La gestion du temps par la cellule et par l’organisme

Management of time by tissues and cells in the organism

Laboratoire de Recherche en Ophtalmologie, Escalier B3, 6 e étage, Hôtel-Dieu, 1, place du Parvis Notre-Dame, 75181 Paris cedex 04 et Centre de Recherche Bioclinique sur le Vieillissement, Groupe Hospitalier Charles Foix-Jean Rostand, 7, avenue de la République, 94205 Ivry sur Seine

Résumé

La « gestion » du temps par la cellule et l’organisme peut être analysée à plusieurs niveaux. Le premier est l’étude des périodicités dans l’activité cellulaire, constatées à tous les niveaux d’étude (division cellulaire, métabolisme énergétique ou biosynthèse des constituants). L’étude de ces phénomènes chez les eucaryotes unicellulaires a révélé des périodicités correspondant à des constantes de temps s’échelonnant de la nanoseconde aux heures et jours nécessitant des mécanismes de couplage et de coordination. Qu’il s’agisse de la glycolyse, de la phosphorylation oxydative ou des processus de biosynthèse de macromolécules, des oscillations périodiques ont été enregistrées. La comparaison des constantes de temps de ces phénomènes suggère la subordination des périodes rapides (production d’ATP) aux périodes plus lentes (synthèse des constituants macromoléculaires). Le couplage entre ces deux types de phénomènes («la danse lente de la vie à la musique du temps») s’effectue au niveau du métabolisme des nucléotides adényliques. Les mécanismes moléculaires qui sous-tendent ces régulations rythmiques conduisent soit à des enzymes-clés allostériques des voies métaboliques (PFK pour la glycolyse) ou encore à des phénomènes de désensibilisation de récepteur par phosphorylation-déphosphorylation. L’analyse des phénomènes rythmiques au niveau de l’organisme est illustrée par les rythmes cardiaques et par les oscillations d’excitations neuronales. Les rythmes cardiaques à l’état normal sont de nature multifractale et obéissent aux lois du chaos déterministe. Les réseaux neuronaux, impliquant un nombre limité de neurones, peuvent automatiquement et spontanément engendrer des décharges rythmiques.

La décomposition des rythmes circadiens en rythmes élémentaires essentiellement épigénétiques a dû permettre une meilleure adaptation de la cellule aux variations de la durée du jour au cours de l’évolution. En effet la durée du jour s’est considérablement allongée depuis la séparation de la lune et de la terre, exigeant des mécanismes d’adaptation des cellules et organismes de plus en plus évolués.

Abstract

Time-dependent regulations of cells and organisms can be analysed at different levels. One of these levels is the periodicity of cell functions such as cell division, metabolic processes (generation of ATP by glycolysis or oxidative mitochondrial processes) and the biosynthesis of cell constituents. Studies carried out on unicellular eukaryotes revealed the periodic, oscillatory nature of most of these processes. Time constants of these reactions vary from nanoseconds to hours-days, necessitating coupling mechanisms. Comparative studies revealed the coupling of the rapid processes (mitochondrial ATP generation) to the slower rhythms of the biosynthetic processes of macromolecules. Adenine nucleotides are involved in the coupling mechanisms between rapid and slow processes (“the slow dance of life to the music of time”). The mechanisms underlying these rhythmic processes involve either key allosteric regulatory enzymes (PFK for glycolysis) or “desensitization” of receptors by phosphorylation-dephosphorylation. At the organismic level the study of rhythmic processes is illustrated by the periodicity of heart beats, shown to exhibit multifractality, following apparently the formalism of deterministic chaos. Another example is the rhythmic oscillatory discharges of neuronal networks. The existence of subrhythmes mostly of epigenetic nature, facilitated probably the progressive adjustment of cells during evolution to the slow increase of day time since the separation of the moon from the earth. We analysed the mechanisms underlying the decline of these processes during aging. Loss of receptors or/and their uncoupling from their transmission pathway appear to be involved in most of these processes of decline. One conclusion of this review is the importance of epigenetic mechanisms both in the genesis and in the decline of these rythmic processes involved in time keeping by the cell.