Classique : l’histoire des trois Kais

De la recherche très récente, qui fait déjà partie des classiques de biologie : l’horloge circadienne des cyanobactéries, ou comment reproduire un processus complexe dans un tube à essai.

J’ai déjà parlé sur ce blog des horloges circadiennes. Décrites pour la première fois au XVIIIe siècle, ce sont des oscillateurs biologiques chargés de coupler notre rythme biologique à la succession des jours et des nuits. Les horloges circadiennes sont notamment responsables du fameux “jetlag” (décalage horaire) lorsqu’elles sont déphasées par rapport à l’horaire local quand vous voyagez (dans ce cas d’ailleurs, prenez du Viagra !). Ces oscillateurs biologiques ont une grande influence sur tout notre métabolisme : par exemple, des perturbations du cycle semblent associées à l’obésité.

La recherche sur les horloges circadiennes est très active actuellement. On a d’abord découvert que chaque cellule possède en fait une petite horloge. Mieux : ces horloges sont des oscillateurs génétiques. Cela signifie qu`à l’intérieur de chaque cellule, des concentrations de protéines oscillent avec une période de 24h. Le plus souvent, une protéine A active la production d’une protéine B, cette protéine B interagissant avec A pour empêcher cette activation, ce qui crée une boucle de feedback négative entraînant des oscillations de concentration de protéine B. Le schéma global est évidemment plus complexe, mais le principe de base semble conservé depuis les champignons jusque la drosophile et les mammifères.

La plupart des animaux possèdent des horloges circadiennes, y compris les cyanobactéries (les fameuses algues bleues), qui font partie des premières formes de vie apparues il y a 3.8 milliards d’années. Il a été montré que trois protéines, KaiA, KaiB, KaiC, étaient nécessaires pour produire le rythme circadien des cyanobactéries. Des oscillations de phosphorylation [1] de la protéine KaiC font partie des principales manifestations de ce rythme. En 2005, l’équipe de Takao Kondo réalise une percée significative dans l’étude de cette horloge qui révolutionne notre conception du rythme circadien.Oscillations de KaiCP

L’idée est simple : il s’agit de mettre dans un tube à essai les trois protéines KaiA, B, C, et de voir ce qui se passe. Le miracle, c’est qu’en dehors de toute cellule, sans transcription, sans régulation d’aucune sorte, les oscillations de phosphorylation de KaiC (P-KaiC sur la figure ci-dessus) sont reproduites avec une période de 24h.

C’est une avancée extraordinaire : un processus aussi complexe que l’horloge circadienne se réduit ici à une succession de réactions purement chimiques entre trois protéines. On peut donc potentiellement détailler le mécanisme des horloges circadiennes dans un tube à essai. Sans compter que ces oscillations in vitro semblent avoir une bonne partie des propriétés des horloges circadiennes : par exemple, il est bien connu que la période des horloges circadiennes ne dépend pas de la température à laquelle vivent les cellules (on appelle cela la compensation de température), ce qui est paradoxal quand on sait qu’en général, les cinétiques chimiques dépendent assez fortement de celle-ci. Or, ces oscillations in vitro sont également “compensées” en température …

Une étape importante dans la compréhension de ces horloges a été franchie il y a quelqPrincipe de l’oscillateurues semaines par Rust el al., grâce à une approche mêlant théorie est expérience pour comprendre plus précisément le mécanisme des oscillations de phosphorylation de KaiC. Pour faire simple, KaiC a en fait trois états de phosphorylation : simplement phosphorylé sur un acide aminé Serine (S-KaiC), simplement phosphorylé sur un acide aminé threonine (T-KaiC), doublement phosphorylé (ST-KaiC). Rust et al. ont détaillé le cycle de phosphorylation : KaiC est d’abord phosphorylé avec l’aide de KaiA pour atteindre la forme T-KaiC, puis doublement phosphorylé dans la forme ST-KaiC par KaiA. Ensuite, il se déphosphoryle lentement (réaction réprimée par KaiA) : la forme S-KaiC a alors la propriété d’interagir avec KaiA et d’empêcher son action. Ceci crée une rétroaction négative : S-KaiC, en empêchant l’action de KaiA, empêche sa propre phosphorylation, du coup la concentration de KaiC phosphorylé baisse et on retourne à l’état initial, d’où des oscillations.

