Recent work on human vocal production demonstrates that certain irregular phenomena seen in human pathological voices and baby crying result from nonlinearities in the vocal production system. Equivalent phenomena are quite common in nonhuman mammal vocal repertoires. In particular, bifurcations and chaos are ubiquitous aspects of the normal adult repertoire in many primate species. Here we argue that these phenomena result from properties inherent in the peripheral production mechanism, which allows individuals to generate highly complex and unpredictable vocalizations without requiring equivalently complex neural control mechanisms. We provide examples from the vocal repertoire of rhesus macaques, Macaca mulatta, and other species illustrating the different classes of nonlinear phenomena, and review the concepts from nonlinear dynamics that explicate these calls. Finally, we discuss the evolutionary significance of nonlinear vocal phenomena. We suggest that nonlinear phenomena may subserve individual recognition and the estimation of size or fluctuating asymmetry from vocalizations. Furthermore, neurally ‘cheap’ unpredictability may serve the valuable adaptive function of making chaotic calls difficult to predict and ignore. While noting that nonlinear phenomena are in some cases probably nonadaptive by-products of the physics of the sound-generating mechanism, we suggest that these functional hypotheses provide at least a partial explanation for the ubiquity of nonlinear calls in nonhuman vocal repertoires.

In mammals, the circadian pacemaker, which controls daily rhythms, is located in the suprachiasmatic nucleus (SCN). Circadian oscillations are generated in individual SCN neurons by a molecular regulatory network. Cells oscillate with periods ranging from 20 to 28 h, but at the tissue level, SCN neurons display significant synchrony, suggesting a robust intercellular coupling in which neurotransmitters are assumed to play a crucial role. We present a dynamical model for the coupling of a population of circadian oscillators in the SCN. The cellular oscillator, a three-variable model, describes the core negative feedback loop of the circadian clock. The coupling mechanism is incorporated through the global level of neurotransmitter concentration. Global coupling is efficient to synchronize a population of 10,000 cells. Synchronized cells can be entrained by a 24-h light-dark cycle. Simulations of the interaction between two populations representing two regions of the SCN show that the driven population can be phase-leading. Experimentally testable predictions are: 1), phases of individual cells are governed by their intrinsic periods; and 2), efficient synchronization is achieved when the average neurotransmitter concentration would dampen individual oscillators. However, due to the global neurotransmitter oscillation, cells are effectively synchronized.

PERIOD (PER) proteins are central components within the mammalian circadian oscillator, and are believed to form a negative feedback complex that inhibits their own transcription at a particular circadian phase. Phosphorylation of PER proteins regulates their stability as well as their subcellular localization. In a systematic screen, we have identified 21 phosphorylated residues of mPER2 including Ser 659, which is mutated in patients suffering from familial advanced sleep phase syndrome (FASPS). When expressing FASPS-mutated mPER2 in oscillating fibroblasts, we can phenocopy the short period and advanced phase of FASPS patients’ behavior. We show that phosphorylation at Ser 659 results in nuclear retention and stabilization of mPER2, whereas phosphorylation at other sites leads to mPER2 degradation. To conceptualize our findings, we use mathematical modeling and predict that differential PER phosphorylation events can result in opposite period phenotypes. Indeed, interference with specific aspects of mPER2 phosphorylation leads to either short or long periods in oscillating fibroblasts. This concept explains not only the FASPS phenotype, but also the effect of the tau mutation in hamster as well as the doubletime mutants ( dbt S and dbt L ) in Drosophila .

Lymphocytes circulate through lymph nodes (LN) in search for antigen in what is believed to be a continuous process. Here, we show that lymphocyte migration through lymph nodes and lymph occurred in a non-continuous, circadian manner. Lymphocyte homing to lymph nodes peaked at night onset, with cells leaving the tissue during the day. This resulted in strong oscillations in lymphocyte cellularity in lymph nodes and efferent lymphatic fluid. Using lineage-specific genetic ablation of circadian clock function, we demonstrated this to be dependent on rhythmic expression of promigratory factors on lymphocytes. Dendritic cell numbers peaked in phase with lymphocytes, with diurnal oscillations being present in disease severity after immunization to induce experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). These rhythms were abolished by genetic disruption of T cell clocks, demonstrating a circadian regulation of lymphocyte migration through lymph nodes with time-of-day of immunization being critical for adaptive immune responses weeks later.

Circadian clocks are endogenous oscillators driving daily rhythms in physiology and behavior. Synchronization of these timers to environmental light-dark cycles ('entrainment') is crucial for an organism's fitness. Little is known about which oscillator qualities determine entrainment, i.e., entrainment range, phase and amplitude. In a systematic theoretical and experimental study, we uncovered these qualities for circadian oscillators in the suprachiasmatic nucleus (SCN-the master clock in mammals) and the lung (a peripheral clock): (i) the ratio between stimulus (zeitgeber) strength and oscillator amplitude and (ii) the rigidity of the oscillatory system (relaxation rate upon perturbation) determine entrainment properties. Coupling among oscillators affects both qualities resulting in increased amplitude and rigidity. These principles explain our experimental findings that lung clocks entrain to extreme zeitgeber cycles, whereas SCN clocks do not. We confirmed our theoretical predictions by showing that pharmacological inhibition of coupling in the SCN leads to larger ranges of entrainment. These differences between master and the peripheral clocks suggest that coupling-induced rigidity in the SCN filters environmental noise to create a robust circadian system.

