Abstract Gene expression oscillators can coordinate developmental events in space and time. In C. elegans , a gene expression oscillator directs rhythmic accumulation of ∼25% of the transcriptome, and thus thousands of transcripts, presumably to control molting, a process of rhythmic skin regeneration. Recently, a reverse genetic screen identified several transcription factors important for molting. Here, we characterize one of these, BLMP-1, orthologous to the mammalian transcription repressor PRDM1. We find it to be important for timely molting, and oscillatory gene expression. We propose a dual function for BLMP-1 in shaping oscillatory gene expression and coupling it to a set of direct targets, which ensures cuticular integrity. With mammalian PRDM1/BLIMP1 promoting regular cycles of postnatal hair follicle regeneration, our findings point to the possible existence of a fundamentally conserved clock mechanism in control of rhythmic skin regeneration.

Abstract Animals increase by orders of magnitude in their volume during development. Hence, even small differences in the growth rates between individuals could generate large differences in their adult body size. Yet, such volume divergence among individuals is usually not observed in nature. We combined theory and experiment to understand the mechanisms of body size uniformity. Using live imaging, we measured the volume growth of hundreds of individuals of C. elegans over the entire span of their postembryonic development. We find that C. elegans grows exponentially in volume with a coefficient of variation of the growth rate of ∼7%, but that individuals diverge much less in volume than expected from this heterogeneity. The mechanism counteracting size divergence does not involve size thresholds for developmental milestones. Instead, an inverse coupling of the growth rate and the duration of development produces a constant volume fold change per larval stage. The duration of larval stages of C. elegans is determined by the period of a developmental oscillator. Using mathematical modelling, we show that an anti-correlation between the growth rate and the oscillatory period emerges as an intrinsic property of a genetic oscillator. We propose that the robustness of body volume fold change is a hard-wired characteristic of the oscillatory circuit and does not require elaborate mechanisms of size control by cellular signalling. Indeed, the coupling of growth and development was unaltered by mutation of canonical pathways of growth control. This novel concept of size homeostasis may broadly apply to other multicellular systems controlled by genetic oscillators.

Abstract Gene expression oscillators can structure biological events temporally and spatially. Different biological functions benefit from distinct oscillator properties. Thus, finite developmental processes rely on oscillators that start and stop at specific times; a poorly understood behavior. Here, we have characterized a massive gene expression oscillator comprising >3,700 genes in C. elegans larvae. We report that oscillations initiate in embryos, arrest transiently after hatching and in response to perturbation, and cease in adults. Experimental observation of the transitions between oscillatory and non-oscillatory states at a resolution where we can identify bifurcation points reveals an oscillator operating near a Saddle Node on Invariant Cycle (SNIC) bifurcation. These findings constrain the architecture and mathematical models that can represent this oscillator. They also reveal that oscillator arrests occur reproducibly in a specific phase. Since we find oscillations to be coupled to developmental processes, including molting, this characteristic of SNIC bifurcations thus endows the oscillator with the potential to halt larval development at defined intervals, and thereby execute a developmental checkpoint function.

Summary Small RNA pathways defend the germlines of animals against selfish genetic elements and help to maintain genomic integrity. At the same time, their activity needs to be well-controlled to prevent silencing of ‘self’ genes. Here, we reveal a proteolytic mechanism that controls endogenous small interfering (22G) RNA activity in the Caenorhabditis elegans germline to protect genome integrity and maintain fertility. We find that WAGO-1 and WAGO-3 Argonaute (Ago) proteins are matured through proteolytic processing of their unusually proline-rich N-termini. In the absence of DPF-3, a P-granule-localized N-terminal dipeptidase orthologous to mammalian DPP8/9, processing fails, causing a change of identity of 22G RNAs bound to these WAGO proteins. Desilencing of repeat- and transposon-derived transcripts, DNA damage and acute sterility ensue. These phenotypes are recapitulated when WAGO-1 and WAGO-3 are rendered resistant to DFP-3-mediated processing, identifying them as critical substrates of DPF-3. We conclude that N-terminal processing of Ago proteins regulates their activity and promotes discrimination of self from non-self by ensuring association with the proper complement of small RNAs. Graphical Abstract: The role of DPF-3 in the fertility of the animals In wild type animals, the WAGO-1 and WAGO-3 Argonaute proteins are produced as immature pro-proteins with N-termini (N) that are unusually rich in prolines (P). N-terminal processing by DPF-3 is required for loading of the proper small RNA cargo and stabilization of WAGO-3. Accordingly, loss of this processing activity causes desilencing of transposable elements (TE), cell death and sterility.

