Les mystères des rythmes circadiens : pourquoi le pancréas est inactif la nuit et actif le jour | Sciences et technologie

Nous avons tous une horloge biologique centrale qui garde le temps pour notre vie quotidienne. Il fait partie de l’hypothalamus, situé profondément à l’intérieur du cerveau, et sa fonction principale est de dire au reste du corps l’heure qu’il est. Le corps humain a besoin de connaître l’heure parce que son cles aunes et les tissus se comportent différemment le jour et la nuit, le matin ou l’après-midi. Ce sont nos rythmes circadiens – des changements biologiques qui suivent un cycle de 24 heures. L’horloge centrale fonctionne avec les petits chronomètres indépendants dans nos tissus pour anticiper et préparer les cellules aux événements à venir comme le déjeuner ou l’heure du coucher. Avoir une horloge biologique qui fonctionne correctement est vital car nous devenons sensibles aux maladies si elles ralentissent ou s’arrêtent.

L’horloge centrale est en fait un assemblage de 20 000 neurones avec de petites horloges moléculaires parfaitement synchronisées grâce à l’expérience évolutive de vivre dans le même écosystème pendant des millions d’années, et par la la lumière qui pénètre par la rétine de l’œil. À différents moments de la journée, certaines protéines sont activées ou exprimées plus que d’autres. Ces protéines communiquent avec les autres horloges des organes du corps pour agir en conséquence, explique Antonia Tomás-Loba, qui dirige le groupe de recherche sur le rythme circadien et le cancer de l’Université de Murcie (Espagne). “Depuis 65 millions d’années, l’évolution a conditionné nos gènes circadiens à être des animaux diurnes”, a déclaré Tomás-Loba. « Nous sommes le produit de l’adaptation à l’environnement. Les rythmes circadiens qui anticipent les changements cycliques quotidiens sont un exemple de cette adaptation. La nuit, les rythmes circadiens informent le foie que nous n’allons pas manger pendant un certain temps afin qu’il sache qu’il n’aura rien à métaboliser. Le foie fonctionne très différemment la nuit que le jour.

Lorsqu’il a servi dans la Royal Navy britannique, Aldo Kane a été une fois isolé pendant 10 jours dans un bunker nucléaire sans lumière naturelle ni horloge. C’était une expérience pour voir comment ses rythmes circadiens étaient régulés sans apport de variables externes, telles que la lumière et les horaires sociaux. Il ne pouvait compter que sur la mémoire naturelle de sa propre horloge biologique. Juan Antonio Madrid, un chercheur du Laboratoire de chronobiologie et du sommeil de l’Université de Murcie qui a participé à cette expérience a déclaré que Kane s’endormait quelques minutes plus tard chaque jour. Autrement dit, son horloge biologique générait des cycles de plus de 24 heures. Les rythmes de Kane sont revenus à la normale dès qu’il a été à nouveau exposé à divers signaux de synchronisation, comme un réveil qui se déclenche ou une lumière allumée.

Ce stimulus externe pénètre par la rétine et atterrit dans le noyau suprachiasmatique de l’hypothalamus, où se trouve cette horloge centrale. Certaines protéines sont activées à différents moments de la journée. Les protéines BMAL et CLOCK sont activées le matin et déclenchent certains gènes dans l’ADN cellulaire pour signaler l’heure de la journée. Les protéines PER et CRIE sont activées l’après-midi et se concentrent dans les cellules pour bloquer l’activité BMAL et CLOCK jusqu’au lendemain matin. Tout ce processus de chronométrage régule le cycle veille-sommeil, ainsi que d’autres processus métaboliques et comportementaux humains.

C’est pourquoi les experts disent que c’est une mauvaise idée de confondre l’horloge biologique et d’exposer votre système à la lumière d’un écran d’ordinateur tard dans la nuit. « Si je suis toujours exposé à la lumière bleue d’un écran d’ordinateur à minuit, mon horloge centrale interprète cela comme la journée et indique à mon horloge hépatique qu’il est temps de commencer à travailler. C’est alors qu’un conflit moléculaire se produit parce que j’envoie des informations qui désynchronisent les horloges », a déclaré Tomás-Loba. Une revue scientifique de 2015 publiée dans Chronobiologie Internationale ont constaté que l’exposition à la lumière artificielle la nuit supprime la sécrétion de mélatonine, déclenche la latence d’endormissement et accélère la vigilance. Cette perturbation circadienne, explique Tomás-Loba, pourrait avoir des effets négatifs “sur les fonctions psychologiques, cardiovasculaires et métaboliques”.

