Circadian variation of salivary immunoglobin A, alpha-amylase activity and mood in response to repeated double-poling sprints in hypoxia.

PURPOSE: To assess the circadian variations in salivary immunoglobin A (sIgA) and alpha-amylase activity (sAA), biomarkers of mucosal immune function, together with mood during 2 weeks of repeated sprint training in hypoxia (RSH) and normoxia (RSN). METHODS: Over a 2-week period, 17 competitive cross-country skiers performed six training sessions, each consisting of four sets of five 10-s bouts of all-out double-poling under either normobaric hypoxia (FiO2: 13.8 %, 3000 m) or normoxia. The levels of sIgA and sAA activity and mood were determined five times during each of the first (T1) and sixth (T6) days of training, as well as during days preceding (baseline) and after the training intervention (follow-up). RESULTS: With RSH, sIgA was higher on T6 than T1 (P = 0.049), and sAA was increased on days T1, T6, and during the follow-up (P < 0.01). With RSN, sIgA remained unchanged and sAA was elevated on day T1 only (P = 0.04). Similarly, the RSH group demonstrated reduced mood on days T1, T6, and during the follow-up, while mood was lowered only on T1 with RSN (P < 0.01). CONCLUSIONS: The circadian variation of sIgA and sAA activity, biomarkers of mucosal immune function, as well as mood were similar on the first day of training when repeated double-poling sprints were performed with or without hypoxia. Only with RSH did the levels of sIgA and sAA activity rise with time, becoming maximal after six training sessions, when mood was still lowered. Therefore, six sessions of RSH reduced mood, but did not impair mucosal immune function.

Exploring the periodicity of cardiovascular events in Switzerland: variation in deaths and hospitalizations across seasons, day of the week and hour of the day.

PURPOSE: The purpose of this study is to explore the periodical patterns of events and deaths related to cardiovascular disease (CVD), acute myocardial infarction (AMI) and stroke in Swiss adults (≥ 18 years). METHODS: Mortality data for period 1969-2007 (N=869,863 CVD events) and hospitalization data for period 1997-2008 (N=959,990 CVD events) were used. The annual, weekly and circadian distribution of CVD-related deaths and events were assessed. Multivariate analysis was conducted using multinomial logistic regression adjusting for age, gender and calendar year and considering deaths from respiratory diseases, accidents or other causes as competitive events. RESULTS: CVD deaths and hospitalizations occurred less frequently in the summer months. Similar patterns were found for AMI and stroke. No significant weekly variation for CVD deaths was found. Stratification by age and gender showed subjects aged <65 years to present a higher probability of dying on Mondays and Saturday, only for men. This finding was confirmed after multivariate adjustment. Finally, a circadian variation in CVD mortality was observed, with a first peak in the morning (8-12 am) and a smaller second peak in the late afternoon (2-6 pm). This pattern persisted after multivariate adjustment and was more pronounced for AMI than for stroke. CONCLUSION: There is a periodicity of hospitalizations and deaths related to CVD, AMI and stroke in Switzerland. This pattern changes slightly according to the age and sex of the subjects. Although the underlying mechanisms are not fully identified, preventive measures should take into account these aspects to develop better strategies of prevention and management of CVD.

Myocardial infarct size and mortality depend on the time of day-a large multicenter study.

BACKGROUND: Different studies have shown circadian variation of ischemic burden among patients with ST-Elevation Myocardial Infarction (STEMI), but with controversial results. The aim of this study was to analyze circadian variation of myocardial infarction size and in-hospital mortality in a large multicenter registry. METHODS: This retrospective, registry-based study was based on data from AMIS Plus, a large multicenter Swiss registry of patients who suffered myocardial infarction between 1999 and 2013. Peak creatine kinase (CK) was used as a proxy measure for myocardial infarction size. Associations between peak CK, in-hospital mortality, and the time of day at symptom onset were modelled using polynomial-harmonic regression methods. RESULTS: 6,223 STEMI patients were admitted to 82 acute-care hospitals in Switzerland and treated with primary angioplasty within six hours of symptom onset. Only the 24-hour harmonic was significantly associated with peak CK (p = 0.0001). The maximum average peak CK value (2,315 U/L) was for patients with symptom onset at 23:00, whereas the minimum average (2,017 U/L) was for onset at 11:00. The amplitude of variation was 298 U/L. In addition, no correlation was observed between ischemic time and circadian peak CK variation. Of the 6,223 patients, 223 (3.58%) died during index hospitalization. Remarkably, only the 24-hour harmonic was significantly associated with in-hospital mortality. The risk of death from STEMI was highest for patients with symptom onset at 00:00 and lowest for those with onset at 12:00. DISCUSSION: As a part of this first large study of STEMI patients treated with primary angioplasty in Swiss hospitals, investigations confirmed a circadian pattern to both peak CK and in-hospital mortality which were independent of total ischemic time. Accordingly, this study proposes that symptom onset time be incorporated as a prognosis factor in patients with myocardial infarction.