Abstract Molting, that is, the synthesis and shedding of a cuticular exoskeleton, is a defining characteristic of ecdysozoa. In nematodes such as C. elegans , molts rhythmically terminate each of four larval stages. The molting cycle is tightly coupled to the rhythmic accumulation of thousands of transcripts. Here, using chromatin immunoprecipitation coupled to sequencing (ChIP-seq) and quantitative reporter assays, we show that these dynamic gene expression patterns rely on rhythmic transcription. To gain insight into the relevant gene regulatory networks (GRNs), we performed an RNAi-based screen for transcription factors required for molting to identify potential components of a molting clock. We find that depletion of GRH-1, BLMP-1, NHR-23, NHR-25, MYRF-1 or BED-3 impairs progression through the molting cycle. We characterize GRH-1, a Grainyhead/LSF transcription factor whose orthologues in other animals are key epithelial cell fate regulators. We show that GRH-1 depletion causes a dose-dependent extension of molt duration, defects in cuticle formation and shedding, and larval death. Coincident with its rhythmic accumulation, GRH-1 is required repetitively for each molt, during specific time windows preceding lethargus. These findings are consistent with a function of GRH-1 in a molting cycle GRN. As its mammalian orthologues, as well as those of BLMP-1 and NHR-23, have been implicated in rhythmic homeostatic skin regeneration in mouse, the mechanisms underlying rhythmic C. elegans molting may apply beyond nematodes.

Abstract The mammalian PAS-domain protein PERIOD (PER) and its C. elegans orthologue LIN-42 have been proposed to constitute an evolutionary link between two distinct, circadian and developmental, timing systems. However, while the function of PER in animal circadian rhythms is well understood molecularly and mechanistically, this is not true for the function of LIN-42 in timing rhythmic development. Here, using targeted deletions, we find that the LIN-42 PAS domains are dispensable for the protein’s function in timing molts. Instead, we observe arrhythmic molts upon deletion of a distinct sequence element, conserved with PER. We show that this element mediates stable binding to KIN-20, the C. elegans CK1δ/ε orthologue. We demonstrate that CK1δ phosphorylates LIN-42 and define two conserved helical motifs, CK1δ-binding domain A (CK1BD-A) and CK1BD-B, that have distinct roles in controlling CK1δ-binding and kinase activity in vitro . KIN-20 and the LIN-42 CK1BD are required for proper molting timing in vivo . These interactions mirror the central role of a stable circadian PER–CK1 complex in setting a robust ∼24-hour period. Hence, our results establish LIN-42/PER – KIN-20/CK1δ/ε as a functionally conserved signaling module of two distinct chronobiological systems.

Abstract The RNA-binding protein TRIM71/LIN-41 is a phylogenetically conserved developmental regulator that functions in mammalian stem cell reprogramming, brain development and cancer. TRIM71 recognizes target mRNAs through hairpin motifs and silences them through molecular mechanisms that await identification. Here, we uncover that TRIM71 silences its targets by recruiting TNRC6/GW182, a core component of the miRNA-induced silencing complex (miRISC). Co-immunoprecipitation reveals interaction of TNRC6A with additional RNA-binding proteins and we demonstrate that AGO2, TRIM71, and UPF1 each recruit TNRC6 to specific, largely distinct sets of transcripts to silence them. As cellular TNRC6 levels are limiting, competition occurs among the silencing pathways, such that loss of AGO2 protein, or of AGO2 binding to TNRC6, enhances the activities of the other pathways. We conclude that a miRNA-like silencing activity is shared among different mRNA silencing pathways and that use of TNRC6 as a central hub provides a means to integrate their activities.