The daily timing of gene expression and physiology in mammals

Dialogues Clin Neurosci. 2007;9(3):257-72. doi: 10.31887/DCNS.2007.9.3/uschibler.

Abstract

Mammalian behavior and physiology undergo daily rhythms that are coordinated by an endogenous circadian timing system. This system has a hierarchical structure, in that a master pacemaker, residing in the suprachiasmatic nucleus of the ventral hypothalamus, synchronizes peripheral oscillators in virtually all body cells. While the basic molecular mechanisms generating the daily rhythms are similar in all cells, most clock outputs are cell-specific. This conclusion is based on genome-wide transcriptome profiling studies in several tissues that have revealed hundreds of rhythmically expressed genes. Cyclic gene expression in the various organs governs overt rhythms in behavior and physiology, encompassing sleep-wake cycles, metabolism, xenobiotic detoxification, and cellular proliferation. As a consequence, chronic perturbation of this temporal organization may lead to increased morbidity and reduced lifespan.

La conducta y la fisiología de los mamíferos dependen de ritmos diarios que están coordinados por un sistema circadiano endógeno. Este sistema tiene una estructura jerárquica, en la cual un marcapasos maestro, localizado en el núcleo supra-quiasmático del hipotálamo ventral, tiene la potencialidad de sincronizar osciladores periféricos en casi todas las células del cuerpo. Estudios acerca del perfil del transcriptoma de todo el genoma en diversos tejidos han demostrado que cientos de genes se expresan de una manera rítmica. La expresión cíclica de genes en diversos órganos controla determinados ritmos del comportamiento y de la fisiología, incluyendo el ciclo sueño vigilia, el metabolismo, la detoxificación xenobibtica y la proliferación celular. Como consecuencia, la alteración crónica de esta organización temporal puede llevar a un aumento de la morbilidad y a una reducción de la expectativa de vida. Sin embargo, aun se requiere de mucho trabajo de laboratorio para poder establecer relaciones inequívocas entre la desorganización de la fisiología circadiana y la aparición de la enfermedad.

La physiologie et le comportement des mammifères suivent des rythmes quotidiens coordonnés par un système circadien de synchronisation endogène. Ce système est hiérarchisé en ce sens que son pacemaker principal, situé dans le noyau suprachiasmatique de l'hypothalamus ventral, synchronise des oscillateurs périphériques dans presque toutes les cellules de l'organisme. Alors que les mécanismes moléculaires qui sont à la base des rythmes endogènes sont semblables dans toutes les cellules, les conséquences du fonctionnement des horloges biologiques diffèrent quant à elles selon les cellules. Des études du transcriptome du génome entier dans plusieurs tissus ont montré des centaines de gènes exprimés de façon rythmique. L'expression cyclique de gènes dans différents organes gouverne des rythmes mesurables en physiologie et en comportements, comme les cycles veille-sommeil, le métabolisme, la détoxication xénobiotique et la prolifération cellulaire. Une perturbation chronique de cette organisation temporelle peut donc augmenter la morbidité et réduire la durée de vie. D'autres travaux de laboratoire sont néanmoins nécessaires pour confirmer les relations de cause à effet entre des modifications de la physiologie circadienne et la survenue de la maladie.

Publication types

  • Research Support, Non-U.S. Gov't
  • Review

MeSH terms

  • Animals
  • Cell Proliferation
  • Circadian Rhythm / physiology*
  • Gene Expression Regulation / physiology*
  • Humans
  • Mammals / physiology*
  • Metabolic Networks and Pathways / physiology
  • Suprachiasmatic Nucleus / physiology