Torpeur et mesure du temps : incidence de l'hypothermie contrôlée sur le système circadien de deux espèces de hamsters

Torpor and timing. : Impact of endogenously controlled hypothermia on the circadian system of two hamster species

• Auteur / Autrice : Annika Herwig
• Direction : Stephan Steinlechner, Michel Saboureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurobiologie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008) en cotutelle avec University of Veterinary Medicine, Hannover-Allemagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chez les animaux

Sommeil

Hypothermie

Température corporelle

Thermorégulation

Chronobiologie

Cricetinae

Hibernation

Rythmes biologiques

Rythmes circadiens

Résumé

L’influence des saisons est extrêmement marquée au niveau des hautes latitudes du globe, avec des variations des conditions environnementales très prononcées. Les Mammifères vivant dans de telles conditions drastiques, ont développés différentes formes d’hibernation (ou torpeur) pour réduire les coûts métaboliques pendant ces périodes rudes lorsque les ressources énergétiques se font rares. Les Mammifères hibernants comme le Hamster d´Europe (Cricetus cricetus), dont la température corporelle (Tb) diminue pendant plusieurs jours pour atteindre des niveaux voisins de la température ambiante (Ta), peuvent ainsi préserver au maximum leurs réserves d’énergie. Au contraire, quelques petits Mammifères comme le Hamster de Djungarie (Phodopus sungorus) montrent des hypothermies journalières de moindre amplitude. Ils utilisent les quelques heures de leur temps de repos circadien pour effectuer avec précision des hypothermies contrôlées, et diminuer leur Tb jusqu’à un seuil minimal de 15 °C. De telles Tb basses qui se prolongent, peuvent avoir des conséquences sur l’activité du système nerveux central (SNC). Il est donc crucial que l’intégralité fonctionnelle du SNC soit maintenue, ainsi, la limitation de la durée d’hypothermie permet un « réveil » régulier à des Tas basses. Pendant la torpeur, un des systèmes régulateurs importants serait le système circadien, car il réagit à la photopériode et synchronise les phénomènes internes sur une base de temps circadienne. Dans ce travail de thèse, nous avons pu montrer, pour la première fois, que la machinerie moléculaire de « l’horloge » biologique endogène reste active pendant la torpeur chez le Hamster de Djungarie mais une chute de la Tb diminue l’amplitude de l’expression des gènes de « l’horloge » biologique circadienne. La diminution de l’expression des protéines pendant l’hypothermie, induirait une diminution du rétrocontrôle de la transcription pendant et après une période de torpeur. Pour mieux comprendre les changements d’expression de ces gènes, nous avons déterminé par microdialyse trans-pineal les sécrétions de mélatonine (hormone reflétant l’activité de la principale sortie de « l’horloge »), pendant une longue durée. Cette méthode, qui a été adaptée pour la première fois au Hamster de Djungarie (animal de petite taille), s’avère être un bon outil pour étudier les signaux saisonniers comme la mélatonine chez les animaux hibernants. Pendant l’hibernation du Hamster d´Europe, la diminution de la Tb atteint ~8 °C pendant quelques jours dans nos conditions expérimentales. A basse température, nous n’avons pas pu observer de rythme de l’expression des gènes de « l’horloge » biologique ce qui indiquerait dans ces conditions un arrêt des oscillations. A partir de nos résultats, nous avons conclu que « l’horloge » circadienne semble compenser les effets d’une diminution de la Tb dans un large gradient mais au delà d’un certain seuil de température les oscillations sont arrêtées.

Seasonal influences become increasingly important at high latitudes, where variations in external conditions are most pronounced. Mammals living in such drastic conditions have developed different forms of torpor to reduce metabolic costs in harsh periods when energy is rare. Deep hibernators like the European hamster (Cricetus cricetus) regularly decrease their body temperature (Tb) for several days to temperatures approaching ambient temperature (Ta) and thereby save a maximum of energy. In contrast some small mammals like the Djungarian hamster (Phodopus sungorus) undergo shallower bouts of daily torpor. Induced by short photoperiod they spontaneously use their daily resting time for only a few hours of precisely timed hypothermia during which their body temperature decreases to minimum 15°C. Invariably low Tbs go along with a depression of CNS activity. Nevertheless it is crucial that functional integrity is maintained, which is why systems of vital importance during hypothermia are supposed to remain active at those low Tbs. One of the important keys during torpor is believed to be the circadian system. It measures photoperiod and thereby determines the onset of the torpor season and moreover synchronizes internal processes on a circadian basis. In this thesis we could for the first time demonstrate that the clock´s molecular machinery is still active during daily torpor in Djungarian hamsters. Alterations in phase and amplitude of clock gene expression rhythms however, point to temperature sensitivity. Decrease in protein expression during hypothermia, hence a decreased feedback might be responsible for transcriptional alterations during and after a torpor bout. To more precisely investigate phase changes seen in gene expression, we set up a long term microdialysis experiment to continuously measure melatonin, a well defined clock output, in vivo directly in the pineal gland. This method could for the first time be adapted to the very small Djungarian hamster and provides a good tool to study a circadian signal like melatonin in a seasonally heterothermic animal. During deep hibernation in European hamsters that decreased their Tb for several days to ~8°C in our experimental conditions, we could not observe any rhythmic clock gene expression and thereby show that the clock stops oscillating at those low temperatures. We conclude from our data, that the circadian clock seems to be temperature compensated in a wide temperature range but once a certain low temperature is reached, oscillation is no longer possible.