Madrid dit qu’il existe d’autres “synchroniseurs” en plus de la lumière qui aident à calibrer l’horloge centrale. « En plus du temps environnemental, qui est le cycle naturel de la lumière et de l’obscurité, nous avons le temps social. Ce sont des habitudes liées au temps, comme aller au travail ou interagir socialement, qui aident au processus de synchronisation. Nous avons aussi le temps métabolique. Un exemple serait les heures de repas, qui aident à synchroniser et à réguler les horloges du tube digestif et du foie. UN étude récente publiée dans La science ont démontré que la synchronisation de la consommation alimentaire avec l’horloge circadienne atténue l’obésité chez la souris. Les souris qui mangeaient pendant les phases actives de leurs cycles circadiens brûlaient plus de calories, ce qui réduisait le risque d’obésité.

Décalage horaire

Nos horloges se désynchronisent légèrement en l’absence de lumière, mais elles ne s’arrêtent pas complètement. Comme l’expérience d’Aldo Kane l’a démontré, les rythmes circadiens continuent de fonctionner, mais avec moins de précision. Le décalage horaire est un exemple bien connu de ce déclin fonctionnel, explique Salvador Aznar Benitah, qui dirige le laboratoire Cellules souches et cancer à l’Institut de recherche biomédicale de Barcelone. “Si le rythme circadien ne répondait qu’à la lumière, nos horloges s’adapteraient rapidement lorsque nous voyager dans un autre fuseau horaire. Mais ce qui se passe réellement, c’est qu’il y a un décalage initial temporaire lorsque nous atterrissons brusquement dans un fuseau horaire différent. Au bout d’un moment, l’horloge interne s’ajuste et s’aligne sur les nouvelles conditions d’éclairage.

L’horloge centrale de l’hypothalamus se synchronise avec toutes les horloges indépendantes des tissus de l’organisme. Il agit comme un chef d’orchestre en rythmant la journée et en informant le corps de l’heure. “Les rythmes circadiens préparent l’organisme à ce qui va se passer”, a déclaré Aznar. « Pendant les heures de fort ensoleillement, par exemple, la peau doit composer avec la lumière ultraviolette. Il déclenche donc des mécanismes de protection comme les mélanocytes, ce qui s’apparente à mettre de la crème solaire avant de sortir. Tôt le matin, les horloges des cellules de la peau anticipent l’exposition à la lumière du jour et activent les mélanocytes. Plus tard dans l’après-midi, les horloges cellulaires de la peau savent qu’elles n’activent pas les gènes qui activent les mélanocytes et que l’activité de la peau s’arrête.

En 2019, Aznar a publié un papier dans Cellule décrivant comment les horloges tissulaires fonctionnent indépendamment de l’horloge centrale. « Chaque tissu a sa propre horloge autonome. Il n’a besoin de personne pour lui dire quoi faire. Cette autonomie assure la longévité en évitant un effet domino en cas de défaillance d’une horloge tissulaire. L’horloge centrale fonctionne comme un coordinateur afin que toutes les horloges tissulaires sachent quelle heure il est. Si cette coordination échoue, certaines erreurs ou mutations peuvent se produire.

Le pancréas change également sur une période de 24 heures, explique Madrid. « C’est lent la nuit et très actif le jour. Lorsque vous consommez du sucre la nuit, le pancréas répond mal car il ne produit pas assez d’insuline, et l’insuline qu’il produit a un effet différent de l’insuline produite pendant la journée. Pourquoi? Parce que les changements dans les organes sont logiques, pas aléatoires. “Pendant la nuit, notre corps est programmé pour conserver et maintenir des niveaux stables de glucose pendant la longue période de jeûne entre le dîner et le petit-déjeuner”, a déclaré Madrid. Le glucose peut être conservé car les tissus qui l’utilisent comme carburant pour nourrir leurs cellules deviennent plus résistants aux effets de l’insuline, qui est l’hormone qui introduit le glucose dans les cellules. Tous ces changements, dit Madrid, sont programmés par les horloges biologiques du corps.

