurs de transcription BMAL1 et CLOCK s’associent en dimère pour stimuler l’expression et la transcription des gènes Per, Cry, Rev-erba et Rora. Cette transactivation passe par la fixation du dimère CLOCK/ BMAL1 sur des séquences d’ADN particulières (“boîtes E’’), localisées dans la région promotrice de ces gènes. Après traduction, les protéines Cry et Per s’accumulent dans le cytosol. Au-delà d’un certain seuil, ces protéines s’hétérodimérisent, migrent dans le noyau, et inhibent leur propre 332

expression par un mécanisme de rétrocontrôle négatif en bloquant la fixation du dimère CLOCK/ BMAL1 à l’ADN. Ce cycle se fait sur une période de vingt-quatre heures, et est à l’origine de la génération des rythmes circadiens endogènes. Par la suite, l’inactivation des complexes répresseurs Per/Cry par ubiquitination et dégradation par le protéasome libère le frein sur l’activité transcriptionnelle du dimère CLOCK/ BMAL1 et un nouveau cycle d’autorégulation peut ainsi

redémarrer. Ce système comporte également une seconde boucle de régulation impliquant les récepteurs nucléaires Rev-erba et Rora qui vont respectivement inhiber ou stimuler l’expression du gène BMAL1 (Fig. 1).

Des investigations basées sur l’étude du profil circadien de l’expression des gènes par des techniques d’analyse du génome à haut débit ont montré que les horloges biologiques contrôlent de façon rythmique la

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transcription d’environ 2 à 15 % des gènes du génome. Une large proportion de ces gènes code pour d’importants facteurs de transcription et récepteurs nucléaires impliqués dans la régulation des métabolismes glucidolipidique, du cholestérol et des xénobiotiques.

En plus des boucles d’autorégulations transcriptionnelles et posttraductionnelles décrites précédemment, l’expression circadienne des gènes de l’horloge peut être fonction des variations du statut énergétique qui apparaissent au cours du nycthémère.

Ce contrôle peut être exercé par divers facteurs impliqués dans la régulation du métabolisme tels que certains facteurs de transcription (PGC1a, PPARa/g, KLF10) ou des métabolites (glucose, acides gras, glucocorticoïdes).

Des enzymes comme l’AMPK (AMP Activated Protein Kinase) ou SIRT1 (Sirtuin 1) dont l’activité est directement corrélée au statut énergétique, peuvent aussi moduler l’expression des horloges, et permettre ainsi une adaptation optimale de l’organisme aux fluctuations énergétiques. Au niveau moléculaire, ces mécanismes de régulation sont complexes et mettent en jeu des régulations transcriptionnelles, posttranscriptionnelles ou épigénétiques (Fig. 1) (5).

Horloge circadienne et alimentation Chez les mammifères, le siège anatomique de l’horloge centrale se situe à la base du cerveau au niveau des Noyaux SupraChiasmatiques (NSC) de l’hypothalamus.

En présence d’un cycle lumièreobscurité, la synchronisation de l’horloge centrale est basée

Figure 2 - Synchronisation et désynchronisation des horloges périphériques et centrales en réponse aux stimuli lumineux et à une restriction alimentaire. L’horloge centrale localisée au niveau des Noyaux SupraChiasmatiques (NSC) est sensible aux variations temporelles de l’intensité lumineuse. Cette horloge centrale entraîne et synchronise les horloges biologiques secondaires cérébrales et périphériques au cycle jour/nuit. Les horloges secondaires périphériques et cérébrales sont impliquées dans le contrôle et la régulation de nombreuses fonctions comportementales (éveil/sommeil, activité physique, prise alimentaire), physiologiques et métaboliques (absorption, gluconéogenèse, lipogenèse, adipogenèse, et sécrétions hormonales de leptine et insuline). La restriction temporelle de nourriture à quelques heures par jour favorise un découplage entre l’horloge centrale et les horloges périphériques. PVN : Paraventricular Nucleus (noyaux paraventriculaires) ; ARC : Arcuate Nucleus (noyau arqué) ; VLPO : Ventrolateral Preoptic Nucleus (noyau préoptique ventrolatéral) ; LHA : Lateral Hypothalamus (hypothalamus latéral).

essentiellement sur une remise à l’heure quotidienne par des stimuli lumineux. Cette remise à l’heure par l’alternance jour/nuit est responsable de la génération de rythmes circadiens dont la période est voisine de vingt-quatre heures. Dans ce contexte de photopériode, l’horloge centrale qui perçoit la lumière via l’axe rétino-hypothalamique est dominante, et se comporte comme un véritable “pacemaker’’ capable d’entraîner et de synchroniser les horloges secondaires cérébrales et périphériques aux variations temporelles de l’intensité lumineuse. Cette synchronisation des oscillateurs secondaires par les NSC peut être directe via des projections du système nerveux autonome (systèmes sympathique et

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parasympathique) ou indirecte via des variations de sécrétions hormonales (mélatonine et glucocorticoïdes). À travers ces signaux, l’horloge centrale rythme ainsi les tissus périphériques aux périodes d’activité ou de repos.

