Régulation circadienne Veille-sommeil Génétique de l’Horloge

DIU sommeil 2011-2012

Bruno Claustrat

Service d’HormonologieCentre de Biologie

Hospices Civils de Lyon

INSERM U846

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

Période 2008-2010 Industrie pharmaceutique, prestataire, fabriquant d’orthèses ou de ventilateurs

Coordonnateur études

Investigateur études oui

Consultant oui ( Lundbeck)

Invitation à des congrès oui

Orateur rémunéré oui

Actionnaire

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

Le rythme activité-repos

Enregistrement actimétrique

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

Rythme nycthéméral de température

From Sack et al. JCEM. 1992, 75 , 127-134.

Plasma melatonin and cortisol rhythms in free-run blind people

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

The circadian system in humans

From Claustrat et al. Restorative Neurology 1998, 12, 151-157.

Control of melatonin secretionFrom Cardinali D , Pevet P ,Sleep Medecine Reviews, 1998, 2, 175-190

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

Light suppresses melatonin secretion in humansLewy et al Science 1980: 210 1267-1269

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

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

La période circadienne () moyenne chez l’homme est ≈ 24.2 h en laboratoire

25.00

24.75

24.50

24.25

24.00

23.75

23.50

23.25

23.00

22.75

valeur observée chez les aveugles en libre-cours(Robilliard et al, 2002)

période de mélatonine, température et cortisol chez l’homme (protocole de desynchronisation forcée) (Czeisler et al, 1999)

Plasma melatonin rhythm is a marker of circadian clock

Questionnaire de Horne réduit

24-h profiles of plasma MLT levels and core body temperaturein short and long sleepers during constant routine protocol

from Aeschbach et al. JCEM 2003, 88, 26-30

PROPRIETES DES RYTHMES CIRCADIENS

1) les rythmes persistent dans des conditions constantes

Période circadienne

= origine endogène - preuve génétiquecontrôle par une horloge

2) L’horloge est entraînablesous l'effet des synchroniseurs (alternance lumière-obscurité)facilite l'adaptation à l'environnementanticipation (homéostasie prédictive)

3) les rythmes sont organisés les uns par rapport aux autrescohérence physiologiquesynchronisation interne = relation de phase entre différents rythmes

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)

Photoréception Circadienne (C.Gronfier INSERM U371)

2 classes de photorécepteurs-cônes et bâtonnets-cellules ganglionnaires

Wavelength (nm)

400 450 500 550 600 650 700

Rel

ati

ve S

en

siti

ity

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

SW mel rods MW LW Melatonin suppression

La sensibilité de l’horloge à la lumière repose principalement sur les cellules ganglionnaires à mélanopsine

Sensibilité spectrale de l’horloge biologique

Gronfier et al. 2005 INSERM U846

480 nm

Pic de sensibilité visuelle à 555 nm (photopique)Pic de sensibilité non-visuelle à ~480 nm

Système circadien:voies nerveuses

L’organisation des SCN est sectorisée

Dardente

Médecine/sciences

2005;21: 66-72

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

Eveil

Gaba

Ach

Glu

NA

HA

Les mécanismes du Les mécanismes du sommeil ?sommeil ?

EndormissementSystème anti-éveil

Sommeil paradoxal

Sommeil lent

5HT

Stimulations Stimulations externesexternes

Stimulations Stimulations internesinternes

digestivesdouleursémotionssoucisstress

Lumière

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)

Horloge biologique

noyau suprachiasmatique (nsc)

Lésion suppression de tous les rythmes (rat)

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)

Variations circadiennes d’activité neuronaleM. Gilette Brain Res 1986

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)

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

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

Rythme nycthéméral de température

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

Le fonctionnement moléculaire

de l’horloge

Noyau Cytoplasme

+

-PER

PER 3

PER 2

PER 1

PER

CRY

CRY 1

CRY 2

CRY

PER

PPP

PER 2

Clock

Bmal1

mCry2

mCry1

mPer1

mPer3

mPer2

CCG

CKIε

CKIε

CCG

Voies de sortie de l’horloge

CLOCK BMAL1

Rev-erb αREV-ERB α

-

?

