From transcription to translation : a collaboration of the circadian clock and feeding behavior

Circadian clocks are a self-sustained oscillator system that modulates living species behaviors and physiology in regards of the environment and daily needs. This pacemaker possess an intrinsic period of ~24 hours corresponding to the rotation of the Earth. Daily fluctuations of light-cues synchronize the suprachiasmatic nuclei (SCN), the central clock within the hypothalamus. Accordingly, this central pacemaker adapts peripheral organs timeframes depending on their specific biological functions. To this purpose, the SCN uses a broad range of synchronizing cues including feeding modulations. The molecular oscillator is composed of transcriptional and translational feedback loops dictating the molecular oscillations of circadian outputs genes, particularly related to metabolism. The molecular core loop is initiated by the BMALl:CLOCK or BMAL1:NPAS transcriptional activators that activates the expression of Period and Cryptochrome genes encoding the PER:CRY inhibitor complex. This inhibitory heterodimer interacts with the activator complexes to destabilize their transcriptional activity resulting in the inhibition of Per and Cry expressions. Although transcriptional modulations by the circadian clock have been primarily investigated, additional evidences led us to the hypothesis that posttranscriptional and posttranslational events may rely on circadian activities. Notably, we investigated diurnal oscillations of translational processes and showed that the ribosome biogenesis is regulated by the clock via a collaboration of transcriptional, translational and posttranslational events. In parallel, in vivo investigations of the rhythmic proteome showed a bimodal accumulation of proteins encoded by constantly expresses transcripts. This rhythmic protein synthesis may coordinate hepatic secretion according to the feeding status and suggest that rhythmic protein abundances may rely on translational or posttranslational regulations independently of mRNA levels. In order to decipher the complex interconnection of transcriptional, posttranscriptional and translational events leading to the rhythmic modulation of protein abundances, we performed a comparative analysis of these different layers of regulations. We found that feeding rhythms and/or sustained oscillators trigger rhythmicity at different levels depending on the biological functions and restrict these processes to optimum energy-status time windows. Although translation was mainly driven by mRNA accumulations, we observed that rhythmic translation also occurred from constantly expressed transcripts. Notably, transcripts encoding mitochondria-related proteins involved in energy synthesis were mainly translated during the light phase while the energy-expensive translation machinery was produced during the dark phase, when nutrient availability is optimum. The central clock drives feeding rhythms to tune peripheral clocks in a tissue specific manner. As a consequence, cues originating from different tissues are integrated within the synchronizing cue homeostasis. To decipher the importance of systemic and local pacemakers toward hepatic functions, we compared the effects of global or local clock disruptions upon rhythmic translation occurring in mouse liver. Rhythmic feeding-related metabolism is likely involved in the rhythmic production of the translation machinery as these oscillations were maintained in both knockout models. Although similar alterations of various transcripts related to metabolic functions were observed in both knockout models, the local clock disruption impacted more severely translational fluctuations related to mitochondrial functions. On the other hand, global disruption of the circadian clock affected feeding behaviors. As a result, regulation of protein degradation by the proteasome complex may rely on systemic clocks and or feeding-related cues. -- Les horloges circadiennes sont presentes chez les especes vivantes soumises aux fluctuations environnementales. Ainsi, le comportement et la physiologie de ces organismes s'adapte a leur besoins quotidiens. Cette horloge possede une periode intrinseque de ~24 heures correspondant a la rotation de la Terre. L'alternance du jour et de la nuit synchronise les noyaux suprachiasmatiques (SCN), l'horloge centrale residant dans l'hypothalamus. Par la suite, cette horloge centrale adapte le fonctionnement des organes peripheriques. Pour cela, le SCN utilise un large eventail de signaux dont la temperature et le rythme d'alimentation. Au niveau moleculaire, des boucles de controle transcriptionelles et traductionelles dictent les oscillations de genes effecteurs impliques notamment dans le metabolisme. La boucle principale est initiee par les complexes BMALl:CLOCK