We have examined posttranslational regulation of clock proteins in mouse liver in vivo. The mouse PERIOD proteins (mPER1 and mPER2), CLOCK, and BMAL1 undergo robust circadian changes in phosphorylation. These proteins, the cryptochromes (mCRY1 and mCRY2), and casein kinase I epsilon (CKIϵ) form multimeric complexes that are bound to DNA during negative transcriptional feedback. CLOCK:BMAL1 heterodimers remain bound to DNA over the circadian cycle. The temporal increase in mPER abundance controls the negative feedback interactions. Analysis of clock proteins in mCRY-deficient mice shows that the mCRYs are necessary for stabilizing phosphorylated mPER2 and for the nuclear accumulation of mPER1, mPER2, and CKIϵ. We also provide in vivo evidence that casein kinase I delta is a second clock relevant kinase.

Diurnal variation in inflammatory and immune function is evident in the physiology and pathology of humans and animals, but molecular mechanisms and mediating cell types that provide this gating remain unknown. By screening cytokine responses in mice to endotoxin challenge at different times of day, we reveal that the magnitude of response exhibited pronounced temporal dependence, yet only within a subset of proinflammatory cytokines. Disruption of the circadian clockwork in macrophages (primary effector cells of the innate immune system) by conditional targeting of a key clock gene ( bmal1 ) removed all temporal gating of endotoxin-induced cytokine response in cultured cells and in vivo. Loss of circadian gating was coincident with suppressed rev-erb α expression, implicating this nuclear receptor as a potential link between the clock and inflammatory pathways. This finding was confirmed in vivo and in vitro through genetic and pharmacological modulation of REV-ERB α activity. Circadian gating of endotoxin response was lost in rev-erb α −/− mice and in cultured macrophages from these animals, despite maintenance of circadian rhythmicity within these cells. Using human macrophages, which show circadian clock gene oscillations and rhythmic endotoxin responses, we demonstrate that administration of a synthetic REV-ERB ligand, or genetic knockdown of rev-erb α expression, is effective at modulating the production and release of the proinflammatory cytokine IL-6. This work demonstrates that the macrophage clockwork provides temporal gating of systemic responses to endotoxin, and identifies REV-ERBα as the key link between the clock and immune function. REV-ERBα may therefore represent a unique therapeutic target in human inflammatory disease.

Abstract Sleep is an essential state of decreased activity and alertness but molecular factors regulating sleep duration remain unknown. Through genome-wide association analysis in 446,118 adults of European ancestry from the UK Biobank, we identify 78 loci for self-reported habitual sleep duration ( p < 5 × 10 −8 ; 43 loci at p < 6 × 10 −9 ). Replication is observed for PAX8 , VRK2 , and FBXL12/UBL5/PIN1 loci in the CHARGE study ( n = 47,180; p < 6.3 × 10 −4 ), and 55 signals show sign-concordant effects. The 78 loci further associate with accelerometer-derived sleep duration, daytime inactivity, sleep efficiency and number of sleep bouts in secondary analysis ( n = 85,499). Loci are enriched for pathways including striatum and subpallium development, mechanosensory response, dopamine binding, synaptic neurotransmission and plasticity, among others. Genetic correlation indicates shared links with anthropometric, cognitive, metabolic, and psychiatric traits and two-sample Mendelian randomization highlights a bidirectional causal link with schizophrenia. This work provides insights into the genetic basis for inter-individual variation in sleep duration implicating multiple biological pathways.

Host defense to bacterial infection and pulmonary inflammation is regulated by a circadian clock within lung epithelial cells and glucocorticoids. The circadian system is an important regulator of immune function. Human inflammatory lung diseases frequently show time-of-day variation in symptom severity and lung function, but the mechanisms and cell types underlying these effects remain unclear. We show that pulmonary antibacterial responses are modulated by a circadian clock within epithelial club (Clara) cells. These drive circadian neutrophil recruitment to the lung via the chemokine CXCL5. Genetic ablation of the clock gene Bmal1 (also called Arntl or MOP3) in bronchiolar cells disrupts rhythmic Cxcl5 expression, resulting in exaggerated inflammatory responses to lipopolysaccharide and an impaired host response to Streptococcus pneumoniae infection. Adrenalectomy blocks rhythmic inflammatory responses and the circadian regulation of CXCL5, suggesting a key role for the adrenal axis in driving CXCL5 expression and pulmonary neutrophil recruitment. Glucocorticoid receptor occupancy at the Cxcl5 locus shows circadian oscillations, but this is disrupted in mice with bronchiole-specific ablation of Bmal1, leading to enhanced CXCL5 expression despite normal corticosteroid secretion. The therapeutic effects of the synthetic glucocorticoid dexamethasone depend on intact clock function in the airway. We now define a regulatory mechanism that links the circadian clock and glucocorticoid hormones to control both time-of-day variation and the magnitude of pulmonary inflammation and responses to bacterial infection.