The effect of a period of intensive exercise on the isoform test to detect growth hormone doping in sports.

OBJECTIVE: The major objective of this study was to investigate the effects of several days of intense exercise on growth hormone (hGH) testing using the World Anti-Doping Agencies hGH isoform differential immunoassays. Additionally the effects of circadian variation and exercise type on the isoform ratios were also investigated. STUDY DESIGN: 15 male athletes performed a simulated nine day cycling stage race. Blood samples were collected twice daily over a period of 15days (stage race+three days before and after). hGH isoforms were analysed by the official WADA immunoassays (CMZ Assay GmbH). RESULTS: All measured isoform ratios were far below the WADA decision limits for an adverse analytical finding. Changes in the isoform ratios could not be clearly connected to circadian variation, exercise duration or intensity. CONCLUSIONS: The present study demonstrates that the hGH isoform ratios are not significantly affected by exercise or circadian variation. We demonstrated that heavy, long term exercise does not interfere with the decision limits for an adverse analytical finding.

Circadian regulation of renal function.

Urinary excretion of water and all major electrolytes exhibit robust circadian oscillations. The 24-h periodicity has been well documented for several important determinants of urine formation, including renal blood flow, glomerular filtration, tubular reabsorption, and tubular secretion. Disturbance of the renal circadian rhythms is increasingly recognized as a risk factor for hypertension, polyuria, and other diseases and may contribute to renal fibrosis. The origin of these rhythms has been attributed to the reactive response of the kidney to circadian changes in volume and/or in the composition of extracellular fluids that are entrained by rest/activity and feeding/fasting cycles. However, numerous studies have shown that most of the renal excretory rhythms persist for long periods of time, even in the absence of periodic environmental cues. These observations led to the hypothesis of the existence of a self-sustained mechanism, enabling the kidney to anticipate various predictable circadian challenges to homeostasis. The molecular basis of this mechanism remained unknown until the recent discovery of the mammalian circadian clock made of a system of autoregulatory transcriptional/translational feedback loops, which have been found in all tissues studied, including the kidney. Here, we present a review of the growing evidence showing the involvement of the molecular clock in the generation of renal excretory rhythms.

A multilevel approach to understanding circadian rhythmicity : social and sleep-dependent effects in ants and mice

