Régulation circadienne Veille-sommeil Génétique de l’Horloge

1. Régulation circadienne Veille-sommeil Génétique de l’Horloge DIU sommeil 2011-2012 Bruno Claustrat Service d’Hormonologie Centre de Biologie Hospices Civils de Lyon INSERM U846

2. Obligation de déclaration des liens d’intérêts prévu à l’article L4113-13 du Code de la Santé Publique Bruno Claustrat

3. Représentation schématique des 3 processus de base sur lesquelsrepose le modèle du rythme veille-sommeil selon Borbely

4. Enregistrement actimétrique Le rythme activité-repos est nycthéméral (nuit/jour) dans les conditions de synchronisation devient circadien (circa dies, environ 24h) en l’absence de synchroniseur -sujet isolé dans une grotte -la moitié des aveugles présente des troubles du RVS

5. Rythme nycthéméral de température

6. Plasma melatonin and cortisol rhythms in free-run blind people From Sack et al. JCEM. 1992, 75 , 127-134.

7. L’apparition d’une deuxième période a suggéré l’existence d’une deuxième horloge

8. The circadian system in humans From Claustrat et al. Restorative Neurology 1998, 12, 151-157.

9. Control of melatonin secretion From Cardinali D , Pevet P ,Sleep Medecine Reviews, 1998, 2, 175-190

10. Effets de la lumière (suppresseur ou synchroniseur) sur la sécrétion de mélatonine

11. Light suppresses melatonin secretion in humans Lewy et al Science 1980: 210 1267-1269

12. Différents niveaux d’intensité lumineuse • Ciel pur en milieu de journée > 100.000 lx • Lever ou coucher du soleil ~ 10.000 lx Boites à lumière commerciales → 10.000 lx • Eclairage domestique → 200 lx • Ecran d’ordinateur < 100 lx • Bougie à un mètre de l’oeil 1lx • Lune 0.1lx

13. Synchroniseurs et agents masquants • Synchroniseurs (administrés régulièrement) -Synchroniseurs externes -Alternance lumière obscurité (naturelle ou artificielle) -Heures de lever et de coucher, d’embauche et de fin d’activité de prise alimentaire, -Plages horaires d’activité physique ou intellectuelle Les mêmes paramètres vont perturber les rythmes s’ils sont appliqués à l’organisme de façon irrégulière (ponts versus week-ends) -Synchroniseurs endogènes (Mélatonine, Cortisol, température?) • Agents masquants Ils modifient de façon transitoire les rythmes sans modifier de façon significative leur profil journalier (exemple douche chaude sur la température interne) en terme d’amplitude ou de phase • Etudes en constante routine pour s’affranchir de l’influence des synchroniseurs et des agents masquants (Czeisler) Les sujets sont privés de sommeil (jusqu’à 48h), alités avec un oreiller dans le dos, en lumière faible et à neutralité thermique, alimentés avec des petits « snacks » toutes les 4heures. Cette période permet d’avoir accès à la valeur « absolue » ou intrinsèque de la période endogène

14. La période circadienne () moyenne chez l’homme est ≈ 24.2 h en laboratoire valeur observée chez les aveugles en libre-cours(Robilliard et al, 2002) 25.00 24.75 24.50 période de mélatonine, température et cortisol chez l’homme (protocole de desynchronisationforcée) (Czeisler et al, 1999) 24.25 24.00 23.75 23.50 23.25 23.00 22.75

15. Plasma melatonin rhythm is a marker of circadian clock

16. Questionnaire de Horne réduit

17. 24-h profiles of plasma MLT levels and core body temperature in short and long sleepers during constant routine protocol from Aeschbach et al. JCEM 2003, 88, 26-30

18. PROPRIETES DES RYTHMES CIRCADIENS 1) les rythmes persistent dans des conditions constantes Période circadienne = origine endogène - preuve génétique contrôle par une horloge 2) L’horloge est entraînable sous l'effet des synchroniseurs (alternance lumière-obscurité) facilite l'adaptation à l'environnement anticipation (homéostasie prédictive) 3) les rythmes sont organisés les uns par rapport aux autres cohérence physiologique synchronisation interne = relation de phase entre différents rythmes

19. Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne • -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971) voies d’entrainement photique • -expériences de lésion des SCN • abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979) • perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977) • -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977) • -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990) • -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988) • -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

20. Photoréception Circadienne (C.Gronfier INSERM U371) 2 classes de photorécepteurs -cônes et bâtonnets -cellules ganglionnaires

21. Sensibilité spectrale de l’horloge biologique 480 nm La sensibilité de l’horloge à la lumière repose principalementsur les cellules ganglionnaires à mélanopsine Pic de sensibilité visuelle à 555 nm (photopique) Pic de sensibilité non-visuelle à ~480 nm Gronfier et al. 2005 INSERM U846

22. Système circadien:voies nerveuses

23. L’organisation des SCN est sectorisée Dardente Médecine/sciences 2005;21: 66-72

24. Hofman et al Brain Research 1996 722 (78-82)

25. Lumière Eveil Endormissement Système anti-éveil HA Gaba Glu 5HT NA Ach Sommeil lent Sommeil paradoxal Les mécanismes du sommeil ? Stimulations externes Stimulations internes  digestives douleurs émotions soucis stress

26. Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne • -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971) • -expériences de lésion des SCN • abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979) • perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977) • -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977) • -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990) • -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988) • -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

27. noyau suprachiasmatique (nsc) Lésion suppression de tous les rythmes (rat) Horloge biologique

28. Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne • -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971) • -expériences de lésion des SCN • abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979) • perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977) • -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977) • -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990) • -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988) • -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

29. Variations circadiennes d’activité neuronaleM. Gilette Brain Res 1986

30. Les noyaux suprachiasmatiques (SCN) sont le siège de l’horloge circadienne • -tractus retino-hypothalamique (Moore et al., 1971) • -expériences de lésion des SCN • abolition du rythme de NAT dans la pinéale (Klein et Moore, 1979) • perturbation du rythme activité-repos (Rusak, 1977) • -les activités électrique et métabolique des SCN sont rythmiques in vivo (Inouye et Kawamura ,1979; Schwartz et Gainer 1977) • -la transplantation d’une suspension de cellules de SCN restaure la rythmicité chez le hamster avec lésion des SCN (Silver et al 1990) • -une mutation (tau) spontanée chez le hamster entraîne un raccourcissement de la période endogène (22 h), (Ralph et Menaker, 1988) • -observations cliniques (lésions hypothalamiques)

31. Mutation τau chez le hamster (Ralph et Menaker , Science 1988,241:1225-7activité chez le type sauvage, l’hétérozygote et l’homozygote

32. L’entraînement de l’horloge par l’alternance lumière- obscurité obéit à une courbe de réponse de phase

33. Rythme nycthéméral de température

34. A human phase-response curve to lightMinors et al Neuroscience letters 1991 133 36-40

35. Le fonctionnement moléculaire de l’horloge

36. Modèle moléculaire de l’horloge circadienne Noyau Cytoplasme Clock - ? + Bmal1 ? PER 2 PER PER CLOCK BMAL1 - CRY CRY CKIε CRY 1 + mCry1 CRY 2 mCry2 CKIε PER 1 mPer1 PER mPer2 PER 2 PPP mPer3 PER 3 Rev-erb α REV-ERB α CCG CCG Voies de sortie de l’horloge D’après N. Cermakian et P. Sassone-Corsi. Médecine/Sciences 2000 ; 16 : 504-12

37. P P ● P P ● PERs CRYs CKs CRYs PERs DECs BMAL1 Clock - Per1-3 E-Box - CKs + Cry1-2 P Sortie : Rythmes biologiques Ex : AVP P P ● ● Dec1-2 + PER2 - P CRYs ● PER2 + Rev-erb α REV-ERBα - + ? Clock BMAL1 BMAL1 BMAL1 Clock Clock Boucle inhibitrice E-Box Gènes contrôlés par l’horloge Boucle activatrice Noyau Clock Bmal1 Cytoplasme Bases moléculaires des oscillations circadiennes dans les NSC des mammifères (d’après Challet et al., 2003)

