La recherche révèle les mécanismes de l’horloge circadienne des mouches des fruits

Plus les températures sont élevées, plus les processus physiologiques sont rapides. Mais il existe une exception : l’horloge dite circadienne, qui régule le cycle veille-sommeil des organismes. Une question fascinante pour les scientifiques est de savoir pourquoi l’horloge interne fonctionne de manière presque immuable malgré les fluctuations de température. C’est un phénomène connu sous le nom de compensation de température. Des études indiquent que différents mécanismes moléculaires y contribuent.

Une équipe de biologistes dirigée par le professeur Ralf Stanewsky de l’Université de Münster (Allemagne), et en collaboration avec des équipes de l’Université Dalhousie au Canada et de l’Université de Mayence en Allemagne, a maintenant trouvé une pièce importante du puzzle fournissant une réponse à cette question. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans la revue Biologie actuelle.

L’équipe a découvert une mutation ponctuelle chez la mouche des fruits Drosophila melanogaster qui entraîne un allongement des périodes d’horloge circadienne en fonction de la température. Il est situé dans un « gène d’horloge » central appelé « période » (per). Les mouches qui ont cette mutation perI530A affichent un rythme veille-sommeil normal de 24 heures à 18 degrés Celsius. En revanche, à 29 degrés Celsius, l’horloge interne fonctionne environ cinq heures plus lentement, c’est-à-dire qu’elle dure 29 heures. Cet allongement des périodes affecte également l’expression, c’est-à-dire l’activité, du gène des périodes dans les neurones horlogers du cerveau.

Normalement, la protéine concernée (PERIOD) est progressivement modifiée chimiquement au cours de 24 heures, plus précisément, elle est phosphorylée. Après phosphorylation maximale, il est dégradé. Ici aussi, ce processus est normalement le même à des températures comprises entre 18 et 29 degrés Celsius, auxquelles les mouches des fruits sont actives. Comme les chercheurs l’ont montré, la phosphorylation se produit de manière normale chez le mutant perI530A à 18 degrés Celsius mais diminue à mesure que la température augmente. Cela conduit à une stabilisation de la protéine « PERIOD » à des températures plus chaudes.

La mutation étudiée par l’équipe affecte un signal dit d’exportation nucléaire (NES), qui se produit également sous cette forme dans les gènes period des mammifères et joue un rôle dans le transport des protéines PERIOD hors du noyau cellulaire. Aucune fonction biologique de cette exportation depuis le noyau cellulaire n’était connue auparavant. L’étude actuelle montre que la mutation conduit à une rétention prolongée de la protéine PERIOD dans le noyau cellulaire des neurones de l’horloge centrale, et encore une fois, uniquement à des températures plus élevées. « Nous supposons donc », déclare Ralf Stanewsky, « que l’exportation de la protéine du noyau cellulaire joue un rôle important dans la compensation de la température, du moins en ce qui concerne la mouche des fruits ».

Dans leurs recherches, les scientifiques ont utilisé des mutants de mouches des fruits avec une modification du gène de la période (perI530A) qu’ils avaient produits à l’aide de méthodes modernes de génétique moléculaire (mutagenèse CRISPR/Cas9 et recombinaison homologue). Ces animaux ont ensuite été testés pour voir si leur cycle veille-sommeil – et, par conséquent, leur activité de course – différaient en fonction de la température ambiante.

En utilisant diverses méthodes, les chercheurs ont visualisé les gènes de l’horloge et leur activité dans les neurones du cerveau. L’une des choses qu’ils ont utilisées était une nouvelle méthode appelée bioluminescence activable localement (LABL) que l’équipe de Münster avait développée en collaboration avec des chercheurs au Canada. Cette méthode impliquant la bioluminescence permet de mesurer, chez les mouches vivantes, l’expression rythmique des gènes dans les neurones de l’horloge, qui ne représentent qu’une fraction de l’ensemble des neurones cérébraux.