Résumé françaisLa majorité des organismes vivants sont soumis à l'alternance du jour et de la nuit, conséquence de la rotation de la terre autour de son axe. Ils ont développé un système interne de mesure du temps, appelé horloge circadienne, leur permettant de s'adapter et de synchroniser leur comportement et leur physiologie aux cycles de lumière. Cette dernière est considérée comme étant le signal majeur entraînant l'horloge interne et. par conséquent, les rythmes journaliers d'éveil et de sommeil. Outre sa régulation circadienne, le sommeil est contrôlé par un processus homéostatique qui détermine son besoin. La contribution de ces deux processus dans le fonctionnement cellulaire du cerveau n'a pas encore été investiguée. La mesure de l'amplitude ainsi que de la prévalence des ondes delta de l'EEG (activité delta) constitue un index très fiable du besoin de sommeil. Il a été démontré que cette activité est génétiquement déterminée et associée à un locus de trait quantitatif situé sur le chromosome 13 de la souris.Grâce à des expériences de privation de sommeil et d'analyses de transcriptome du cerveau dans trois souches de souris présentant diverses réponses à la privation de sommeil, nous avons trouvé que Homerla, localisé dans la région d'intérêt du chromosome 13, est le meilleur marqueur du besoin de sommeil. Homerla est impliqué dans la récupération de l'hyperactivité neuronale induite par le glutamate, grâce à son effet tampon sur le calcium intracellulaire. Une fonction fondamentale du sommeil pourrait donc être de protéger le cerveau et de lui permettre de récupérer après une hyperactivité neuronale imposée par une veille prolongée.De plus, nous avons montré que 2032 transcrits sont exprimés rythmiqueraent dans le cerveau de la souris, parmi lesquels seulement 391 le restent après que les animaux aient été privés de sommeil à différents moments au cours des 24 heures. Cette observation montre clairement que la plupart des changements rythmiques au niveau du transcriptome dépendent du sommeil et non de l'horloge circadienne et souligne ainsi l'importance du sommeil dans la physiologie des mammifères.La plupart des expériences concernant les rythmes circadiens ont été réalisées sur des individus isolés en négligeant l'effet du contexte social sur les comportements circadiens. Les espèces sociales, telles que les fourmis, se caractérisent par une division du travail où une répartition des tâches s'effectue entre ses membres. De plus, certaines d'entre elles doivent être pratiquées en continu comme les soins au couvain tandis que d'autres requièrent une activité rythmique comme le fourragement. Ainsi la fourmi est un excellent modèle pour l'étude de 1 influence du contexte social sur les rythmes circadiens.A ces fins, nous avons décidé d'étudier les rythmes circadiens chez une espèce de fourmi Camponotus fellah et de caractériser au niveau moléculaire son horloge circadienne. Nous avons ainsi développé un système vidéo permettant de suivre l'activité locomotrice de tous les individus d'une colonie. Nos résultats montrent que, bien que la plupart des fourmis soient arythmiques à l'intérieur de la colonie, elles développent d'amples rythmes d'activité en isolation. De plus, ces rythmes disparaissent presque aussitôt que la fourmi est réintroduite dans la colonie. Cette rythmicité observée en isolation semble être générée par l'horloge circadienne car elle persiste en condition constante (obscurité totale). Nous avons ensuite regardé si cette apparente arythmie observée dans la colonie résultait d'un effet masquant des interactions sociales sur les rythmes circadiens d'activité. Nos résultats suggèrent que l'horloge interne est fonctionnelle dans la colonie mais que l'expression de ses rythmes au niveau comportemental est inhibée par les interactions sociales. Les analyses moléculaires du statut de l'horloge dans différents contextes sociaux sont actuellement en cours. Le contexte social semble donc un déterminant majeur du comportement circadien chez la fourmi.AbstractAlmost all living organisms on earth are subjected to the alternance of day and night re-sulting from the rotation of the earth around its axis. They have evolved with an internal timing system, termed the circadian clock, enabling them to adapt and synchronize their behavior and physiology to the daily changes in light and related environmental parame¬ters. Light is thought to be the major cue entraining the circadian clock and consequently the rhythms of rest/activity. In addition to its circadian dependent timing, sleep is reg¬ulated by a homeostatic process that determines its need. The contribution of these two processes in the cellular functioning of the brain has not yet been considered. A highly reliable index of the homeostatic process of sleep is the measure of the amplitude and prevalence of the EEG delta waves (delta activity). It has been shown that sleep need, measured by delta activity, is genetically determined and associated with a Quantitative Trait Locus (QTL) located on the mouse chromosome 13. By using sleep deprivation and brain transcriptome profiling in three inbred mouse strains showing different responses to sleep loss, we found that Homerla, localized within this QTL region is the best transcrip¬tional marker of sleep need. Interestingly Homerla is primarily involved in the recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity by its buffering effect on intracellular cal¬cium. A fundamental function of sleep may therefore reside in the protection and recovery of the brain from a neuronal hyperactivity imposed by prolonged wakefulness.Moreover, time course gene expression experiments showed that 2032 brain tran¬scripts present a rhythmic variation, but only 391 of those remain rhythmic when mice are sleep deprived at four time points around the clock. This finding clearly suggests that most changes in gene transcription over the day are sleep-wake dependent rather than clock dependent and underlines the importance of sleep in mammalian physiology.In the second part of this PhD, I was interested in the social influence on circadian behavior. Most experiments done in the circadian field have been performed on isolated individuals and have therefore ignored the effect of the social context on circadian behav-ior. Eusocial insect species such as ants are characterized by a division of labor: colony tasks are distributed among individuals, some of them requiring continuous activity such as nursing or rhythmic ones such as foraging. Thus ants represent a suitable model to study the influence of the social context on the circadian clock and its output rhythms.The aim of this part was to address the effect of social context on circadian rhythms in the ant species Camponotus fellah and to characterize its circadian clock at the molecu¬lar level. We therefore developed a video tracking system to follow the locomotor activity of all individuals in a colony. Our results show that most ants are arrhythmic within the colony, but develop, when subjected to social isolation, strong rhythms of activity that intriguingly disappear when individuals are reintroduced into the colony. The rhythmicity observed in isolated ants seems to be driven by the circadian clock as it persists under constant conditions (complete darkness). We then tested whether the apparent arrhyth- micity in the colony stemmed from a masking effect of social interactions on circadian rhythms. Indeed, we found that circadian clocks of ants in the colony are functional but their expression at the behavioral level is inhibited by social interactions. The molecular assessment of the circadian clock functional state in the different social context is still under investigation. Our results suggest that social context is a major determinant of circadian behavior in ants.

