Régulation saisonnière dans l’horloge biologique du cerveau de la punaise du haricot

Non seulement le corps de l’organisme a une horloge biologique qui peut indiquer l’heure de la journée, mais il peut également indiquer l’heure de l’année. Des chercheurs japonais ont découvert qu’une petite molécule capable pourrait être à l’origine du mécanisme par lequel l’horloge biologique suit les saisons.

Dans une étude récemment publiée dans PLOS Biologiedes chercheurs de l’Université d’Osaka révèlent que la signalisation du glutamate est responsable de la régulation saisonnière de la reproduction des punaises du haricot par des gènes impliqués dans le maintien du rythme circadien.

Le rythme circadien est piloté par une horloge biologique qui contrôle les processus corporels en fonction de l’heure de la journée. Un processus connexe est la sensibilité à la photopériode, ou régulation saisonnière, dans laquelle les processus corporels sont régulés sur une base saisonnière en fonction de la durée des périodes diurnes et nocturnes.

« Des études antérieures ont montré que les gènes de l’horloge circadienne sont impliqués non seulement dans la régulation des processus quotidiens, mais également dans la régulation des événements saisonniers, tels que la reproduction chez les insectes », déclare Masaharu Hasebe, premier auteur de l’étude. « Cependant, le mécanisme régissant cette interaction n’était pas clair. »

Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont concentrés sur le glutamate, un neurotransmetteur impliqué dans la transmission d’une grande variété de signaux dans le cerveau de nombreux animaux, des invertébrés aux mammifères. À l’aide de punaises des haricots, un modèle pratique de rythmes saisonniers liés à l’horloge circadienne, un niveau de glutamate cérébral a été évalué dans différentes conditions photopériodiques liées au cycle de reproduction saisonnier et en réponse à une interférence avec les gènes de l’horloge circadienne.

« Les résultats étaient très clairs », explique Sakiko Shiga, auteur principal de l’étude. « Les niveaux de glutamate extracellulaire dans l’ensemble du cerveau étaient significativement plus élevés dans des conditions de jours courts que dans des conditions de jours longs, et la réduction de la période du gène de l’horloge a aboli cette différence. »

La réduction ou l’augmentation directe des niveaux de glutamate dans le cerveau de la punaise du haricot a également réduit les changements spécifiques à la saison dans l’état de reproduction. De plus, la réduction ou l’augmentation des niveaux de glutamate a perturbé les réponses photopériodiques des neurones de la pars intercerebralis, qui modifient généralement leur activité neurale de façon saisonnière et favorisent la ponte.

« Nos résultats montrent que la dynamique extracellulaire du glutamate est régulée par les gènes de l’horloge et joue un rôle essentiel dans le contrôle photopériodique de la reproduction », explique Hasebe.

Étant donné que le glutamate est largement utilisé pour la neurotransmission chez les animaux, des insectes aux mammifères, les résultats de cette étude ont des implications au-delà de la biologie de la punaise du haricot. Il est possible que d’autres études portant sur ce lien mécaniste nouvellement découvert entre l’horloge circadienne et la régulation de la photopériode feront progresser notre compréhension de l’adaptation saisonnière chez un large éventail d’animaux.

L’article, « La dynamique du glutamate dépendante du gène de l’horloge dans le cerveau de la punaise du haricot régule la reproduction photopériodique » a été publié dans PLOS Biologie.