Des études expérimentales basées sur l’ablation des NSC chez le rongeur ont révélé que l’expression de l’horloge centrale était cruciale au maintien de l’activité locomotrice, des rythmes alimentaires, de la sécrétion hormonale et de la synchronisation des oscillateurs périphériques (6). Concernant les rythmes alimentaires, l’horloge centrale joue un rôle important dans le contrôle de l’organisation temporelle de la prise alimentaire autour des périodes d’éveil et de sommeil.

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Bien que le cycle jour/nuit constitue un synchroniseur externe important pour l’ensemble des horloges biologiques, les oscillateurs périphériques sont également sensibles à l’effet synchroniseur des repas. Des investigations expérimentales basées sur des restrictions temporelles de nourriture (nourriture donnée ad libitum pendant une période temporelle bien définie) ont montré que la prise alimentaire pouvait également être un stimulus externe important dans l’entraînement des horloges biologiques périphériques, en particulier les horloges localisées au niveau d’organes liés à la digestion (Fig. 2). Chez la souris, la restriction temporelle de nourriture à quelques heures par jour au cours de la phase diurne (période de repos des rongeurs nocturnes) favorise un découplage entre l’horloge centrale et les horloges périphériques, en particulier au niveau des oscillateurs hépatiques où les déphasages graduels de l’expression rythmique des gènes de l’horloge apparaissent en premier (7). Ce découplage entre les oscillateurs périphériques et centraux est associé à une élévation de l’éveil et de l’activité locomotrice, une augmentation de la sécrétion hormonale de corticostérone et une élévation de la température corporelle. Si la restriction temporelle de nourriture ne modifie pas la phase des oscillations des gènes de l’horloge dans les NSC, en revanche une restriction alimentaire calorique, qui impose une quantité limitée de nourriture (restriction alimentaire hypocalorique), est capable de modifier l’organisation rythmique de l’horloge centrale des NSC (8). Cette remise à l’heure des oscillateurs des NSC par l’alimentation est accompagnée d’altérations du cycle veille-som334

meil, avec pour conséquence des animaux nocturnes devenant partiellement diurnes. Ces investigations expérimentales ont conduit à la suggestion de l’existence d’une horloge alimentaire dont l’expression serait modulée par l’horaire des repas, et qui serait capable de réorganiser l’expression rythmique des oscillateurs périphériques et centraux en fonction des conditions d’apports caloriques.

Contrairement à l’horloge biologique centrale qui est clairement localisée au niveau des NSC, la localisation de l’horloge alimentaire reste encore mal définie. Malgré de nombreuses controverses, il a été suggéré que l’hypothalamus dorsomédian pouvait être le siège de cette horloge (9). Bien que ce centre hypothalamique joue un rôle crucial dans la régulation de la prise alimentaire, de plus en plus d’investigations semblent indiquer une localisation plus vaste de l’horloge alimentaire allant audelà des limites du système nerveux (10).

L’existence de cette horloge alimentaire et son rôle potentiel dans le contrôle circadien de la prise alimentaire ont suscité un grand intérêt et soulevé de nombreuses interrogations sur les conséquences d’une désynchronisation des rythmes biologiques et des rythmes alimentaires sur la santé. Des études expérimentales ont montré qu’une prise alimentaire en dehors des phases normales d’activité, c’est-à-dire lors de la phase diurne chez la souris, favorise la prise de poids (11). À l’inverse, une prise alimentaire limitée à la période d’activité prévient la surcharge pondérale et les troubles métaboliques associés (12). Chez l’Homme, l’irrégularité de la prise alimentaire en raison du mode de

vie et des pressions sociales peut également favoriser l’apparition de perturbations physiologiques et métaboliques (13). Des données cliniques et épidémiologiques ont montré que le travail en horaires décalés, le travail de nuit, l’exposition nocturne à des lumières intenses étaient corrélés à une susceptibilité plus importante à développer une obésité, un diabète de type 2 et des maladies cardiovasculaires (3). Les données issues de ces études expérimentales et cliniques ont ainsi conduit certains investigateurs à émettre le concept de “chronobésité’’. En addition des nombreux facteurs environnementaux et génétiques impliqués dans l’étiologie de l’obésité, ce concept propose que la désorganisation circadienne des rythmes biologiques pourrait également participer au développement d’une surcharge pondérale. Au-delà de la vision classique et dogmatique de la régulation de la balance énergétique basée sur l’équilibre entre les apports caloriques et les dépenses énergétiques, les avancées majeures en chronobiologie ont ainsi permis d’intégrer une composante circadienne à ce système de régulation.