Variation de la mortalité périnatale selon l'heure de naissance en Suisse. [Variations in perinatal mortality according to the hour of birth in Switzerland].

In Switzerland like in most developed countries, the number of births is strongly related to the hour of the day and the day of the week: this pattern is very probably related to the current practice in obstetrics. Less expected is the fact that the perinatal mortality shows a striking circadian rhythm according to the hour of birth. The paper presents this pattern and comments some related issues.

The circadian rhythm of the perinatal mortality rate in Switzerland.

The authors examine the relation between the perinatal mortality rate (PMR), birth weight in four categories, and hour of birth throughout the week in Switzerland, using data on 672,013 births and 5,764 perinatal deaths recorded between 1979 and 1987. From Monday to Friday, the PMR follows a circadian rhythm with a regular increase from early morning to evening, with a peak for babies born between 7 and 8 p.m. This pattern of variation has two main components: The circadian rhythms for the proportion of births in the four weight categories and the PMR circadian rhythm for babies weighing more than 2.5 kg. According to a cosinor model, which describes about 40% of the total variation in the PMR, the most important determinants are changes in the proportions of births: Low birth weight increases toward the afternoon and night. Mechanisms underlying the weight-specific timing of birth are discussed, including time selection of birth according to obstetric risks, the direct effect of neonatal and obstetric care, and chronobiologic behavior.

Diurnal variation in the release of alpha-MSH from rat hypothalamus and pituitary

Release of alpha-MSH from rat hypothalamic slices was characterized with respect to ionic requirements and possible diurnal variations using a sensitive radioimmunoassay. Addition of 47 mM KCl to the superfusion medium resulted in a twofold increase in alpha-MSH functions as a neurotransmitter or neuromodulator in the hypothalamus. Both spontaneous and potassium-induced alpha-MSH release compared to spontaneous release. Removal of calcium from the superfusion medium abolished the potassium-evoked release of alpha-MSH. This supports the concept that alpha-MSH release were related to diurnal variation. Marked release from the slices was observed at 10.10 h, corresponding to a peak in the alpha-MSH concentration in the hypothalamus [18] and to a lower levels of alpha-MSH in the blood. Contrarily, no significant release from the hypothalamus was obtained at 17.00 h when hypothalamic alpha-MSH content was low, but blood levels exhibited a peak. These findings suggest that there are differences in the regulation of the alpha-MSH from the pituitary and that in the hypothalamus.

The circadian rhythm of the perinatal mortality rate in Switzerland.

The authors examine the relation between the perinatal mortality rate (PMR), birth weight in four categories, and hour of birth throughout the week in Switzerland, using data on 672,013 births and 5,764 perinatal deaths recorded between 1979 and 1987. From Monday to Friday, the PMR follows a circadian rhythm with a regular increase from early morning to evening, with a peak for babies born between 7 and 8 p.m. This pattern of variation has two main components: The circadian rhythms for the proportion of births in the four weight categories and the PMR circadian rhythm for babies weighing more than 2.5 kg. According to a cosinor model, which describes about 40% of the total variation in the PMR, the most important determinants are changes in the proportions of births: Low birth weight increases toward the afternoon and night. Mechanisms underlying the weight-specific timing of birth are discussed, including time selection of birth according to obstetric risks, the direct effect of neonatal and obstetric care, and chronobiologic behavior.