Modèle moléculaire de l’horloge circadienne

D’après N. Cermakian et P. Sassone-Corsi. Médecine/Sciences 2000 ; 16 : 504-12

?+

Noyau

Cytoplasme

Gènescontrôlés

par l’horloge

BMAL1

Clock

Clock

Bmal1

E-BoxPer1-3

Cry1-2

Dec1-2

Rev-erb α

?+-

E-Box

Boucle activatrice

Boucle inhibitrice

Bases moléculaires des oscillations circadiennes dans les NSC des mammifères (d’après Challet et al., 2003)

ClockBMAL1

-

-

-

+

ClockBMAL1

+

+Clock BMAL1

Sortie :RythmesbiologiquesEx : AVP

REV-ERBα

DECs

CRYs PERs

PER2

PER2

CRYs

CRYs

PERs P

P

●● PP

CKs

P

P●

P●

CKs

P●

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

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

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

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

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)

Troubles du rythme circadien du sommeil1. 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

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)

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.

Références

1. Kamei R, Hughes L, Miles L, Dement W. Advanced sleep phase syndrome studied in a time isolation facility. Chronobiologia 1979; 6:115.

2. Moldofsky H, Musisi S, Phillipson EA. Treatment of a case of advanced sleep phase syndrome by phase advance chronotherapy. Sleep 1986; 9: 61-65.

3. 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.

4. Billiard M, Verge M, Aldaz C, et al. A case of advanced-sleep phase syndrome. Sleep Res 1993; 22: 109.

5. Wagner DR. Disorders of the circadian sleep-wake cycle. Neurol Clin 1996; 14: 651-670.

6. 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.

7. Toh KL, Jones CR, He Y, et al. An hPer2 phosphorylation site mutation in familial advanced sleep phase syndrome. Science 2001. 291: 1040-1043.

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

Syndrome d’avance de phaseActimétrie de 12 jours (G. K),

Les mutations des enzymes ou des substrats sont responsables d’un

même phenotype = ASPS

P

P

Caseine kinase I∂

PER2

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

Control FASPS pSleeponset

23:10±0:40 19:25±1:44 3:45 < 0.0005

Sleepoffset

07.44±1.13 04:18±1:44 3:26 < 0.0005

Une mutation du gène Per2 est observéedans le syndrome d’avance de phase

(Toh et al Science 2001: 291 1040-1043)

Transmission de caractère autosomique, mutation faux-sens située près du télomère du chromosome 2q

C. R. JONES. Nature Medecine 1999, 5, 1062-1065

Association entre la mutation A446G de la caseine kinase I∂ et ASPS (Xu et al, 2005)

• Affecte des individus ayant une heure préferée d’endormissement à18:12±1.4 h et une préference d’éveil à 4:06±0.7 h

• Affecte des individus ayant une mutation faux-sens dans le gène de la caséine kinase I∂ (thréonine vs alanine)

• Mutation non retrouvée chez d’autres sujets

Le syndrome de retard de phase (DSPS) est le syndrome en miroir du syndrome de retard de phase (DSPS)

Le gène per3 est concerné

Hormone and rectal temperature profiles in delayed sleep phase syndrome

12 16 20 24 04 08 12 160

50

100

150Controls (m s.e.m.)Pen.C.(08-09/10/97)

Hours

Me

lato

nin

(p

g/m

l)

Le polymorphisme de longueur de Per3 contient des substrats potentiels pour la phosporylation par la caseine kinase Iε

Le plus court allèle Per3 (4-répétitions) est associé avec une préference vespérale and DSPS (Archer et al, 2003)

Analyse des séquences répétées en tandem sur PER3 dans une population

Brésilienne (Pereira et al, 2005)

Le chronotype résulte d’une interaction de nombreux variants des différents gènes de l’horloge circadienne diversement combinés,

ou de la contribution d’un plus petit nombre de mutations de gènes différents, aux effets plus importants (hérédité oligogénique) : exemple de Per3

