Abstract Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions 1 . Reciprocally, macromolecules restrict the movement of ‘structured’ water molecules within their hydration layers, reducing the available ‘free’ bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales 2,3 ; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.

The extracellular matrix (ECM) is the noncellular scaffolding component present within all tissues and organs. It provides crucial biochemical and biomechanical cues to instruct cellular behavior and has been shown to be under circadian clock regulation, a highly conserved cell-intrinsic timekeeping mechanism that has evolved with the 24-hour rhythmic environment. Aging is a major risk factor for many diseases, including cancer, fibrosis, and neurodegenerative disorders. Both aging and our modern 24/7 society disrupt circadian rhythms, which could contribute to altered ECM homeostasis. Understanding the daily dynamics of ECM and how this mechanism changes with age will have a profound impact on tissue health, disease prevention, and improving treatments. Maintaining rhythmic oscillations has been proposed as a hallmark of health. On the other hand, many hallmarks of aging turn out to be key regulators of circadian timekeeping mechanisms. In this review, we summarize new work linking the ECM with circadian clocks and tissue aging. We discuss how the changes in the biomechanical and biochemical properties of ECM during aging may contribute to circadian clock dysregulation. We also consider how the dampening of clocks with age could compromise the daily dynamic regulation of ECM homeostasis in matrix-rich tissues. This review aims to encourage new concepts and testable hypotheses about the two-way interactions between circadian clocks and ECM in the context of aging.

Abstract The circadian clock in mammals temporally coordinates physiological and behavioural processes to anticipate daily rhythmic changes in their environment. Chronic disruption to circadian rhythms (e.g., through ageing or shift work) is thought to contribute to a multitude of diseases, including degeneration of the musculoskeletal system. The intervertebral disc (IVD) in the spine contains circadian clocks which control ∼6% of the transcriptome in a rhythmic manner, including key genes involved in extracellular matrix (ECM) homeostasis. However, it remains largely unknown to what extent the local IVD molecular clock is required to drive rhythmic gene transcription and IVD physiology. In this work, we identified profound age-related changes of ECM microarchitecture and an endochondral ossification-like phenotype in the annulus fibrosus (AF) region of the IVD in the Col2a1 - Bmal1 knockout mice. Circadian time series RNA-Seq of the whole IVD in Bmal1 knockout revealed loss of circadian patterns in gene expression, with an unexpected emergence of 12-hour ultradian rhythms, including FOXO transcription factors. Further RNA sequencing of the AF tissue identified region-specific changes in gene expression, evidencing a loss of AF phenotype markers and a dysregulation of ECM and FOXO pathways in Bmal1 knockout mice. Consistent with an up-regulation of FOXO1 mRNA and protein levels in Bmal1 knockout IVDs, inhibition of FOXO1 in AF cells suppressed their osteogenic differentiation. Collectively, these data highlight the importance of the local molecular clock mechanism in the maintenance of the cell fate and ECM homeostasis of the IVD. Further studies may identify potential new molecular targets for alleviating IVD degeneration.

Abstract Daily rhythms in mammalian behaviour and physiology are generated by a multi-oscillator circadian system entrained through environmental cues (e.g. light). Presence of niche-dependent physiological time cues has been proposed, allowing local tissues flexibility of phase adjustment. However, to date, such stimuli have remained elusive. Here we show that cycles of mechanical loading and osmotic stimuli within physiological range drive rhythmic expression of clock genes and reset clock phase and amplitude in cartilage and intervertebral disc tissues. Hyperosmolarity (not hypo-osmolarity) resets clocks in young and ageing skeletal tissues through mTORC2-AKT-GSK3β pathway, leading to genome-wide induction of rhythmic genes. These results advocate diurnal patterns of mechanical loading and consequent daily surges in osmolarity as a bona fide tissue niche-specific time cue to maintain skeletal circadian rhythms in sync. One-Sentence Summary Circadian clocks in aneural skeletal tissues sense the passage of time through rhythmic patterns of loading and osmolarity