The complexity of tissue- and day time-specific regulation of thousands of clock-controlled genes (CCGs) suggests that many regulatory mechanisms contribute to the transcriptional output of the circadian clock. We aim to predict these mechanisms using a large scale promoter analysis of CCGs. Our study is based on a meta-analysis of DNA-array data from rodent tissues. We searched in the promoter regions of 2065 CCGs for highly overrepresented transcription factor binding sites. In order to compensate the relatively high GC-content of CCG promoters, a novel background model to avoid a bias towards GC-rich motifs was employed. We found that many of the transcription factors with overrepresented binding sites in CCG promoters exhibit themselves circadian rhythms. Among the predicted factors are known regulators such as CLOCK∶BMAL1, DBP, HLF, E4BP4, CREB, RORα and the recently described regulators HSF1, STAT3, SP1 and HNF-4α. As additional promising candidates of circadian transcriptional regulators PAX-4, C/EBP, EVI-1, IRF, E2F, AP-1, HIF-1 and NF-Y were identified. Moreover, GC-rich motifs (SP1, EGR, ZF5, AP-2, WT1, NRF-1) and AT-rich motifs (MEF-2, HMGIY, HNF-1, OCT-1) are significantly overrepresented in promoter regions of CCGs. Putative tissue-specific binding sites such as HNF-3 for liver, NKX2.5 for heart or Myogenin for skeletal muscle were found. The regulation of the erythropoietin (Epo) gene was analysed, which exhibits many binding sites for circadian regulators. We provide experimental evidence for its circadian regulated expression in the adult murine kidney. Basing on a comprehensive literature search we integrate our predictions into a regulatory network of core clock and clock-controlled genes. Our large scale analysis of the CCG promoters reveals the complexity and extensiveness of the circadian regulation in mammals. Results of this study point to connections of the circadian clock to other functional systems including metabolism, endocrine regulation and pharmacokinetics.

Genome biology approaches have made enormous contributions to our understanding of biological rhythms, particularly in identifying outputs of the clock, including RNAs, proteins, and metabolites, whose abundance oscillates throughout the day. These methods hold significant promise for future discovery, particularly when combined with computational modeling. However, genome-scale experiments are costly and laborious, yielding “big data” that are conceptually and statistically difficult to analyze. There is no obvious consensus regarding design or analysis. Here we discuss the relevant technical considerations to generate reproducible, statistically sound, and broadly useful genome-scale data. Rather than suggest a set of rigid rules, we aim to codify principles by which investigators, reviewers, and readers of the primary literature can evaluate the suitability of different experimental designs for measuring different aspects of biological rhythms. We introduce CircaInSilico, a web-based application for generating synthetic genome biology data to benchmark statistical methods for studying biological rhythms. Finally, we discuss several unmet analytical needs, including applications to clinical medicine, and suggest productive avenues to address them.

BACKGROUND. The circadian clock is a fundamental and pervasive biological program that coordinates 24-hour rhythms in physiology, metabolism, and behavior, and it is essential to health. Whereas therapy adapted to time of day is increasingly reported to be highly successful, it needs to be personalized, since internal circadian time is different for each individual. In addition, internal time is not a stable trait, but is influenced by many factors, including genetic predisposition, age, sex, environmental light levels, and season. An easy and convenient diagnostic tool is currently missing.

Day-night environmental cycles together with our own adaptive rhythms in behavior and physiology lead to rhythmicity of various processes on the cellular level, including cell signaling. Despite many implications of such daily changes in signaling, the quantification of such rhythms and estimates of peak phases of pathway activities in various tissues are missing. Governed mainly by posttranslational modifications, a pathway activity might not be well quantified via the expression level of pathway components. Instead, a gene expression signatures approach can be used to score activity of various pathways. Here, we apply such gene expression signatures on circadian time series transcriptomics data to infer rhythmicity in cellular signaling. We show that, across multiple datasets, the gene expression signatures predict the presence of rhythmicity in EGFR, PI3K and p53 pathways in mouse liver. With the focus on EGFR pathway, we pinpoint the most influential signature genes for the overall rhythmicity in the activity scores for this pathway. These findings suggest that time of the day is an important factor to consider in studies on signaling. Simultaneously, this study provides a new paradigm to use circadian transcriptomics to get at temporal dynamics of pathway activation.

The intestinal epithelium is one of the fastest renewing tissues in mammals. It shows a hierarchical organisation, where intestinal stem cells at the base of crypts give rise to rapidly dividing transit amplifying cells that in turn renew the pool of short-lived differentiated cells. Upon injury and stem-cell loss, cells can also dedifferentiate. Tissue homeostasis require a tightly regulated balance of differentiation and stem cell proliferation, and failure can lead to tissue extinction or to unbounded growth and cancerous lesions. Here, we present a two-compartment mathematical model of intestinal epithelium population dynamics that includes a known feedback inhibition of stem cell differentiation by differentiated cells. The model shows that feedback regulation stabilises the number of differentiated cells as these become invariant to changes in their apoptosis rate. Stability of the system is largely independent of feedback strength and shape, but specific thresholds exist after unbounded growth occurs. When dedifferentiation is added to the model, we find that the system can recover more gracefully after certain external perturbations. However, dedifferentiation makes the system more prone to loosing homoeostasis. Taken together, our mathematical model shows how a feedback-controlled hierarchical tissue can maintain homeostasis and can be robust to many external perturbations.