L'horloge biologique maintient un cycle de 24 heures en modifiant le fonctionnement des gènes dans des conditions chaudes

Des chercheurs dirigés par le général Kurosawa au Centre RIKEN pour les sciences théoriques et mathématiques interdisciplinaires (iTHEMS) au Japon ont utilisé la physique théorique pour découvrir comment notre horloge biologique maintient un cycle stable de 24 heures même lorsque la température change.

Ils ont découvert que cette stabilité est obtenue par un léger changement de la « forme » des rythmes d'activité des gènes à des températures plus élevées, un processus appelé distorsion de forme d'onde. Ce processus permet non seulement de maintenir l'heure exacte, mais affecte également la synchronisation de notre horloge interne avec le cycle jour-nuit. L'étude est publiée dans la revue PLOS Computational Biology.

Vous êtes-vous déjà demandé comment votre corps sait quand dormir ou se réveiller? La réponse est simple: votre corps possède une horloge biologique qui fonctionne sur un cycle d'environ 24 heures. Mais comme la plupart des réactions chimiques s'accélèrent avec la hausse des températures, la façon dont le corps compense les variations de température tout au long de l'année, ou même lorsque nous alternons entre la chaleur estivale et la fraîcheur des pièces climatisées, reste un mystère.

L'horloge biologique fonctionne grâce aux fluctuations cycliques des niveaux d'ARNm – les molécules qui codent pour la production de protéines – qui se produisent lorsque certains gènes sont activés et désactivés de manière rythmique. Tout comme le mouvement d'un pendule peut être décrit par une onde sinusoïdale mathématique, montant et descendant régulièrement, le rythme de production et de dégradation de l'ARNm peut être représenté par une onde oscillatoire.

L'équipe de Kurosawa au RIKEN iTHEMS, en collaboration avec ses collègues de l'Université YITP de Kyoto, a appliqué des méthodes de physique théorique pour analyser les modèles mathématiques décrivant ces oscillations rythmiques de l'ARNm. Ils ont notamment utilisé la méthode du groupe de renormalisation, un outil puissant issu de la physique qui permet d'extraire des processus dynamiques clés, à évolution lente, du système rythmique de l'ARNm.

L'analyse a montré qu'à mesure que la température augmentait, les niveaux d'ARNm augmentaient plus rapidement et diminuaient plus lentement, mais la durée d'un cycle restait constante. Sur un graphique, ce rythme à haute température ressemblait à une onde déformée et asymétrique.

Pour tester les conclusions théoriques sur des organismes vivants, les chercheurs ont analysé des données expérimentales sur des drosophiles et des souris. En effet, à des températures élevées, ces animaux ont présenté les distorsions de forme d'onde prédites, confirmant ainsi la validité du modèle théorique.

Les scientifiques concluent que la distorsion de la forme d’onde est essentielle à la compensation de la température dans l’horloge biologique, en particulier pour ralentir le déclin des niveaux d’ARNm à chaque cycle.

L'équipe a également constaté que la distorsion des formes d'onde affecte la capacité de l'horloge biologique à se synchroniser avec des signaux externes, tels que la lumière et l'obscurité. L'analyse a montré qu'une distorsion plus importante des formes d'onde améliore la stabilité de l'horloge et la rend moins affectée par les signaux externes.

Cette conclusion théorique coïncide avec les observations expérimentales sur les mouches et les champignons et est importante car les cycles irréguliers de lumière et d’obscurité font désormais partie de la vie moderne pour la plupart des gens.

« Nos résultats montrent que la distorsion de la forme d’onde est un élément essentiel pour que l’horloge biologique reste précise et synchronisée, même lorsque la température change », explique Kurosawa.

Il ajoute que les recherches futures pourraient se concentrer sur l'identification des mécanismes moléculaires qui ralentissent la baisse des niveaux d'ARNm et provoquent la distorsion de la forme d'onde. Les chercheurs espèrent également étudier comment cette distorsion varie selon les espèces, voire les individus, car l'âge et les différences individuelles peuvent affecter le fonctionnement de l'horloge biologique.

« À long terme », note Kurosawa, « le degré de distorsion des ondes dans les gènes de l'horloge pourrait devenir un biomarqueur permettant de mieux comprendre les troubles du sommeil, le décalage horaire et les effets du vieillissement sur l'horloge interne. Il pourrait également révéler des schémas rythmiques universels, non seulement en biologie, mais dans tout système à cycles répétitifs. »