Temporal variation in glucocorticoid levels during the resting phase is associated in opposite way with maternal and paternal melanic coloration.

Sex-dependent selection can help maintain sexual dimorphism. When the magnitude of selection exerted on a heritable sex trait differs between the sexes, it may prevent each sex to reach its phenotypic optimum. As a consequence, the benefit of expressing a sex trait to a given value may differ between males and females favouring sex-specific adaptations associated with different values of a sex trait. The level of metabolites regulated by genes that are under sex-dependent selection may therefore covary with the degree of ornamentation differently in the two sexes. We investigated this prediction in the barn owl, a species in which females display on average larger black spots on the plumage than males, a heritable ornament. This melanin-based colour trait is strongly selected in females and weakly counter-selected in males indicating sex-dependent selection. In nestling barn owls, we found that daily variation in baseline corticosterone levels, a key hormone that mediates life history trade-offs, covaries with spot diameter displayed by their biological parents. When their mother displayed larger spots, nestlings had lower corticosterone levels in the morning and higher levels in the evening, whereas the opposite pattern was found with the size of paternal spots. Our study suggests a link between daily regulation of glucocorticoids and sex-dependent selection exerted on sexually dimorphic melanin-based ornaments.

Lipoprotein distribution and biological variation of 24S- and 27-hydroxycholesterol in healthy volunteers.

24S- and 27-hydroxycholesterol are obligatory intermediates of cholesterol catabolism and play an important role in the maintenance of whole-body cholesterol homeostasis. Using an HPLC-MS method for oxysterol quantification, the distribution of esterified and unesterified oxysterols in lipoprotein subfractions as well as the influence of daytime, food intake and menstrual cycle on oxysterol concentrations were investigated in healthy volunteers. Moreover, reference intervals for 24S- and 27-hydroxycholesterol in plasma as well as the corresponding levels for 27-hydroxycholesterol in the HDL subfraction were established in 100 healthy volunteers. Both circulating oxysterols are mainly transported in association with HDL and LDL--primarily in the esterified form. No significant diurnal changes and no variations during menstrual cycle of either absolute or cholesterol-related plasma levels were detected. In contrast to 24S-hydroxycholesterol in plasma and 27-hydroxycholesterol in the HDL subfraction, the 95% reference intervals of 27-hydroxycholesterol both in plasma and the non-HDL subfraction were higher in males than in females. The concentrations of 27-hydroxycholesterol in plasma and the non-HDL subfraction showed strong positive correlations with the concentrations of cholesterol, non-HDL cholesterol and triglycerides. Our data on the lipoprotein distribution of oxysterols as well as on their intra- and inter-individual variation set the stage for future clinical studies.

Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.

