Rôle de photorécepteurs atypiques dans la transmission des effets directs et circadiens de la lumière chez un vertébré diurne

Role of atypical photoreceptors as mediators of the direct and circadian effects of light in a diurnal vertebrate

• Auteur / Autrice : Clair Chaigne
• Direction : Elise Cau, Patrick Blader
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 14/01/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de biologie moléculaire, cellulaire et du développement (Toulouse ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Rampon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Owen Randlett
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Debrégeas, François Rouyer, Marie-Paule Felder-Schmittbuhl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Danio rerio

Rythmes circadiens

Photorécepteurs (cellules)

Mots clés libres

Photorécepteurs

Mélanopsine

Glande pinéale

Poisson zèbre

Rétine

Rythme circadien

Photoreceptors

Melanopsin

Pineal gland

Zebrafish

Retina

Circadian rythms

Résumé

La lumière exerce une influence majeure sur la physiologie et le comportement de la plupart des organismes. En particulier, elle synchronise les rythmes circadiens par un processus appelé photoentrainement. Chez les mammifères, le photoentrainement dépend de la rétine, et plus particulièrement d'une classe de cellules ganglionnaires de la rétine (RGCs) exprimant le photopigment mélanopsine (opn4). Ces RGCs sont intrinsèquement sensibles à la lumière bleue et sont appelés ipRGCs pour ''intrinsically photosensitives RGCs''. Les ipRGCs intègrent l'information lumineuse médiée par la mélanopsine avec celle provenant des photorécepteurs classiques pour contrôler le photoentrainement mais aussi le masking, un effet direct de suppression ou d'élévation de l'activité locomotrice par la lumière. Bien que les ipRGCs soient les médiateurs des effets circadiens et directs de la lumière sur le comportement des mammifères, leurs rôles chez les vertébrés non mammifères ne sont pas élucidés. Grâce à son développement externe rapide, à sa transparence et à sa capacité de manipulation génétique facile et d'analyse comportementale à haut débit, le poisson zèbre (PZ) est apparu comme un puissant modèle de vertébré diurne non mammifère pour la chronobiologie. Contrairement aux mammifères, la rétine n'est pas la seule structure photosensible chez le PZ. En particulier chez cette espèce, la glande pinéale contient des photorécepteurs et des neurones de projection (PNs, équivalent des RGCs) et peut donc recevoir une information lumineuse et la transmettre au cerveau. De plus, tous les organes adultes du PZ testés, y compris la glande pinéale, sont directement photoentraînables lorsqu'ils sont placés en culture. Il reste donc à déterminer quels sont les rôles respectifs de la photodétection périphérique (au niveau de tous les organes) et de la photodétection centrale (au niveau de structures spécialisées telles que la rétine et la glande pinéale) dans le photoentraînement. Nous nous sommes intéressé.e.s aux rôles des gènes de mélanopsine et des cellules les exprimant chez le PZ. Parmi les 5 gènes de mélanopsine présents chez cette espèce, opn4xa et opn4b sont exprimés dans les RGCs larvaires. De plus, nous avons montré qu'opn4xa est exprimé dans une sous-population de PNs. Ainsi, opn4xa définit une nouvelle population de PNs présentant une photosensibilité à la lumière bleue et verte dépendante d'opn4xa et qui fonctionne en mode LIGHT ON (Publications 1,2). Dans un second temps, nous avons cherché à comprendre la fonction des RGCs (opn4xa+ et opn4xa- - mutant lakritz -) et de la photosensibilité intrinsèque des RGCs et PN opn4xa+ (mutant opn4xa) dans l'influence directe et circadienne de la lumière sur l'activité locomotrice chez la larve de PZ. Nous avons trouvé que les RGCs sont impliqués dans le masking et la réponse locomotrice aux transitions lumineuses, mais indépendamment de la photosensibilité pilotée par opn4xa. Enfin, les mutants opn4xa-/-, lakritz-/- et opn4xa -/- ; lakritz -/- n'ont montré aucun défaut de photoentraînement à un pulse de lumière blanche administré au début de la nuit suggérant que la photodétection de la rétine (y compris celle des ipRGCs) et la photodétection pilotée par la mélanopsine opn4xa ne sont pas nécessaires au photoentraînement chez la larve de PZ (Publication 2). Ces résultats soulèvent des différences majeures dans le photoentrainement circadien chez les mammifères et le poisson zèbre.

Light has a profound influence on the physiology and behaviour of living organisms. In particular, light synchronize circadian rhythms through a process referred to as photoentrainment. In mammals, photoentrainment depends on the retina, and more particularly on a specific subtype of Retinal Ganglion Cells (RGCs) expressing the photopigment melanopsin (opn4). These RGCs are intrinsically sensitive to blue light and are hence referred to as ipRGCs for ''intrinsically photosensitive RGCs''. ipRGCs function as a hub which integrate photic information from melanopsin-evoked responses with rod and cone photoreceptor influences to control, among other things, photoentrainment and masking, a direct suppressive or elevating effect of light on locomotor activity. While ipRGCs mediate circadian and direct effects of light on behaviour in mammals, it is unclear if these roles are conserved in non-mammalian species. Due to its fast external development, transparency and capacity for easy genetic manipulation and high-throughput behavioural analysis, the zebrafish has emerged as a powerful non-mammalian diurnal vertebrate model for chronobiology. In contrast to mammals, the retina is not the only photosensitive structure: in particular, the zebrafish pineal gland contains photoreceptors and projection neurons (PNs, equivalent of RGCs) and thus can receive and transmit light information. In addition, all zebrafish adult organs tested, including the pineal gland, are directly photoentrainable when placed in culture. It therefore remains to be determined what are the respective roles of peripheral (at the organ level) versus central photodetection (from specialized structures such as the retina and pineal gland) for photoentrainment. We thus ought to determine the function of melanopsin genes and melanopsin expressing cells in the zebrafish. Among the 5 zebrafish melanopsin genes, opn4xa and opn4b are expressed in larval RGCs. We furthermore showed that opn4xa is expressed in a subpopulation of PNs. Therefore, opn4xa defines a novel population of PN exhibiting an opn4xa-dependant photosensitivity to blue and green light in a LIGHT ON mode (Publications 1,2). With different mutant lines, we then tested the role of RGCs (opn4xa+ and opn4xa- RGCs - lakritz mutant -) and of the intrinsic photosensibility of opn4xa+ RGCs and PN (opn4xa mutant) in the direct and circadian influence of light on locomotor activity in zebrafish larvae. We found RGCs to be involved in masking and the locomotor response to light transitions, but regardless of their opn4xa+ driven photosensibility. Finally, both opn4xa-/-, lakritz-/- and opn4xa-/-; lakritz-/- mutants did not show any defect of photoentrainment to a white pulse of light administered at the beginning of the night (Publication 2). Thus both the photodetection from the retina, (including ipRGCs) and the photodetection driven by the melanopsin opn4xa seem dispensable for circadian photoentrainment in zebrafish larvae. This highlights further differences between the organization of the mammalian and zebrafish circadian system and more particularly on the structure(s) involved in photoentrainment.