Horloge circadienne et métabolisme glucidolipidique La relation qui lie l’horloge circadienne au métabolisme énergétique a été particulièrement mise en évidence par des investigations expérimentales sur des rongeurs dont les gènes de l’horloge ont été invalidés ou mutés. En 2005, Turek et ses collaborateurs furent les premiers à montrer que la délétion d’une partie du gène CLOCK (mutant CLOCK) était responsable chez la souris de l’appa-

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métabolisme et horloge circadienne

rition d’une obésité avec en particulier une élévation de l’adiposité viscérale et une hypertrophie adipocytaire. Ces mutants CLOCK présentaient également une stéatose hépatique, une hyperglycémie, une dyslipidémie ainsi qu’une altération des rythmes alimentaires et de l’activité physique (14). La diversité des modèles murins générés a permis par la suite de caractériser le rôle d’autres protéines de l’horloge au niveau de divers organes. L’invalidation spécifique du gène BMAL1 au niveau du foie et du pancréas a montré par exemple que cette protéine était essentielle à la régulation du métabolisme glucidique en favorisant d’une part la production hépatique de glucose lors des périodes de jeûne et d’autre part la sécrétion d’insuline en réponse au glucose (15-16). Au niveau du tissu adipeux, BMAL1 joue un rôle important dans les processus de différenciation adipocytaire et dans la lipogenèse (17). Des approches pharmacologiques ont également contribué à une meilleure compréhension de la fonctionnalité des protéines de l’horloge. Solt et ses collaborateurs ont démontré que l’activation des récepteurs nucléaires Rev-erba/Rev-erbb par des agonistes spécifiques améliorait l’obésité et les troubles métaboliques induits par un régime hyperlipidique (18).

Chez l’Homme, l’implication des horloges biologiques dans le contrôle du métabolisme a été confirmée par l’identification de certains polymorphismes au niveau de gènes de l’horloge (BMAL1, CLOCK, Per2…). Des études d’associations génétiques ont notamment montré que ces polymorphismes pou-

vaient favoriser une susceptibilité plus importante à développer une obésité et un diabète de type 2 (4).

Bien que des perturbations de l’horloge favorisent certaines manifestations pathologiques du syndrome métabolique, il a été montré à l’inverse que l’obésité et certaines maladies associées (i.e. diabète, hypertension) peuvent entraîner une altération de l’expression circadienne des horloges biologiques.

Des études utilisant des modèles expérimentaux d’obésité génétique ou nutritionnelle ont montré une altération de la rythmicité des gènes de l’horloge au niveau de plusieurs tissus (19).

Par exemple, l’administration d’un régime hyperlipidique chez la souris favorise une altération de la rythmicité des gènes de l’horloge qui est associée à des perturbations du comportement alimentaire, de la sécrétion de certaines hormones et à une altération de la rythmicité de l’expression de récepteurs nucléaires importants dans le métabolisme glucidolipidique (20). Chez l’Homme, une diminution de l’expression des gènes de l’horloge a été observée chez des patients diabétiques de type 2 (21-22).

Conclusion Bien que la fonction de l’horloge circadienne dans le maintien de la rythmicité et la synchronisation des fonctions comportementales et physiologiques en réponse aux changements périodiques extérieurs de l’environnement (e.g. variation de la lumière, disponibilité de la nourriture) ait été largement décrite, celle-ci continue néan-

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moins à susciter un grand intérêt du fait de son implication dans la régulation du métabolisme.

Les investigations menées chez l’Homme et la souris ont non seulement démontré que l’intégrité du système circadien est essentielle au maintien de l’homéostasie énergétique mais ont également révélé une relation étroite et complexe entre l’horloge circadienne et le métabolisme. Les études d’invalidation de gènes spécifiques de l’horloge indiquent un rôle pléiotropique des protéines de l’horloge où une même protéine peut être impliquée dans le contrôle de diverses voies métaboliques au niveau de différents tissus.

Aujourd’hui, les avancées majeures réalisées en chronobiologie grâce aux études génétiques et pharmacologiques montrent qu’une meilleure connaissance de la fonction de l’horloge circadienne et de ses oscillateurs moléculaires pourrait conduire à de nouvelles approches thérapeutiques qui permettraient d’une part de traiter les anomalies métaboliques liées à des perturbations des rythmes circadiens et d’autre part de cibler les différents acteurs du métabolisme (e.g. facteurs de transcription, enzymes, métabolites) dont les altérations rythmiques circadiennes pourraient aggraver l’obésité et/ou les troubles métaboliques associés. Au-delà du contexte physiopathologique de l’obésité et de ces troubles métaboliques associés, la connaissance et la prise en compte des variations nycthémérales de l’activité et/ou expression de certaines enzymes ou facteurs de transcription peuvent s’avérer importantes pour d’autres pathologies comme le cancer. En effet, certaines 335

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études suggèrent des recommandations d’administration de certains médicaments antican-

céreux au cours du nycthémère afin de limiter leur toxicité et d’améliorer leur efficacité. n

Mots-clés : Horloge circadienne, Métabolisme, Alimentation

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