Chronoperturbation

Les perturbations des rythmes circadiens sont nocives pour l’organisme. “Nous avons trois types de temps qui régulent notre chronobiologie”, a déclaré Tomás-Loba. « Nous avons un temps interne, qui est le temps que nos cellules perçoivent après s’être adaptées à nos écosystèmes individuels. Nous avons le temps extérieur, qui est établi par la lumière du soleil et la lumière artificielle. Et nous avons du temps social, qui est établi par le moment où nous allons travailler ou manger. Si ces trois types de temps se désynchronisent, un déséquilibre moléculaire et physiologique appelé chronodisruption apparaît.

L’équipe de Tomás-Loba étudie actuellement les impacts sur la santé du décalage horaire social, qui résulte d’horaires de sommeil différents les jours de semaine et les jours fériés. Dans une expérience, ils ont découvert que lorsque les souris dormaient plus tard que d’habitude le week-end, leur métabolisme était affecté. « Les horloges moléculaires de plusieurs organes n’étaient pas synchronisées car ils ne savaient pas quelle heure il était. Cela a influencé le fonctionnement du système immunitaire, par exemple », a déclaré Tomás-Loba. Plusieurs études ont rapporté que lorsque les gens travaillent quarts de nuit pendant une période prolongéeil existe un risque accru de développer certaines tumeurs hormono-dépendantes, telles que le cancer du sein et de la prostate.

Aznar note que nos horloges biologiques commencent à se détériorer entre 45 et 50 ans. « Nous comprenons bien le fonctionnement de l’horloge, mais nous sommes encore novices lorsqu’il s’agit de savoir comment les différents tissus se synchronisent. Si nous comprenions comment l’horloge est déclenchée, nous pourrions développer des thérapies pour résoudre le problème.

Tomás-Loba dit qu’il existe plusieurs déclencheurs internes et externes qui entraînent des perturbations de l’horloge biologique. « La lumière est le facteur qui a été le plus étudié, mais la consommation alimentaire est une activité quotidienne, et manger à midi n’est pas la même chose que manger à 4h du matin. L’exercice est également important – nous devons être actifs pendant la journée car nous sommes des mammifères diurnes. Le bruit est un autre chronodisrupteur évident, bien qu’il y ait beaucoup plus à étudier là-bas.

Madrid, qui vient de publier un livre sur la chronobiologie, affirme que la chronoperturbation se développe au fil du temps et n’est pas déclenchée par un seul événement. “L’horloge biologique se détériore avec l’âge et nos interactions avec les synchroniseurs externes changent. Les facteurs de chronoperturbation des jeunes sont généralement externes – les synchroniseurs auxquels ils sont exposés se désalignent. Par exemple, trop de lumière la nuit, grignoter entre les repas sans heures fixes et modes de vie sédentaires. Les maladies et les altérations des rythmes circadiens sont également des vecteurs de communication. « Un déséquilibre de l’horloge peut provoquer le développement ou la progression d’une maladie. Quelques exemples sont les troubles dépressifs, problèmes de mémoire, insomnie et troubles de la reproduction. Mais la chronoperturbation peut également résulter de pathologies telles que les maladies rénales chroniques, l’apnée du sommeil et le diabète de type 2 décompensé », a déclaré Madrid.

La désynchronisation de l’horloge peut être corrigée et la chronoperturbation est réversible si l’individu est réexposé aux synchroniseurs appropriés. Le problème, dit Tomás-Luba, est lorsque les individus sont exposés de manière chronique à des stimuli qui désynchronisent les trois types de temps. “Nous sommes à un point où nous n’écoutons plus notre corps. Nous avons faim à minuit parce que nous dînons à 15 heures. Nous perdons la synchronisation avec notre écosystème », a déclaré Tomás-Loba. En fin de compte, les êtres humains sont le résultat d’un processus évolutif qui utilise la nature comme point de référence, “et notre relation avec la nature est en train de se perdre”, a averti Madrid.