Un gène reliant les rythmes circadien et circatidal est découvert chez un minuscule crustacé

Des scientifiques de la faculté de médecine UMass Chan et du laboratoire de biologie marine de Woods Hole ont identifié le premier gène, Bmal1, qui joue un rôle crucial dans la régulation du comportement circatidal du crustacé Parhyale hawaiensis. Les rythmes circadiens aident les animaux à faire face à la montée et à la descente des marées dans les zones côtières.

Publié dans Biologie actuellel’étude des neurobiologistes Patrick Emery, Ph.D., Joshua Rosenthal, Ph.D., et leurs collègues démontre le premier lien moléculaire entre les horloges circatidales et circadiennes, tout en établissant P. hawaiensis comme un nouveau système animal puissant pour étudier la génétique sous-jacente rythmes circadiens.

« Les horloges biologiques sont essentielles pour que les organismes, y compris les humains, optimisent leur physiologie et adaptent leur comportement aux cycles environnementaux », a déclaré le Dr Emery, vice-président et professeur de neurobiologie à l’UMass Chan Medical School et chercheur au Marine Biological Laboratory Whitman Center. « En comprenant comment ces comportements sont génétiquement ancrés dans les organismes, nous pouvons cartographier les systèmes sensoriels et les circuits neuronaux qui ont un impact sur la physiologie et le comportement. »

Les marées se produisent toutes les 12,4 heures. L’une des deux marées quotidiennes est causée par l’attraction gravitationnelle de la Lune sur la Terre, tandis que la seconde résulte de la force centrifuge créée par la Lune et les mouvements de rotation de la Terre dans l’espace. Les animaux marins qui vivent dans les zones de marée ont adapté leurs comportements pour faire face à ces changements spectaculaires des environnements secs aux environnements aquatiques toutes les 12,4 heures.

Bien que les rythmes circadiens aient été observés pour la première fois au début du XXe siècle chez le ver de Roscoff (Symsagittifera roscoffensis) et étudiés en détail chez les crabes, les moules et d’autres espèces marines depuis les années 1950, les fondements moléculaires et génétiques de l’horloge circatidale, ainsi que sa relation à l’horloge circadienne, est resté insaisissable.

« L’absence d’un modèle animal susceptible d’être modifié par le renversement génétique et les manipulations transgéniques a empêché les scientifiques d’enquêter définitivement sur les origines moléculaires de l’horloge circadienne et sa relation avec les gènes de l’horloge circadienne », a déclaré Emery. « Seules une poignée d’études sur la génétique circatidale existent et celles-ci sont incapables de statuer ou d’exclure un rôle des gènes de l’horloge circadienne dans les comportements circadiens chez les animaux. »

Erica Kwiatkowski, MD/Ph.D. étudiant au laboratoire Emery de l’UMass Chan, en collaboration avec le laboratoire du Dr Rosenthal, chercheur principal au Laboratoire de biologie marine, a identifié le petit crustacé amphipode P. hawaiensis comme un modèle prometteur. Pour simuler l’environnement naturel de P. hawaiensis, les chercheurs ont développé un habitat de marée artificiel en laboratoire pour l’animal d’un centimètre de long en utilisant de l’eau de mer artificielle pompée dans et hors d’un aquarium toutes les 12,4 heures.

Kwiatkowski et ses collègues ont exposé les amphipodes à 10 cycles (l’équivalent de cinq jours) dans l’environnement des marées artificielles. Une fois acclimaté à ces conditions, P. hawaiensis a été retiré par les chercheurs de l’environnement de marée artificielle et placé dans un habitat avec un niveau d’eau constant. Dans des tubes à essai individuels, l’activité de nage des animaux a été enregistrée à l’aide de faisceaux infrarouges. De manière frappante, toutes les 12,4 heures, la majorité des animaux (80 %) ont augmenté leur activité de nage en prévision des marées hautes, puis ont réduit leur activité en prévision de la marée basse, même s’ils n’étaient plus exposés aux changements des niveaux d’eau. Cela a démontré l’existence d’une horloge circatidale contrôlant le comportement locomoteur chez P. hawaiensis.

Le laboratoire du directeur du laboratoire de biologie marine, Nipam Patel, Ph.D., a développé P. hawaiensis comme organisme modèle pour étudier les gènes contrôlant de nombreux aspects du développement de l’embryon, y compris la structuration des membres.

« Au fil des ans, le laboratoire Patel a créé des ressources précieuses dans cet organisme, comme un génome séquencé et des méthodes pour éliminer les gènes à l’aide de CRISPR. Bien que l’intention initiale n’ait pas été d’utiliser Parhyale pour l’étude des rythmes circadiens, il s’est transformé se sont avérés excellents à cette fin. Nous prévoyons que cet organisme catalysera de nombreuses recherches futures dans ce domaine », a déclaré Rosenthal.

Une fois que la forte présence d’un rythme circatidal chez P. hawaiensis a été établie, Kwiatkowski et ses collègues ont utilisé l’inactivation du gène guidé par CRISPR/Cas9 pour rechercher les gènes liés au comportement circatidal. En abattant des gènes individuels, les scientifiques peuvent observer l’effet qu’un gène perdu a sur un processus biologique.

En utilisant les gènes qui contrôlent les rythmes circadiens chez les mammifères comme guide pour rechercher des gènes circadiens, Kwiatkowski et ses collègues ont découvert que la suppression du gène circadien Bmal1 modifiait le comportement de P. hawaiensis – l’animal ne présentait plus de comportements de nage circadiens. Au lieu de cela, les animaux présentaient un comportement arythmique sans lien avec les courants de marée.

« Bmal1 est un élément essentiel pour le maintien du comportement circatidal chez P. hawaiensis », a déclaré Kwiatkowski. « C’est la première preuve qu’un gène impliqué dans les rythmes circadiens est également impliqué dans les rythmes circadiens. Cela établit un lien moléculaire entre les deux systèmes. »

La prochaine étape pour Emery et ses collègues est d’étudier le rôle exact que Bmal1 joue dans la conduite du comportement circatidal et quels autres gènes peuvent être impliqués.