Objective: Mutations in the catalytic site of the ubiquitin-fold modifier 1(UFM1)-specific peptidase 2 (UFSP2) gene have been identified to cause autosomal dominant Beukes hip dysplasia in a large multigenerational family and a novel form of autosomal dominant spondyloepimetaphyseal dysplasia in a second family. We investigated the expression of the UFSP2/UFM1 system during mouse joint development the connection to ER stress induced during osteogenic differentiation. Methods: The pattern of expression of Ufsp2 was determined by radioactive RNA in situ hybridisation on mouse tissue sections. qPCR was used to monitor expression during in vitro osteogenic differentiation and chemically induced ER stress. Affinity purification and mass spectrometry was used for isolation and identification of Ufm1 conjugation targets. Luciferase reporter assay was used to investigate the activity of Ufm1 system genes' promoters. Results: We found that Ufsp2 was predominantly expressed in the bone and secondary ossification centres of 10-day old mice. The Ufm1 system was upregulated during in vitro osteogenic differentiation and in response to chemically induced ER stress. We identified unfolded protein response elements in the upstream sequences of Uba5, Ufl1, Ufm1and Lzap. We identified putative Ufm1 conjugation targets where conjugation was increased in response to ER stress. Conclusion: Higher expression of Ufsp2 in bone and secondary ossification centres as well as upregulation of components of the Ufm1system in response to ER stress suggests that the molecular pathway between the UFSP2 mutations and form of skeletal dysplasia may relate to abnormal ER stress responses during osteoblast differentiation.

Objective: Prior studies have shown that disruption of the circadian clock leads to cartilage degeneration in mice while shift work is associated with higher risk of osteoarthritis (OA) in humans. In this study we investigated the potential of heat pulses to restore dampened circadian rhythms in articular cartilage. Methods: Femoral head cartilage explants and primary chondrocytes were isolated from PER2::LUC mice. Human femoral condyle cartilage was obtained from osteoarthritic patients undergoing total knee replacement. Tissues and cells were exposed to heat shock at various temperatures (37-43 °C) and incubation lengths. Bioluminescence from explants and cells was recorded in real-time. RNA sequencing and qPCR were used to assess gene expression changes in response to heat. Results: We established that a 60-min pulse at 43 °C was sufficient to restore dampened PER2::LUC rhythms in mouse cartilage explants or in primary chondrocytes. Transcriptome analysis in mouse articular cartilage showed an up-regulation of genes encoding heat shock proteins and collagens, and a transient down-regulation of Sox9, Runx2, Per1, Clock and Cry2. Heat induced the expression of circadian clock genes in human osteoarthritic knee cartilage. Mechanistically, inhibition of HSP90 activity or perturbation of F-actin polymerisation blocked the heat-induced resynchronisation of circadian rhythms. Conclusion: Together, these data have contributed to a greater understanding of the multifaceted nature of the connections between circadian timekeeping, heat stress responses and homeostasis in articular cartilage. These findings also suggest that time-prescribed temperature increases could be developed into a non-invasive intervention to slow down tissue ageing and restore homeostasis in osteoarthritic joints by improving circadian oscillations of cartilage rhythmic pathways.

Objectives: Articular cartilage undergoes cyclical heavy loading and low load recovery during the 24-hour day/night cycle. We investigated the daily changes of protein abundance in mouse femoral head articular cartilage by performing 24-hour time-series proteomics study. Methods: Tandem mass spectrometry analysis was used to quantify proteins extracted from mouse cartilage. Bioinformatics analysis was performed to quantify rhythmic changes in protein abundance. Primary chondrocytes were isolated and cultured for independent validation of selected rhythmic proteins. Results: 145 rhythmic proteins were detected. Among these were key cartilage molecules including CCN2, MATN1, PAI-1 and PLOD1 & 2. Pathway analysis revealed that proteins related to protein synthesis, cytoskeleton and glucose metabolism exhibited time-of-day dependent peaks in their abundance. Meta-analysis of published proteomics datasets from articular cartilage revealed that numerous rhythmic proteins were dysregulated in osteoarthritis and/or ageing. Conclusions: Our circadian proteomics study revealed that articular cartilage is a much more dynamic tissue than previously thought. Chondrocytes exhibit circadian rhythms not only in gene expression but also in protein abundance. Our results clearly call for the consideration of circadian timing in understanding cartilage biology, osteoarthritis pathogenesis, treatment strategies and biomarker detection.