Post-transcriptional regulation of circadian gene expression by miRNAs

La grande majorité des organismes vivants ont développé un système d'horloges biologiques internes, appelées aussi horloges circadiennes, contrôlant l'expression de gênes impliqués dans de nombreux processus moléculaires et comportementaux. Au cours de la dernière décennie, des analyses « microarray » et séquençages à haut débit sur divers tissus de mammifères, indiquent que jusqu'à 20% du transcriptome serait sous contrôle circadien. Il était jusqu'à présent admis que la majorité des ARNm ayant une accumulation rythmique était générée par une transcription qui était elle-même rythmique. Toutefois, de récentes études ont suggéré qu'une proportion considérable des ARNm cycliques serait en fait générée par des mécanismes post-transcriptionnelles, incluant une régulation par micro-ARN (miARN). Lorsque j'ai débuté mon travail de thèse, l'influence des miARN sur l'expression des gènes circadiens, au niveau pangénomique, était encore méconnue. Par l'utilisation d'un modèle murin, dont la biogenèse des miARN a été spécifiquement désactivée au niveau des cellules hépatiques (knockout conditionnel pour Dicer), je me suis donc intéressée au rôle que jouaient ces molécules régulatrices sur la rythmicité de l'expression génique dans le foie. Des séquençages sur l'ensemble du transcriptome révèlent que l'horloge interne du foie est étonnement résistante à la perte totale des miARN. Nous avons cependant trouvé que les miARN agissent de façon importante sur la régulation de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge moléculaire. La corégulation par les miARN, affectant jusqu'à 30% des gènes transcrits de façon rythmiques, conduit ainsi à une modulation de phase et d'amplitude du rythme de l'abondance des ARNm. En revanche, seuls peu de transcrits dépendent uniquement des miARN pour la rythmicité de leur accumulation. Enfin, mon travail met en évidence plusieurs miARN spécifiques, qui semblent préférentiellement moduler l'expression des gènes cycliques et permet l'identification de voies hépatiques particulièrement sujettes à une double régulation par les miARN et l'horloge biologique interne. La première masse d'analyses a essentiellement porté sur le rôle que jouent les miARN au niveau de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge interne. Dans deux études de suivi, je me suis penchée sur deux aspects supplémentaires et complémentaires de la manière dont les miARN et l'oscillation de l'expression des gènes interagissent. Dans les hépatocytes murins, spécifiquement privés de Dicer, je me suis demandée si un phénotype horloge avait pu être masqué, dû à un entraînement stable de l'horloge du foie par l'horloge maîtresse du cerveau. J'ai donc commencé une série d'expériences ambitieuses (impliquant la mesure de la rythmicité du foie in vivo, chez l'animal vivant) afin de déséquilibrer l'entrainement de l'horloge hépatique via l'utilisation d'un protocole nutritionnel spécifique. Les premiers résultats suggèrent que dans des conditions où l'animal subit une restriction alimentaire pendant la journée, les miARN sont importants dans la cinétique d'adaptation des organes périphériques à un nouvel horaire de sustentation. Dans une deuxième ligne de recherche, j'ai plus profondément étudié quels seraient les miARN responsables des rythmes post-transcriptionnels des ARNm, en utilisant le séquençage de « small » ARN sur 24h. L'analyse est en cours et se poursuivra après l'obtention de mon diplôme. De façon générale, mon travail révèle d'importants et nouveaux rôles des miARN dans la modulation de l'expression circadienne des gènes hépatiques. De plus, le set de données générées dans l'étude déjà publiée, peut dorénavant servir de ressource valable pour de prochaines investigations sur le rôle physiologique que les miARN jouent au niveau du foie. -- Most living organisms have developed internal timing systems, called circadian clocks, to drive the rhythmic expression of genes involved in many molecular and behavioral processes. Over the last decade, microarray analyses and high- throughput sequencing from various mammalian tissues have indicated that up to 20% of the transcriptome are under circadian control. It was generally assumed that the majority of rhythmic mRNA accumulation is generated by rhythmic transcription. However, recent studies have suggested that a considerable proportion of mRNA cycling may actually be generated by post-transcriptional mechanisms, including by microRNAs. When I started my thesis work, it was still unknown how miRNAs influence circadian gene expression in a genome-wide fashion. Using a mouse model in which miRNA biogenesis can be inactivated in hepatocytes (conditional Dicer knockout mouse), I have thus addressed the role that these regulatory molecules play in rhythmic gene expression in the liver. Whole transcriptome sequencing revealed that the hepatic core clock was surprisingly resilient to total miRNA loss. However, we found that miRNAs acted as important regulators of clock-controlled gene expression. Co- regulation by miRNAs, which affected up to 30% of rhythmically transcribed genes, thus led to the modulation of phases and amplitudes of mRNA abundance rhythms. By contrast, only very few transcripts were strictly dependent on miRNAs for their rhythmic accumulation. Finally, my work highlights several specific miRNAs that appear to preferentially modulate cyclic gene expression, and identifies pathways in the liver that are particularly prone to dual regulation through miRNAs and the clock. The first bulk of analyses mainly dealt with the role that miRNAs play at the level of rhythmic clock output gene expression. In two follow-up studies