Voies d'entrée des informations lumineuses pour l'horloge circadienne chez Drosophila melanogaster

Circadian light-input pathways in Drosophila melanogaster

• Auteur / Autrice : Ajay Sunilkumar
• Direction : François Rouyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-René Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Helfrich-Förster, Xavier Bonnefont, Daniel Vasiliauskas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Helfrich-Förster, Xavier Bonnefont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Voies optiques

Cryptochromes

Cycles d'activité

Cellules photoréceptrices

Protéines et peptides de signalisation du rythme circadien

Horloges circadiennes

Réseaux neuronaux (physiologie)

Drosophila melanogaster

Mots clés libres

Horloge circadienne

Rythmes repos-Activité

Drosophile

Photoréception

Cryptochrome

Système visuel

Circadian clock

Rest-Activity rhythms

Drosophila

Photoreception

Cryptochrome

Visual system

Résumé

L'horloge circadienne endogène est un système fondamental présent dans la majorité des organismes vivants, qui fonctionne pour réguler et synchroniser les rythmes quotidiens des processus physiologiques et comportementaux. Cette régulation temporelle complexe des processus biologiques est pilotée par un mécanisme moléculaire impliquant des boucles de rétroaction transcriptionnelles-translationnelles, générant des oscillations de l'expression des gènes de l'horloge. Chez Drosophila melanogaster, ce mécanisme auto-entretenu fonctionne au sein d'un sous-ensemble d'environ 150 neurones cérébraux appelés neurones d'horloge. Ces neurones synchronisent leurs horloges moléculaires par le biais d'une communication inter-neuronale, ce qui fait de l'horloge cérébrale un réseau neuronal unifié qui génère des rythmes circadiens robustes. Une caractéristique essentielle de l'horloge circadienne est sa capacité à se synchroniser avec des signaux environnementaux externes, ce qui permet aux organismes de s'adapter de manière proactive aux changements environnementaux en alignant leur comportement et leur physiologie sur des moments précis de la journée. Les horloges circadiennes sont entraînées par des facteurs de synchronisation externes connus sous le nom de zeitgebers, la lumière étant le plus puissant et le plus fiable de ces signaux. Outre la lumière, d'autres facteurs tels que la température, ou les interactions sociales jouent également un rôle dans la facilitation de l'entraînement circadien. Chez la drosophile, la photoréception circadienne englobe de nombreuses voies qui utilisent divers photorécepteurs pour ajuster finement la synchronisation de l'horloge. Cette entrée sensorielle peut être largement catégorisée en deux voies : l'une impliquant le photorécepteur sensible à la lumière bleue CRYPTOCHROME (CRY), exprimé dans la majorité des cellules de l'horloge, et l'autre utilisant les voies d'entrée visuelles médiées par différentes rhodopsines. Cette thèse porte sur les différentes voies d'entrée de la lumière qui synchronisent les horloges neuronales avec les cycles lumière-obscurité externes. Trois études ont été menées dans le cadre de ce travail, explorant des aspects distincts de la photoréception. Le premier projet met en évidence la contribution de l'entrée de lumière médiée par les ocelles, révélant le rôle des photorécepteurs des ocelles exprimant Rh2 dans le photo-entraînement du comportement locomoteur des mouches et le circuit neuronal sous-jacent. Le deuxième projet étudie l'entrée de lumière non cellulaire autonome médiée par CRY, mettant en lumière les fonctions collaboratives des neurones de l'horloge et les mécanismes neuronaux distribuant les signaux CRY dans le réseau de l'horloge cérébrale. La troisième étude se concentre sur le circuit neuronal encore inconnu qui relie la rétine aux neurones de l'horloge, et plus particulièrement sur le rôle des photorécepteurs R8 dans la transmission des signaux aux neurones de l'horloge. Les résultats de ce travail permettent de mieux comprendre comment les rythmes biologiques se synchronisent avec les conditions lumineuses ambiantes en révélant certains mécanismes neuronaux et processus moléculaires par lesquels les neurones de l'horloge perçoivent les diverses entrées lumineuses.

The endogenous circadian clock is a fundamental system present in the majority of living organisms, functioning to regulate and synchronize daily rhythms across physiological and behavioral processes. This intricate temporal regulation of the biological processes is driven by a molecular mechanism involving transcriptional-translational feedback loops, generating oscillations of clock gene expression. In Drosophila melanogaster, this self-sustaining mechanism operates within a subset of approximately 150 brain neurons termed clock neurons. These neurons synchronize their molecular clocks through inter-neuronal communication, enabling the brain clock as a unified neuronal network that generates robust circadian rhythms. A pivotal feature of the circadian clock is its ability to synchronize with external environmental cues, enabling organisms to proactively adapt to environmental changes by aligning behavior and physiology with specific times of the day. Circadian clocks are entrained by external synchronizing factors known as zeitgebers, with light being the most potent and reliable of these cues. Beyond light, other cues such as temperature, or social interactions, also play a role in facilitating circadian entrainment. In Drosophila, circadian photoreception encompasses numerous pathways that utilize diverse photoreceptors to adjust clock synchronization finely. This sensory input can be broadly categorized into two pathways: one involving the blue-light-sensitive photoreceptor CRYPTOCHROME (CRY), expressed in the majority of clock cells, and the other utilizing the Rhodopsin-mediated visual input pathways. This thesis delves into the multifaceted nature of circadian entrainment, emphasizing the various light input pathways that synchronize the neuronal clocks to external light-dark cycles. Three studies were conducted as part of this thesis, exploring distinct aspects of this sensory system. The first project unravels the contribution of ocelli-mediated light input, revealing Rh2-expressing ocelli's role in the photoentrainment of fly locomotor behavior and the underlying neural circuit. The second project investigates non-cell autonomous CRY-mediated light input, shedding light on collaborative clock neuron functions and the neural mechanisms distributing CRY signals in the brain clock network. The third study focuses on the still unknown neural circuit that connects the retina to clock neurons, particularly focusing on the role of R8 photoreceptors in transmitting signals to clock neurons. Collectively, these data advance our understanding of how biological rhythms synchronize with ambient light conditions by uncovering the neural mechanisms and molecular processes through which clock neurons perceive diverse light inputs.