Circadian clocks are a self-sustained oscillator system that modulates living species behaviors and physiology in regards of the environment and daily needs. This pacemaker possess an intrinsic period of ~24 hours corresponding to the rotation of the Earth. Daily fluctuations of light-cues synchronize the suprachiasmatic nuclei (SCN), the central clock within the hypothalamus. Accordingly, this central pacemaker adapts peripheral organs timeframes depending on their specific biological functions. To this purpose, the SCN uses a broad range of synchronizing cues including feeding modulations. The molecular oscillator is composed of transcriptional and translational feedback loops dictating the molecular oscillations of circadian outputs genes, particularly related to metabolism. The molecular core loop is initiated by the BMALl:CLOCK or BMAL1:NPAS transcriptional activators that activates the expression of Period and Cryptochrome genes encoding the PER:CRY inhibitor complex. This inhibitory heterodimer interacts with the activator complexes to destabilize their transcriptional activity resulting in the inhibition of Per and Cry expressions.
Although transcriptional modulations by the circadian clock have been primarily investigated, additional evidences led us to the hypothesis that posttranscriptional and posttranslational events may rely on circadian activities. Notably, we investigated diurnal oscillations of translational processes and showed that the ribosome biogenesis is regulated by the clock via a collaboration of transcriptional, translational and posttranslational events. In parallel, in vivo investigations of the rhythmic proteome showed a bimodal accumulation of proteins encoded by constantly expresses transcripts. This rhythmic protein synthesis may coordinate hepatic secretion according to the feeding status and suggest that rhythmic protein abundances may rely on translational or posttranslational regulations independently of mRNA levels.
In order to decipher the complex interconnection of transcriptional, posttranscriptional and translational events leading to the rhythmic modulation of protein abundances, we performed a comparative analysis of these different layers of regulations. We found that feeding rhythms and/or sustained oscillators trigger rhythmicity at different levels depending on the biological functions and restrict these processes to optimum energy-status time windows. Although translation was mainly driven by mRNA accumulations, we observed that rhythmic translation also occurred from constantly expressed transcripts. Notably, transcripts encoding mitochondria-related proteins involved in energy synthesis were mainly translated during the light phase while the energy-expensive translation machinery was produced during the dark phase, when nutrient availability is optimum.
The central clock drives feeding rhythms to tune peripheral clocks in a tissue specific manner. As a consequence, cues originating from different tissues are integrated within the synchronizing cue homeostasis. To decipher the importance of systemic and local pacemakers toward hepatic functions, we compared the effects of global or local clock disruptions upon rhythmic translation occurring in mouse liver. Rhythmic feeding-related metabolism is likely involved in the rhythmic production of the translation machinery as these oscillations were maintained in both knockout models. Although similar alterations of various transcripts related to metabolic functions were observed in both knockout models, the local clock disruption impacted more severely translational fluctuations related to mitochondrial functions. On the other hand, global disruption of the circadian clock affected feeding behaviors. As a result, regulation of protein degradation by the proteasome complex may rely on systemic clocks and or feeding-related cues.
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Les horloges circadiennes sont présentes chez les espèces vivantes soumises aux fluctuations environnementales. Ainsi, le comportement et la physiologie de ces organismes s'adapte à leur besoins quotidiens. Cette horloge possède une période intrinsèque de ~24 heures correspondant à la rotation de la Terre. L'alternance du jour et de la nuit synchronise les noyaux suprachiasmatiques (SCN), l'horloge centrale résidant dans l'hypothalamus. Par la suite, cette horloge centrale adapte le fonctionnement des organes périphériques. Pour cela, le SCN utilise un large éventail de signaux dont la température et le rythme d'alimentation. Au niveau moléculaire, des boucles de contrôle transcriptionelles et traductionelles dictent les oscillations de gènes effecteurs impliqués notamment dans le métabolisme. La boucle principale est initiée par les complexes BMALl:CLOCK ou BMAL1:NPAS2 qui activent l'expression des gènes Period et Cryptochrome codant le complexe PER:CRY. Cet hétérodimère inhibiteur interagit avec les complexes activateurs et déstabilise leur fonction transcriptionnelle et ainsi l'expression de Per et Cry.