I further delved into two additional, complementary aspects of how miRNAs and gene expression oscillations interact. First, I addressed whether a core clock phenotype in the hepatocyte-specific Dicer knockout could have been masked due to the stable entrainment of the liver clock by the animals' master clock in the brain. I thus started a series of ambitious experiments (involving the in vivo recording of liver rhythms in live animals) to bring the stable entrainment of the liver clock out of equilibrium using specific feeding protocols. My first results suggest that under conditions when animals are challenged by food restriction to daytime, miRNAs are important for the kinetics of adapting to unusual mealtime in peripheral tissue. In a second line of research, I have more carefully investigated which miRNAs are responsible for post- transcriptional mRNA rhythms using small RNA sequencing around-the-clock. The analyses are ongoing and will be continued after my graduation. Overall, my work uncovered important and novel roles of miRNA activity in shaping hepatic circadian gene expression; moreover, the datasets collect in the published studies can serve as a valuable resource for further investigations into the physiological roles that miRNAs play in liver. -- L'alternance du jour et de la nuit dirige depuis longtemps la vie quotidienne des êtres humains et de la plupart des organismes sur terre. Ce cycle de 24 heures façonne beaucoup de changements comportementaux et physiologiques tels que la vigilance, la température corporelle et le sommeil. Les rythmes journaliers, appelés rythmes circadiens, sont dirigés par des horloges biologiques tournant dans presque chaque cellule du corps. Une structure dans le cerveau agit en tant qu'horloge maitresse pour synchroniser les horloges internes entre elles et en fonction des signaux de jour/nuit extérieurs. Dans les cellules "les gènes de l'horloge" sont activés et désactivés une fois par jour ce qui déclenche des cycles dans lesquels des protéines sont produites de manière circadienne. Ces rythmes protéiques sont spécialisés pour chaque tissu ou organe et peuvent les aider à réaliser leurs tâches quotidiennes. Les rythmes circadiens peuvent être générés d'autres manières n'impliquant pas directement les composants des gènes de l'horloge. Les ARN messagers (ARNm) sont des molécules intermédiaires dans la production de protéines à partir d'ADN. Dans le foie des souris jusqu'à 20% des molécules d'ARNm sont produites suivant des rythmes circadiens. Le foie réalise des tâches essentielles dans le contrôle du métabolisme incluant celui des hydrates de carbone, des graisses et du cholestérol. Un timing précis est important afin de traiter les substances nutritives correctement lors des repas il en résulte une variation des quantités de certains ARNm et protéines coïncidant avec les repas. Les microARNs constituent une autre classe de molécules ARN de très petite taille qui régulent l'efficacité de traduction des ARNm en protéines et la stabilité des ARNm. Lors de mon travail de thèse, j'ai exploré de manière approfondie l'influence de ces petits régulateurs sur les rythmes circadiens du foie de souris. Ces expériences qui impliquaient le "Knock-out" d'un gène essentiel à la production de microARNs montrent qu'au lieu de générer les rythmes des ARNm, les microARNs les ajustent pour répondre aux besoins spécifiques du foie comme assurer leur pic au bon moment de la journée. Le ciblage de microARNs spécifiques peut révéler de nouvelles stratégies pour rectifier ces rythmes lorsque par exemple les fonctions métaboliques ne fonctionnent plus normalement. -- The rising and setting of the sun have long driven the daily schedules of humans and most organisms on the earth. This 24-hr cycle shapes many behavioural and physiological changes, such as alertness, body temperature, and sleep. These daily rhythms, which are called circadian rhythms, are dictated by biological clocks that are ticking in almost every single cell of the body. A region in the brain acts as a master clock to synchronize the internal clocks with each other and with the outside light/dark cycles. In cells, "core clock genes" are turned on and off once per day, which triggers cycles that cause some proteins to be produced in a circadian manner. The protein rhythms are specialized to a particular tissue or organ, and may help them to carry out their designated daily tasks. However, circadian rhythms might also be produced by other ways that do not involve these core clock components. Messenger RNAs (mRNAs) are intermediate molecules in the production of proteins from DNA. In the mouse liver, up to 20% of mRNA molecules are produced in circadian cycles. The liver performs essential tasks that control metabolism-including that of carbohydrates, fats, and cholesterol. Precisely timing when certain mRNAs and proteins reach peaks and troughs in their activities to coincide with mealtimes is important for nutrients to be properly processed. Other RNA molecules called microRNAs, i.e. RNAs of very small size, regulate at which rate mRNA molecules are translated into proteins. In my thesis work, I have explored at the influence of these small regulators on circadian rhythms in the mouse liver in greater detail. These experiments, which involved "knocking out" a gene that is essential for the production of microRNAs, show that rather than generating the mRNA rhythms, the microRNAs appear to adjust them to meet the specific needs of the liver, such as ensuring that they peak at the right time-of-day. Targeting specific microRNA molecules may reveal new strategies to tweak these rhythms, which could help to improve conditions when metabolic functions go wrong.