Ces travaux sont remarquables sur plusieurs points : d’abord, c’est quasiment magique de pouvoir reconstituer ainsi des oscillateurs génétiques dans un tube à essai. Ensuite, cela pose pas mal de questions sur les horloges circadiennes des autres organismes : il est en général supposé que ces horloges reposent sur des boucles de rétroaction négatives, mais basées sur la transcription (i.e. avec production de nouvelles protéines). Ne faudrait-il pas plutôt chercher des mécanismes purment biochimiques ? Ou, si la vision des horloges des organismes supérieurs reste vraie, pourquoi et comment l’évolution a convergé ultérieurement vers d’autres formes d’oscillateurs ?

[1] Une phosphorylation est une réaction chimique consistant en l’acquisition d’un groupe phosphate : en général, une phosphorylation de protéine change les propriétés chimiques de celle-ci.

Références :

M. Nakajima et al., Science 308, 414 (2005)

M. J. Rust, J. S. Markson, W. S. Lane, D. S. Fisher, E. K. O’Shea, Science 318, 809 (2007)

Illustration du mécanisme tirée de Poon & Ferrel, Science, 318, 757 (2007)

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7 commentaires à “Classique : l’histoire des trois Kais”

  1. Béné a dit:

    oui, parce qu’il y en a qui font des modèles mathématiques de ces oscillations chez les organismes supérieurs. Alors si, en plus, il faut compliquer les choses avec de la biochimie, on n’est pas couchés !!
    Mais effectivement, il est certain que de multiples mécanismes entrent en jeu : boucles de retro-contrôle, régulation traductionnelle, et phosphorylations et consors. A mon avis, ces mécanismes sont extrêmement conservés d’une espèce à l’autre, et donc, effectivement, l’étude de leur évolution nous apprendrait bien des choses !

    En fait, et c’est cela qui est assez étonnant, à ma connaissance les protéines elles-mêmes ne sont pas très conservées même si le mécanisme d’oscillation est assez conservé (sauf justement chez les cyanobactéries où cela semble très différent). Il semble y avoir eu pas des évolutions convergentes. On a ainsi toujours un activateur et un répresseur post-transcriptionnel, mais ils peuvent pas mal différer d’une espèce à l’autre.

  2. Loredann a dit:

    Je suis completement ignare en biologie, et ce n’est guere mieux en chimie! Mais ce phenomene d’oscillation des “kai” m’interpelle.
    Y-a-t-il un “amortissement” de ces oscillations chimiques? Comment se traduit-il?
    Y-a-t-il d’autres exemple d’oscillateurs chimiques connus?

    desole pour toutes ces questions mais c’est assez fascinant comme phenomene! :)

  3. Benjamin a dit:

    Les systèmes d’oscillateurs chimiques ne courent pas les rues : belousov zhabotinsky est bon exemple et à peu près le seul il me semble. Dans ce cas ça dure jusqu’à épuisement des réactifs.

  4. Virgile a dit:

    @Loredann

    Oui, il existe de nombreux oscillateurs chimiques connus. Le premier identifié est la réaction de Belousov-Zhabotinsky qui se produit à température ambiante et ne s’amortit qu’en une centaine de cycles.

    Cela me rappelle les équations de Lotka-Volterra décrivant l’évolution de populations de proies/prédateurs dans un biotope fermé. Est-ce le même type d’équations qui régissent le cycle des trois Kais?

  5. Tom Roud a dit:

    @ Loredann : Je plussoie sur BZ. Pour l’oscillateur circadien Kai, il s’amortit en plus de 3 cycles, ce qui est suffisant pour le qualifier d’oscillateur pour des chronobiologistes ;) . De toutes façons, comme un cycle dure une journée, il est assez dur de faire un western (i.e. une mesure) toutes les 4 h pendant plus de 3 cycles (je vous laisse imaginer l’état du pauvre phD student apres cela).
    @ Virgile : je pense que c’est un peu différent de Lotka-Volterra, car dans ces équations il y a production constante de “nouveaux animaux” - c’est plus proche des modèles classiques d’horloge circadienne. Ici, il y a recyclage des protéines d’un cycle a l’autre, ce qui est d’autant plus fascinant.

  6. JF a dit:

    “je vous laisse imaginer l’état du pauvre phD student apres cela”

    Bé, c’est ppour ça qu’il est là, non ?
    :-)

  7. Loredann a dit:

    Merci a tous pour vos reponses! ;-)

    @Tom : “je vous laisse imaginer l’état du pauvre phD student apres cela”
    C’est vrai qu’il faut les menager ces petites betes, l’espece est en voie d’extinction :lol:

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