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Écureuil souffrant d'obésité

L’obésité induite par le rythme circadien est, chez les mammifères, un processus ayant pour base les gènes principaux de l’horloge circadienne, soient Bmal1, Clock, CRYs et PERs, ainsi que certains autres gènes tels que PPARα et PPARγ. L’influence de cette horloge permet donc de considérer l’heure de la prise de nourriture, par exemple, comme étant un facteur influant sur le poids santé d’un organisme, d'où son importance dans le domaine de la santé. Les impacts les plus importants de l’horloge circadienne seront d’influencer la quantité d’insuline produite, la quantité de nourriture absorbée par l’animal ainsi que la quantité d'exercice quotidienne qu'il fera. Il s’agit d'ailleurs d’un processus formant un cercle vicieux. En effet, bien que les gènes de l’horloge soient en mesure de réguler la prise de poids, cette dernière elle-même peut avoir pour effet de déréguler le rythme circadien, et ainsi de suite.

Bases de l'horloge circadienne

Positionnement du noyau suprachiasmatique dans le cerveau humain

Dans sa forme la plus simple, l’horloge moléculaire, ou horloge circadienne, des mammifères est synchronisée en grande partie par les cycles de lumière/obscurité dans l’environnement. Cela est possible grâce à la photoréception oculaire, qui relie les signaux perçus par les organes visuels au noyau suprachiasmatique (NSC), situés dans l’hypothalamus. L’horloge circadienne est composée d’un groupe de protéines qui génèrent des oscillations circadiennes autorégulées grâce à des boucles de rétroaction transcriptionnelle/traductionnelle positives et négatives. La portion positive de l’horloge circadienne comprend deux facteurs de transcription, soit CLOCK et BMAL1, alors que PERs et CRYs sont responsables de la portion négative de la rétroaction . Leur expression joue ainsi un rôle essentiel pour la régulation des fonctions physiologiques de la cellule et de l’organisme, particulièrement au niveau du métabolisme et de l’homéostasie de l’énergie . En effet, 3-10% des transcrits de tous les tissus d’un organisme sont sous contrôle circadien .

Influence de l'horloge circadienne sur l'alimentation

Rat souffrant d'obésité

Une horloge circadienne intacte est ainsi essentielle pour un rendement équilibré et un métabolisme sain. Une altération dans la rythmicité du NSC, induit par exemple en exposant des souris à une lumière constante, amène une forte réduction du rythme circadien dans le métabolisme énergétique et de la sensibilité à l'insuline, ce qui peut contribuer à l'obésité et au développement du diabète. Des troubles du rythme circadien sont d’ailleurs observés lors du vieillissement et au niveau des maladies neurodégénératives, en plus d’être associés à une incidence accrue d'obésité et de diabète tel que mentionné plus haut. Une étude réalisée en 2013, de Coomans et all., a démontrée qu’en soumettant des souris mâles (lignée C57Bl/6J) à une lumière constante sur une base de 24h (LL, pour Light-Light), il est possible d’examiner les effets d'un rythme circadien perturbé sur le métabolisme énergétique et la sensibilité à l'insuline. Des enregistrements électrophysiologiques in vivo dans le stimulateur central du NSC ont révélé une réduction immédiate de l'amplitude du rythme, se stabilisant à 44% des valeurs d'amplitude normales après 4 jours en LL. L'apport alimentaire a augmenté de 26% et la dépense énergétique, pour sa part, a diminué de 13%. Conséquemment, un gain de poids corporel rapide de 5% en deux semaines fut observé. Après 4 semaines en LL, le cycle circadien de l'alimentation et de la dépense énergétique était complètement perdu, malgré des rythmes continus de faible amplitude dans le NCS et dans le comportement, alors que le gain de poids s'était stabilisé. Une abolition complète de la variation circadienne normale de la sensibilité à l'insuline dans la LL fut d’ailleurs remarquée. En conclusion, une réduction de l'amplitude du NSC par la lumière à des valeurs précédemment observées chez les souris âgées, est suffisante pour induire une perte complète des rythmes circadiens dans le métabolisme énergétique et la sensibilité à l'insuline témoignant de l’importance de ce facteur environnemental face à l’horloge circadienne et l’obésité .