Certains troubles du rythme veille-sommeil sont concernés par une mutation ponctuelle (hérédité monogénique) :

exemple de Per2 ou de CKIδ dans le syndrome d’avance de phase

He Science 2009; 325: 866

• Le répresseur transcriptionnel DEC2 contrôle la durée du sommeil

• Une mutation proline=> arginine a été mise en évidence dans une famille de courts dormeurs

• Les souris KO présentent le même phénotype et constituent un modèle d’étude du phénomène homéostatique

• Pont entre le circadian et l’homéostatique

Syndrome du rythme différent de 24h (ou hypernycthéméral): Agenda de Sommeil (L. Kocher, CHLS)

Troubles du rythme circadien du sommeil1. 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

21h 0h 6h

F de 24 ans TC graveHypersomnie puis avance de phase

Cespuglio-Géhin et al 2003

Syndromes d’origine génétique associant un trouble du rythme veille-sommeil

• Syndrome de Down (trisomie 21) fragmentation du sommeil

• Syndrome de Rett (trouble lié à l’X) sommeil irrégulier ou retard de phase

• Syndrome d’Angelman (délétion ou disomie uniparentale de 15q11-13); retard deφ

• Syndrome de Smith-Magenis (délétion 17p11-2)

Phenotype d’avance de phase

rythme d’aMT6S urinaire perturbé (Potocki J Med Genet 2000 37: 428-433)

20 gènes identifiés dans la zone critique Haploinsuffisance pour la sous-unité 3 du signalosome COP3 qui régule la réponse transcriptionnelle à la lumière chez Arabinopsis thaliana (moutarde)

Daily plasma melatonin levels in Smith – Magenis Syndrome(17p 11-2 deletion)

H. Leersnyder et al. J. Pediat, 2001, 139 : 111-6

8 12 16 20 24 4 8 12 16

0

250

500

750

1000Contrôles (msem)

H.C.

Heures

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)

M.Y.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)

V.J.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)

L.I.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)C.D.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)B.R.

Cor

tiso

l (n

mol

/l)

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)

M.T.

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)B.K

Heures

8 12 16 20 24 4 8 12 160

250

500

750

1000Contrôles (msem)D.M.

Heures

Cycle de cortisol dans le syndrome de Smith-Magenis

Effect of exogenous melatonin on the endogenous secretion

Rythmes et vieillissement

Les synchroniseurs sont moins bien perçus : - opacification et jaunissement du cristallin - perception des bruits diminuée - contacts sociaux altérésLe fonctionnement de l’horloge circadienne est

amorti:-perte de neurones

Conséquences : -amplitude moins marquée (température, mélatonine) -tendance à avancer ses rythmes (période de

l’horloge diminuée)-desynchronisation interne-augmentation de l’agitation vespérale dans l’Alzheimer (sundowning)

Distribution de la période circadienne chez l’homme en condition de free-running (Czeisler et al, 1999)

Influence du vieillissement sur l’expression des gènes de l’horloge

Nighttime serum melatonin concentrations in 367 subjectsfrom Waldhauser et al . JCEM 1988, 66 ,648- 652.

FEMALE (157)MALE (210)

Les rythmes influençant le sommeil

Lack LC et al. Sleep Med Rev 2008 ; 12 : 307-17

Influence du vieillissement sur le sommeil

-heure d’endormissement plus précoce-diminution de la durée totale du sommeil au détriment

du sommeil lent profond, sommeil paradoxal conservé -augmentation de la fréquence et de la durée des éveils

nocturnes-augmentation de la somnolence diurne= diminution du contraste entre les périodes d’activité et

de repos-la frontière entre le physiologique et le pathologique

n’est pas nette

Le système circadien présente une certaine plasticité, mais aussi une certaine inertiel’ajustement, suite à des perturbations, nécessite plusieurs jours et les différents rythmes se recalent à des vitesses variables (désynchronisation interne)

Conséquences:

-jet lag syndrome

-troubles liés au travail posté

-jet lag social (adaptation aux rythmes scolaires)

- Difficultés d’adaptation au changement horaire?!