38. L’expression des gènes horloges et des gènes contrôlés par l’horloge présente une organisation circadienne Asai et al 2001 Circadian Profile of Per gene mRNA expression in the SCN

39. Cette machinerie est présente dans la quasi-totalité des cellules et tissus

40. Gènes de l’horloge et carcinogenèse • Certains gènes horloges (Per2) sont suppresseurs de tumeur • Les étapes de la division cellulaire présentent un rythme journalier qui n’est pas respectée lors de la croissance tumorale - Ces étapes sont contrôlées par les gènes horloges (Wee1) - Les souris Per1/Per2 KO ont un temps de division cellulaire plus long (Fu et al 2006) • La croissance des tumeurs greffées est accélérée chez les souris dont les SCN sont détruits ou soumises à un décalage horaire chronique (Filipski et Lévi, 2006) • Chez l’homme, l’expression de certains gènes horloges (Per1/Per2), est abaissée dans les tissus tumoraux : leucémie myéloïde aigue , Gery 2005; sein, Chen, 2005; poumon, endomètre, Yeh, 2005; pancréas, Pogue-Geile, 2006

41. La périodeTau est plus courte de 0.5 h chez Per3(-/-) • (Shearman et al, Mol Cell Biol 2000, 20:6269-75)

42. La souris knockout pour Per(s) • Per1/Per3 ou Per2/Per3 (-/-) maintiennent encore des rythmes en free-running tandis que Per1/Per2(-/-) sont arythmiques(Bae et al, Neuron, 2001,30:525-36)

43. Troubles du rythme circadien du sommeil 1. Syndrome de franchissement rapide de fuseau horaire (jet lag) 2. Trouble du sommeil en rapport avec le travail posté 3. Irrégularité du sommeil et de la veille 4. Syndrome d’avance de phase du sommeil 5. Syndrome de retard de phase du sommeil 6. Syndrome hypernyctéméral (non-24h sleep-wake syndrome) 7. Trouble du rythme circadien du sommeil non autrement spécifié 8. Trouble lié à une atteinte neurologique

44. L’évaluation de l’activité de l’horloge circadienne chez l’homme -agenda de sommeil -actimétrie -questionnaire de Horne et Ostberg -mélatonine -cortisol -température -monocytes, biopsie de peau, cheveux (pour l’étude des gènes de l’horloge sur 24h)

45. Le syndrome d’avance de phase Le principal épisode de sommeil est avancé par rapport à la plage horaire habituelle, avec pour conséquence : • une somnolence vespérale majeure, • l’incapacité à rester éveillé jusqu’au moment souhaité du coucher, • l’incapacité à rester endormi jusqu’à l’heure souhaitée du lever.

46. Références • Kamei R, Hughes L, Miles L, Dement W. Advanced sleep phase syndrome studied in a time isolation facility. Chronobiologia 1979; 6:115. • Moldofsky H, Musisi S, Phillipson EA. Treatment of a case of advanced sleep phase syndrome by phase advance chronotherapy. Sleep 1986; 9: 61-65. • Singer CM, Lewy AJ. Case report: use of the dim light melatonin onset in the treatment of ASPS with bright light. Sleep Res 1989; 18: 445. • Billiard M, Verge M, Aldaz C, et al. A case of advanced-sleep phase syndrome. Sleep Res 1993; 22: 109. • Wagner DR. Disorders of the circadian sleep-wake cycle. Neurol Clin 1996; 14: 651-670. • Jones CR, Campbell SS, Zone SE et al. Familial advanced sleep-phase syndrome : a short-period circadian rhythm variant in humans. Nat Med 1999; 5: 1062-1065. • Toh KL, Jones CR, He Y, et al. An hPer2 phosphorylation site mutation in familial advanced sleep phase syndrome. Science 2001. 291: 1040-1043.

47. Cycles de mélatonine et de cortisol (plasma) de K.G. (ASPS)

48. Syndrome d’avance de phase Actimétrie de 12 jours (G. K),

49. P P Les mutations des enzymes ou des substrats sont responsables d’un même phenotype = ASPS Caseine kinase I∂ PER2

50. Jones et al, 1999: Familial ASPS inherited as a single-gene defect