Influence de l'alimentation sur l'horloge circadienne

Comprendre l'impact de macronutriments spécifiques sur l'horloge circadienne permettra de guider vers la composition et le moment de repas qui seront optimaux pour une santé physiologique, ainsi que vers des cibles thérapeutiques potentielles pour réguler l'horloge circadienne. La désynchronisation entre les horloges centrales et périphériques, par exemple en modifiant le moment de la prise alimentaire, peut entraîner le découplage des horloges périphériques du stimulateur central et être liée au développement de troubles métaboliques chez les humains, incluant l'obésité et le diabète de type 2 .

Il est déjà établi qu’une réduction de la sensibilité à l'insuline peut contribuer à l'obésité et au développement du diabète et plusieurs causes peuvent être à l’origine de ce problème. Premièrement, les cryptochromes (CRYs), qui sont des répresseurs et qui agissent sur Clock-Bmal1, peuvent affecter l'homéostasie du glucose en réprimant directement l'induction, par les récepteurs glucocorticoïdes, des enzymes gluconéogéniques dans le foie, limitant par conséquent l'hyperglycémie induite par les glucocorticoïdes . Deuxièmement, les gènes Bmal1 et Clock jouent aussi un rôle dans la régulation du métabolisme des lipides. L'inactivation de Bmal1 supprime la variation sur 24 heures des concentrations plasmatiques de glucose et de triglycérides et peut entraîner une résistance à l'insuline et une intolérance au glucose . Troisièmement, il a été démontré qu’une délétion spécifique de Bmal1 sur le pancréas a entraîné des taux élevés de glucose tout au long de la journée, ainsi qu’une diminution de la tolérance au glucose et une diminution de la sécrétion d'insuline .

L'Homme peut d’ailleurs être exposé à des signaux environnementaux contradictoires au système circadien comme un cycle de sommeil-éveil modifié, des horaires de repas décalés et des régimes d'éclairage qui peuvent perturber un réseau d'horloge équilibré . Par exemple, les travailleurs postés sont plus à risques de développer des troubles comme l'obésité et le diabète de type 2, ce qui est probablement le résultat d'une désynchronisation interne . L'activité forcée et l'alimentation restreinte durant la phase de repos normale entraîne un découplage entre le NSC et le foie, ainsi que le dérèglement des gènes Bmal1, Per1, Clock et des gènes métaboliques PPARα, qui agissent à titre de régulateur important du métabolisme des lipides, dans le foie.

Les régimes riches en graisses ont aussi été montrés pour altérer le fonctionnement de l'horloge circadienne. La perturbation de cette dernière par l'exposition à une lumière constante, ainsi qu'un régime riche en graisses, ont montré des effets à la fois indépendants et additifs sur le gain de poids corporel. Donc, la combinaison d'une perturbation de l'horloge circadienne moléculaire et d'un régime hypercalorique à base de graisses est plus néfaste à l'homéostasie du poids corporel qu’à eux seuls, de façon séparée . Lors d’une étude, des souris nocturnes étant nourries avec un régime riche en graisses pendant leur phase d’inactivité (en phase lumineuse) ont pris un gain de poids significativement plus grand que les souris nocturnes étant nourries d’un régime riche en graisses pendant leur phase active (en phase de noirceur). Chez les humains, selon cette théorie, cela équivaudrait à une prise de poids associée à une ingestion forte de ce type d'aliment en fin de soirée ou durant la nuit .

Il existe donc un cercle vicieux entre l’obésité et le rythme circadien. L’obésité induite par l'alimentation conduit à des rythmes circadiens perturbés par une réduction de l’oscillation des gènes du foie et à leur tour, ces perturbations peuvent conduire à une prévalence pour l'obésité . Les altérations au niveau du génome peuvent reposer sur le manque de recrutement de la chromatine Bmal1/Clock au niveau des promoteurs cibles de ces gènes au niveau du foie. Cela peut aussi être dû à la création de la nouvelle rythmicité d'un grand nombre de gènes dépendants des changements de la présence, du schéma d'oscillation et du recrutement de la chromatine de PPARγ, qui régule l’entreposage des acides gras et le métabolisme du glucose . À titre de solution, l'augmentation de la sensibilité à l'insuline pourrait renforcer le système circadien et améliorer les effets indésirables du syndrome métabolique.