ou BMAL1:NPAS2 qui activent l'expression des genes Period et Cryptochrome codant le complexe PER:CRY. Cet heterodimere inhibiteur interagit avec les complexes activateurs et destabilise leur fonction transcriptionnelle et ainsi l'expression de Per et Cry. Bien que le role de l'horloge circadienne ait ete principalement etudie au niveau transcriptionel, des preuves supplementaires nous ont conduits a l'hypothese qu'elle pourrait aussi agir aux niveaux post-transcriptionnels et post-traductionnels. Nous avons notamment demontre que la biogenese des ribosomes est regie par l'horloge via la coordination d'evenements transcriptionnels, traductionnels et post-traductionnels. En parallele, l'etude in vivo du proteome rythmique nous a permis de decrire l'accumulation rythmique de proteines independamment du niveau de transcrits. Ce mode de synthese proteique semble coordonner la secretion hepatique en fonction du rythme d'alimentation et souligne l'importance de mecanismes traductionels ou post-traductionnels. Afin de dechiffrer les evenements transcriptionnels, post-transcriptionnels et traductionnels conduisant a l'abondance rythmique de proteines, nous avons effectue une analyse comparative de ces differents niveaux de regulation. Nous avons constate que les rythmes d'alimentation et/ou l'horloge circadienne declenchent la rythmicite a differents niveaux selon les fonctions biologiques et limitent ces processus a des fenetres de temps en fonction du statut energetique. Bien que la traduction suivent principalement l'accumulation d'ARNm, nous avons observe que des transcrits constamment exprimes sont aussi traduit de facon rythmique. Notamment, des proteines mitochondriales impliquees dans la synthese d'energie sont traduites principalement pendant la phase de jour tandis que la machinerie de traduction, couteuse en energie, est produite au cours de la phase d'obscurite, lorsque la disponibilite des nutriments est optimale. L'horloge centrale utilise les rythmes alimentaires pour synchroniser specifiquement les horloges peripheriques de chaque tissu. A leur tour, ces differents tissus peuvent influer sur la synchronisation d'autres horloges peripheriques. Pour dechiffrer l'importance des stimulations systemiques et locales vis-a-vis des fonctions hepatiques, nous avons compare les effets de la perturbation de l'horloge globale ou locale sur la traduction rythmique dans le foie de souris. Ainsi, le rythme d'alimentation semble implique dans la production de la machinerie de traduction. En effet, ces oscillations sont maintenues dans les deux modeles ayant des horloges deficientes. Bien que des modifications similaires alterent les rythmes de traduction impliques dans diverses fonctions metaboliques dans ces modeles murins, l'horloge locale semble primordiale pour les fonctions mitochondriales. D'autre part, la perturbation globale de l'horloge circadienne affecte les comportements alimentaires. Par consequent, la production du proteasome semble etre coordonnee par des signaux systemiques et notamment l'alimentation. -- Chaque etre vivant soumis aux rythmes jour-nuit possede une horloge biologique appelee horloge circadienne. Cette horloge permet aux organismes d'adapter leur metabolisme et d'anticiper les variations environnementales quotidiennes. Chez les mammiferes, cette horloge est presente dans le cerveau, mais egalement dans d'autres organes comme par exemple le foie. Au niveau physiologique, en plus de controler l'alternance veille-sommeil, cette horloge est impliquee dans la regulation d'autres mecanismes tels que la temperature corporelle, la concentration de certaines hormones dans le sang, ou encore le comportement alimentaire. L'ensemble de ces regulations permettent d'actionner les fonctions biologiques de certains organes au moment opportun. Au niveau moleculaire, des boucles de regulations interconnectees generent ces rythmes de 24 heures environ. Ces oscillations permettent ainsi la regulation du metabolisme en agissant sur certaines proteines ou enzymes impliquees dans des voies de signalisations particulieres. Pour cela, l'horloge agit sur differents niveaux de regulation precedant la production de proteine. En effet, dans le cadre de ce travail, nous avons decrit comment l'horloge regie ces differents niveaux de regulation en collaboration avec le metabolisme induit par les rythmes alimentaires. Ainsi, l'horloge circadienne promeut la production de proteines impliquees dans la synthese d'energie en amont de la biogenese des ribosomes, structures indispensables a la production de proteines mais couteuse en energie. Ce phenomene constitue un bon exemple du mode d'action de l'horloge circadienne qui, grâce a l'afflux de nutriments provenant de l'alimentation, synchronise la production proteique en anticipant les besoins energetiques de cette fonction biologique.