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.

Role of Notch signalling in intestinal epithelium

Résumé: Chez les mammifères, les intestins sont les organes ayant le plus haut taux de renouvellement cellulaire dans l'organisme. L'épithélium intestinal se renouvelle complètement en moins d'une semaine. Il se compose de projections (villosités) et d'invaginations (cryptes) qui ont toutes deux des fonctions bien distinctes. Les cellules de l'intestin sont constamment produites à partir de cellules souches, situées dans la crypte, qui se différencient en cellules proliférantes transitoires, puis en cellules caliciformes, de Paneth, entéroendocrine ou en entérocytes. Ces cellules migrent dans leurs lieux spécifiques pour accomplir leur fonction physiologique pour finalement mourir. A cours de mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de la voie de signalisation de Notch dans le renouvellement cellulaire et dans le processus de l'homéostase des cellules de l'intestin marin en utilisant le système Cre-loxP pour induire la délétion des gènes Notch1, Notch2, Jaggedl et RBP-Jk. Bien que l'inactivation de Notch1 avec ou sans Jagged1, ou celle de Notch2, n'aboutissent à aucun phénotype, une déficience pour RBP-Jk, ou pour Notch1 et Notch2 simultanément, conduit au développement d'un impressionnant phénotype. Au niveau de la crypte, une rapide et importante modification des cellules apparaît: les cellules proliférantes sont devenues des cellules caliciformes qui ont perdu la capacité de se renouveler. Ces résultats impliquent la voie Notch en tant que nouvelle clé de voûte dans le maintien des cellules qui s'auto-renouvellent dans l'épithélium intestinal. Un rôle similaire a été proposé pour la voie Wnt, laquelle n'est cependant, pas affectée dans nos souris. C'est pourquoi ces deux voies sont essentielles dans le maintien de la prolifération dans les cryptes intestinales. Ce travail a aussi proposé un mécanisme par lequel la voie Notch contrôlerait l'intégrité du cycle cellulaire dans les cellules de la crypte intestinale, ceci en inhibant la transcription d'un inhibiteur du cycle cellulaire, la protéine p27KIP1. De plus, l'inactivation de RBP-Jk dans les adénomes développés par les souris APCmin induisent la différenciation de cellules tumorales en cellules caliciformes. Comme autre effet, la localisation histologique des cellules de Paneth est également affectée par la délétion de RBP-Jk ou de Notch1/Notch2, suggérant un rôle pour la voie Notch dans le compartiment des cellules de Paneth. Finalement, ce travail démontre que les cellules progénitrices de l'intestin ont besoin d'une convergence fonctionnelle des voie Wnt et Notch. Ces résultats préliminaires peuvent être considérés comme un concept pour l'utilisation d'inhibiteurs de secrétase-γ (inhibiteurs de Notch) à des fins thérapeutiques pour les cancers colorectaux. Summary The mammalian intestine has one of the highest cellular turnover rates in the body. The complete intestinal epithelium is renewed in less than a week. It is divided into spatially distinct compartments in the form of finger-like projections (villi) and flask-shaped invaginations (crypts) that are dedicated to specific functions. Intestinal cells are constantly produced from a stem cell reservoir that gives rise to proliferating transient amplifying cells, which subsequently differentiate and home to their specific compartments before dying after having fulfilled their physiological function. In this thesis project, the physiological role of the Notch signalling cascade in the marine intestine was studied. Inducible tissue specific inactivation of Notch1, Notch2, Jagged1 and RBP-Jk genes was applied to assess their role in the maintenance of intestinal homeostasis and cell fate determination. The analysis unequivocally revealed that Notch1, Notch1 and Jagged1 combined as well as Notch2 are dispensable for intestinal homeostasis and lineage differentiation. However, deficiency of RBP-Jk as well as the simultaneous inactivation of both Notch1 and Notch2 receptors unveiled a striking phenotype. In these mice, a rapid and massive conversion of proliferative crypt cells into post-mitotic goblet cells was observed. These results identify the Notch pathway as a key player for the maintenance of the proliferative crypt compartment. A similar role was implicated for the Wnt cascade, which, however, was not affected in the different tissue specific Notch signalling deficient mice. Thus, the Wnt and Notch signalling pathways are essential for the self-renewal capacity of the intestinal epithelium. Furthermore, our results suggest a molecular mechanism for Notch signalling mediated control of cell cycle regulation within the crypt. The Notch cascade inhibits expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27KIP1 and thereby maintains proliferation of the intestinal progenitor cells. In addition, the inactivation of RBP-Jk in adenomas developed by APCmin mice resulted in the differentiation of tumour cells into goblet cells. Finally, Notch deficiency affected differentiated Paneth cells, suggesting that Notch may play a role in the Paneth cell compartment. In summary, this work clearly demonstrates that undifferentiated, proliferative cells in intestinal crypts require the concerted activation of the RBP-Jk-mediated Notch signalling and the Wnt cascade. In addition, our preliminary results can be considered as a "proof-of-principle" for the use of γ-secretase inhibitors for therapeutic modalities for colorectal cancer.