Bien que le rôle de l'horloge circadienne ait été principalement étudié au niveau transcriptionel, des preuves supplémentaires nous ont conduits à l'hypothèse qu'elle pourrait aussi agir aux niveaux post-transcriptionnels et post-traductionnels. Nous avons notamment démontré que la biogenèse des ribosomes est régie par l'horloge via la coordination d'événements transcriptionnels, traductionnels et post-traductionnels. En parallèle, l'étude in vivo du protéome rythmique nous a permis de décrire l'accumulation rythmique de protéines indépendamment du niveau de transcrits. Ce mode de synthèse protéique semble coordonner la sécrétion hépatique en fonction du rythme d'alimentation et souligne l'importance de mécanismes traductionels ou post-traductionnels.
Afin de déchiffrer les événements transcriptionnels, post-transcriptionnels et traductionnels conduisant à l'abondance rythmique de protéines, nous avons effectué une analyse comparative de ces différents niveaux de régulation. Nous avons constaté que les rythmes d'alimentation et/ou l'horloge circadienne déclenchent la rythmicité à différents niveaux selon les fonctions biologiques et limitent ces processus à des fenêtres de temps en fonction du statut énergétique. Bien que la traduction suivent principalement l'accumulation d'ARNm, nous avons observé que des transcrits constamment exprimés sont aussi traduit de façon rythmique. Notamment, des protéines mitochondriales impliquées dans la synthèse d'énergie sont traduites principalement pendant la phase de jour tandis que la machinerie de traduction, couteuse en énergie, est produite au cours de la phase d'obscurité, lorsque la disponibilité des nutriments est optimale.
L'horloge centrale utilise les rythmes alimentaires pour synchroniser spécifiquement les horloges périphériques de chaque tissu. A leur tour, ces différents tissus peuvent influer sur la synchronisation d'autres horloges périphériques. Pour déchiffrer l'importance des stimulations systémiques et locales vis-à-vis des fonctions hépatiques, nous avons comparé les effets de la perturbation de l'horloge globale ou locale sur la traduction rythmique dans le foie de souris. Ainsi, le rythme d'alimentation semble impliqué dans la production de la machinerie de traduction. En effet, ces oscillations sont maintenues dans les deux modèles ayant des horloges déficientes. Bien que des modifications similaires altèrent les rythmes de traduction impliqués dans diverses fonctions métaboliques dans ces modèles murins, l'horloge locale semble primordiale pour les fonctions mitochondriales. D'autre part, la perturbation globale de l'horloge circadienne affecte les comportements alimentaires. Par conséquent, la production du protéasome semble être coordonnée par des signaux systémiques et notamment l'alimentation.
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Chaque être vivant soumis aux rythmes jour-nuit possède une horloge biologique appelée horloge circadienne. Cette horloge permet aux organismes d'adapter leur métabolisme et d'anticiper les variations environnementales quotidiennes. Chez les mammifères, cette horloge est présente dans le cerveau, mais également dans d'autres organes comme par exemple le foie. Au niveau physiologique, en plus de contrôler l'alternance veille-sommeil, cette horloge est impliquée dans la régulation d'autres mécanismes tels que la température corporelle, la concentration de certaines hormones dans le sang, ou encore le comportement alimentaire. L'ensemble de ces régulations permettent d'actionner les fonctions biologiques de certains organes au moment opportun.
Au niveau moléculaire, des boucles de régulations interconnectées génèrent ces rythmes de 24 heures environ. Ces oscillations permettent ainsi la régulation du métabolisme en agissant sur certaines protéines ou enzymes impliquées dans des voies de signalisations particulières. Pour cela, l'horloge agit sur différents niveaux de régulation précédant la production de protéine.
En effet, dans le cadre de ce travail, nous avons décrit comment l'horloge régie ces différents niveaux de régulation en collaboration avec le métabolisme induit par les rythmes alimentaires. Ainsi, l'horloge circadienne promeut la production de protéines impliquées dans la synthèse d'énergie en amont de la biogénèse des ribosomes, structures indispensables à la production de protéines mais couteuse en énergie.
Ce phénomène constitue un bon exemple du mode d'action de l'horloge circadienne qui, grâce à l'afflux de nutriments provenant de l'alimentation, synchronise la production protéique en anticipant les besoins énergétiques de cette fonction biologique.