L’évolution a lieu constamment, partout dans la nature. Néanmoins, il est toujours passionnant pour les biologistes d’observer l’évolution « en temps réel ». L’horloge interne – le rythme inné veille-sommeil – de la mouche des fruits Drosophila melanogaster est l’une de ces opportunités d’observation. Chez les mouches des fruits, une certaine variante d’un « gène de l’horloge », qui est vraisemblablement apparue pour la première fois dans le sud de l’Europe il y a 300 à 3000 ans, se propage vers le nord, par exemple vers et à l’intérieur de la Scandinavie. Les chercheurs ont observé ce phénomène mais n’ont pas encore été en mesure de l’expliquer complètement. Sur la base d’études en laboratoire, une équipe dirigée par le neurobiologiste Prof. Ralf Stanewsky de l’Université de Münster (Allemagne) est la première à proposer une explication à ce phénomène.
L’étude, qui vient d’être publiée dans la revue Communication Nature, focalisé sur un gène d’horloge dit « intemporel ». Associé à un deuxième gène d’horloge (« période »), il contrôle le rythme circadien de la mouche des fruits, qui dure environ 24 heures. Ce rythme est synchronisé en permanence avec l’environnement à l’aide de zeitgebers externes tels que la lumière et la température. Les chercheurs ont étudié pourquoi une variante spéciale du gène de l’horloge intemporelle, à savoir l’allèle ls-tim, s’est propagée si rapidement.
« Comme les humains, la drosophile est originaire d’Afrique subsaharienne et s’est propagée vers le nord, jusqu’au cercle polaire arctique », explique la première auteure Angélique Lamaze. « Là, les mouches connaissent de longues journées d’été ou même une lumière presque constante, des nuits dites blanches. » Un éclairage constant perturbe le fonctionnement de l’horloge interne car il déclenche la dégradation permanente de la protéine horloge « intemporelle » via une chaîne de réaction moléculaire. Ainsi, le rythme circadien est perdu.
Cependant, les cycles de température peuvent surmonter les effets d’un éclairage constant. Les experts ont démontré que les mouches avec l’allèle ls-tim récemment développé synchronisent leur rythme circadien avec la température ambiante dans des conditions de lumière et de température qui imitent une journée d’été scandinave. Un indicateur était le niveau de mouvement actif des insectes. Avec un éclairage constant et un cycle de température quotidien entre 16 et 25 degrés Celsius, les mouches avec l’allèle ls-tim étaient particulièrement actives dans la seconde moitié de la phase chaude. En revanche, lorsqu’il y avait un éclairage et une température constants, il n’y avait pas de rythme comportemental. Contrairement aux mouches ls-tim, les mouches des fruits ne portant que la variante du gène d’origine (s-tim) n’ont montré aucune adaptation comportementale, ni avec un cycle de température ni avec une température constante.
Une nouvelle variante de gène augmente le succès de la reproduction
« D’un point de vue de la biologie évolutive, l’adaptation comportementale s’explique bien », souligne Angélique Lamaze. « L’été est la saison de reproduction des insectes. Les animaux qui sont synchronisés dans leur comportement et prêts à s’accoupler à la même heure de la journée ont de meilleures chances de se rencontrer et de se reproduire. est très probablement un facteur important contribuant à sa propagation continue vers le nord et pourrait expliquer son succès évolutif. »
L’équipe de recherche a également prouvé que même une seule copie de l’allèle ls-tim est suffisante pour permettre la synchronisation dans les « conditions scandinaves », ce qui favorise davantage la propagation de cet allèle. Comme les humains, par exemple, les mouches des fruits possèdent deux copies identiques ou similaires de chaque gène, une copie de chaque parent.
Le nouveau variant de gène produit une protéine qui s’écarte légèrement de la forme originale, qui est particulièrement stable sous illumination, et donc, interfère avec la cascade de réactions moléculaires qui sinon déclenche la dégradation de la protéine horloge « intemporelle ». Ceci, a conclu l’équipe, est une condition préalable requise pour que le cycle de température rétablisse le rythme circadien des mouches des fruits sous un éclairage continu.
Les neurobiologistes ont utilisé une combinaison d’expériences comportementales ainsi que des méthodes génétiques et immuno-histochimiques modernes dans leur étude. Entre autres choses, ils ont comparé des souches de mouches avec différentes constitutions génétiques, en étudiant leur comportement pendant des nuits d’été scandinaves simulées et l’activité de leurs gènes d’horloge dans différents neurones cérébraux.
Angélique Lamaze et al, Un polymorphisme intemporel naturel permettant la synchronisation de l’horloge circadienne dans les « nuits blanches », Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29293-6