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Comment nos horloges biologiques sont synchronisées

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Les scientifiques de l’Institut interfacultaire de Bioingénierie de l'EPFL ont découvert que notre horloge circadienne et notre cycle cellulaire sont synchronisés.

Rien n'est statique en biologie, tout est fluide, dynamique et en perpétuel mouvement. Souvent, ce mouvement se produit en cycles réguliers et mesurables qui fonctionnent comme des "horloges".

Deux des cycles les plus importants sont l'horloge circadienne, qui régule notre rythme de sommeil et de réveil, et le cycle cellulaire, qui régule la croissance, la vie et la mort de pratiquement toutes les cellules de notre corps. Des problématiques comme les troubles du sommeil, le cancer, le vieillissement et d'autres problèmes liés expliquent pourquoi ces deux cycles ont suscité un intérêt marqué chez les chercheurs.

L'une des grandes questions dans ce domaine a été celle de la synchronisation, phénomène observé pour la première fois par le physicien - et horloger - hollandais Christian Huygens. En synchronisation, les rythmes (phases) de deux oscillateurs s'accordent en parallèle.

Naturellement, l'horloge circadienne prend un rythme quotidien, mais il s'avère que, dans de nombreux systèmes, le cycle cellulaire implique également une échelle de temps similaire. De plus, certaines données suggèrent que les deux horloges pourraient en fait s'influencer l'une l'autre.

Aujourd'hui, les scientifiques du laboratoire de Felix Naef ont découvert que les horloges circadiennes et les horloges du cycle cellulaire sont en fait synchronisées. Cette étude révolutionnaire est publiée dans Nature Physics et figure également dans la section News and Views de la revue.

Pour mener à bien l'étude, les scientifiques ont mis au point une méthodologie de " petites données " pour construire et identifier un modèle mathématique des horloges couplées à partir de films en temps réel de milliers de cellules individuelles de souris et d'humains.

Le modèle leur a permis de prédire et de mesurer les changements de phases lorsque les deux horloges étaient synchronisées selon un modèle 1:1 et 1:2, puis de voir comment le "bruit" du système influence cette synchronisation. Enfin, les chercheurs ont également étudié comment elle pourrait être modélisée de façon aléatoire ("stochastique"), ce qui permettrait de mieux saisir ce qui se passe dans les cellules réelles.

La synchronisation s'est également avérée remarquablement résistante aux changements de température, qui sont connus pour affecter l'horloge du cycle cellulaire et modifier le rythme des divisions cellulaires. Les chercheurs ont constaté que cette synchronisation du cycle circadien-cellulaire est commune à différentes espèces, y compris les humains, ce qui suggère un mécanisme biologique fondamental.

"Cette interaction pourrait jouer un rôle physiologique", souligne Felix Naef. "Cela peut expliquer pourquoi les horloges de différents tissus du corps sont réglées de manière légèrement différente, un peu comme les horloges murales représentant les fuseaux horaires mondiaux dans un aéroport."

Les implications de l'étude sont majeures, et l’article de Nature News & Views les décrit comme "un nouveau chapitre dans la façon dont les mécanismes de couplage non linéaires peuvent être d'une importance fondamentale pour notre compréhension des systèmes vivants".

Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique, Instituts de recherche en santé du Canada, SystemsX.ch

Références

Colas Droin, Eric R. Paquet, Felix Naef. Low-dimensional dynamics of two coupled biological oscillators. Nature Physics, 05 August 2019. DOI: 10.1038/s41567-019-0598-1