Les toxines environnementales peuvent-elles perturber les rythmes circadiens - l'« horloge » biologique dont la perturbation est liée à l'inflammation chronique et à une multitude de troubles humains ? Les recherches montrant un lien entre les perturbations circadiennes et le plancton adapté à la pollution par les sels de voirie mettent la question carrément sur la table.

"Cette recherche montre que l'exposition aux toxines environnementales peut déprimer le fonctionnement de notre horloge circadienne, dont la perturbation est liée à l'augmentation des taux de cancer, Diabète, obésité, cardiopathie, et la dépression, " a déclaré Jennifer Hurley, professeur adjoint de sciences biologiques, membre du Centre de biotechnologie et d'études interdisciplinaires (CBIS) de l'Institut polytechnique Rensselaer, et auteur principal de cette recherche. "C'est la première fois que quelqu'un montre que cela se produit au niveau de l'horloge centrale, que nous avions considéré comme fortement amortis contre ces types d'effets environnementaux. »

La recherche s'appuie sur les récentes découvertes du projet Jefferson à Lake George, montrant qu'une espèce commune de zooplancton, Daphnia pulex, peut faire évoluer la tolérance à des niveaux modérés de sel de voirie en aussi peu que deux mois et demi. Cette recherche a produit cinq populations de Daphnia adaptées à des concentrations de sel allant de la concentration actuelle de 15 milligrammes par litre de chlorure dans le lac George, à des concentrations de 1, 000 milligrammes par litre trouvés dans les lacs fortement contaminés en Amérique du Nord.

"Plancton, qui sont des consommateurs clés d'algues et une source de nourriture pour de nombreux poissons, peut faire un compromis monumental pour tolérer une augmentation du sel de voirie, " a déclaré Rick Relyea, Directeur du projet Jefferson, membre du CBIS, et co-auteur de l'étude. "Le rythme circadien guide ces animaux dans une migration quotidienne, dans les eaux profondes pendant la journée pour se cacher des prédateurs et dans les eaux peu profondes la nuit pour se nourrir. Perturber ce rythme pourrait affecter l'ensemble de l'écosystème du lac."

Hurley a déclaré que l'adaptation au sel affecte probablement Daphnia au niveau épigénétique, un changement héréditaire dans les niveaux de gènes plutôt que dans le code génétique. La recherche a une large applicabilité dans de nombreux domaines au-delà de la santé humaine et est une démonstration de pointe, recherche interdisciplinaire résultant d'une collaboration croisée entre le CBIS et le Jefferson Project.

Pour déterminer si le sel affecte le rythme circadien de Daphnia, les chercheurs ont d'abord établi que le plancton est régi par un ensemble central de gènes de contrôle de l'horloge qui anticipe le cycle jour/nuit. Les gènes de contrôle de l'horloge favorisent et suppriment la transcription des gènes, créer des oscillations quotidiennes dans les niveaux d'enzymes et d'hormones pour affecter la fonction cellulaire, division, et la croissance, ainsi que des paramètres physiologiques tels que la température corporelle et les réponses immunitaires. Le génome de Daphnia comprend le gène PERIOD (PER), un ensemble de gènes presque identiques à l'horloge centrale bien établie de la mouche des fruits ( Drosophila melanogaster ).

Kayla Coldsnow, un doctorant Rensselaer et le premier auteur de l'étude, ont suivi l'expression de l'ARNm de PER chez les Daphnies exposées à des niveaux de sel naturellement bas et à des conditions d'obscurité constantes. Malgré ces conditions environnementales constantes, Les niveaux d'ARNm de Daphnia PER ont oscillé avec un rythme de 24 heures, une indication claire d'une horloge circadienne fonctionnelle. Ses résultats, en combinaison avec les recherches existantes, montre que les « gènes d'horloge » PER sont actifs chez Daphnia.

Pour tester si l'adaptation aux environnements riches en sel affecte cette horloge circadienne fonctionnelle, Coldsnow a ensuite effectué une expérience similaire avec les cinq populations de Daphnia produites lors de ses recherches antérieures. Ses données ont montré que les rythmes de l'ARNm PER se détérioraient avec l'adaptation à l'augmentation des concentrations de sel.

"Ce que nous voyons est une note, réponse mesurée dans cet organisme; plus le niveau de sel auquel les Daphnia sont adaptés est élevé, plus il supprime l'expression de son horloge circadienne, " a déclaré Hurley. " La population adaptée à des niveaux de sel naturellement bas présente une belle oscillation saine dans l'expression de l'ARNm PER, mais la population adaptée à des niveaux élevés de sel a complètement perdu sa capacité à faire osciller cette expression d'ARNm."

Hurley a déclaré que les résultats ouvrent une nouvelle porte dans la recherche circadienne.

« Les implications sont importantes, " Hurley a dit. " Vous avez exposé Daphnia à une toxine environnementale, et son horloge fut supprimée, probablement par des mécanismes épigénétiques. L'horloge et la biologie de Daphnia sont très similaires à l'horloge et à la biologie de notre cerveau et de la plupart des organismes. Est-il possible que nous puissions voir des changements épigénétiques dans le cerveau humain en raison de l'exposition à des toxines environnementales ?