The intrinsic period of circadian clocks is their defining adaptive property. To identify the biochemical mechanisms whereby casein kinase1 (CK1) determines circadian period in mammals, we created mouse null and tau mutants of Ck1 epsilon. Circadian period lengthened in CK1epsilon-/-, whereas CK1epsilon(tau/tau) shortened circadian period of behavior in vivo and suprachiasmatic nucleus firing rates in vitro, by accelerating PERIOD-dependent molecular feedback loops. CK1epsilon(tau/tau) also accelerated molecular oscillations in peripheral tissues, revealing its global role in circadian pacemaking. CK1epsilon(tau) acted by promoting degradation of both nuclear and cytoplasmic PERIOD, but not CRYPTOCHROME, proteins. Together, these whole-animal and biochemical studies explain how tau, as a gain-of-function mutation, acts at a specific circadian phase to promote degradation of PERIOD proteins and thereby accelerate the mammalian clockwork in brain and periphery.

Richa Saxena and colleagues report genome-wide association analyses of sleep disturbance traits in the UK Biobank cohort. They discover loci associated with insomnia symptoms and excessive daytime sleepiness and identify genetic correlations with several neuropsychiatric and metabolic traits. Chronic sleep disturbances, associated with cardiometabolic diseases, psychiatric disorders and all-cause mortality1,2, affect 25–30% of adults worldwide3. Although environmental factors contribute substantially to self-reported habitual sleep duration and disruption, these traits are heritable4,5,6,7,8,9 and identification of the genes involved should improve understanding of sleep, mechanisms linking sleep to disease and development of new therapies. We report single- and multiple-trait genome-wide association analyses of self-reported sleep duration, insomnia symptoms and excessive daytime sleepiness in the UK Biobank (n = 112,586). We discover loci associated with insomnia symptoms (near MEIS1, TMEM132E, CYCL1 and TGFBI in females and WDR27 in males), excessive daytime sleepiness (near AR–OPHN1) and a composite sleep trait (near PATJ (INADL) and HCRTR2) and replicate a locus associated with sleep duration (at PAX8). We also observe genetic correlation between longer sleep duration and schizophrenia risk (rg = 0.29, P = 1.90 × 10−13) and between increased levels of excessive daytime sleepiness and increased measures for adiposity traits (body mass index (BMI): rg = 0.20, P = 3.12 × 10−9; waist circumference: rg = 0.20, P = 2.12 × 10−7).

Insomnia is a common disorder linked with adverse long-term medical and psychiatric outcomes. The underlying pathophysiological processes and causal relationships of insomnia with disease are poorly understood. Here we identified 57 loci for self-reported insomnia symptoms in the UK Biobank (n = 453,379) and confirmed their effects on self-reported insomnia symptoms in the HUNT Study (n = 14,923 cases and 47,610 controls), physician-diagnosed insomnia in the Partners Biobank (n = 2,217 cases and 14,240 controls), and accelerometer-derived measures of sleep efficiency and sleep duration in the UK Biobank (n = 83,726). Our results suggest enrichment of genes involved in ubiquitin-mediated proteolysis and of genes expressed in multiple brain regions, skeletal muscle, and adrenal glands. Evidence of shared genetic factors was found between frequent insomnia symptoms and restless legs syndrome, aging, and cardiometabolic, behavioral, psychiatric, and reproductive traits. Evidence was found for a possible causal link between insomnia symptoms and coronary artery disease, depressive symptoms, and subjective well-being. Genome-wide association analyses identify 57 loci associated with insomnia symptoms and provide evidence of shared genetic architecture between insomnia and cardiometabolic, behavioral, psychiatric and reproductive traits.

Our sleep timing preference, or chronotype, is a manifestation of our internal biological clock. Variation in chronotype has been linked to sleep disorders, cognitive and physical performance, and chronic disease. Here we perform a genome-wide association study of self-reported chronotype within the UK Biobank cohort (n=100,420). We identify 12 new genetic loci that implicate known components of the circadian clock machinery and point to previously unstudied genetic variants and candidate genes that might modulate core circadian rhythms or light-sensing pathways. Pathway analyses highlight central nervous and ocular systems and fear-response-related processes. Genetic correlation analysis suggests chronotype shares underlying genetic pathways with schizophrenia, educational attainment and possibly BMI. Further, Mendelian randomization suggests that evening chronotype relates to higher educational attainment. These results not only expand our knowledge of the circadian system in humans but also expose the influence of circadian characteristics over human health and life-history variables such as educational attainment.

Summary

 Seasonal synchronization based on day length (photoperiod) allows organisms to anticipate environmental change. Photoperiodic decoding relies on circadian clocks, but the underlying molecular pathways have remained elusive [1]. In mammals and birds, photoperiodic responses depend crucially on expression of thyrotrophin β subunit RNA (TSHβ) in the pars tuberalis (PT) of the pituitary gland [2–4]. Now, using our well-characterized Soay sheep model [2], we describe a molecular switch governing TSHβ transcription through the circadian clock. Central to this is a conserved D element in the TSHβ promoter, controlled by the circadian transcription factor thyrotroph embryonic factor (Tef). In the PT, long-day exposure rapidly induces expression of the coactivator eyes absent 3 (Eya3), which synergizes with Tef to maximize TSHβ transcription. The pineal hormone melatonin, secreted nocturnally, sets the phase of rhythmic Eya3 expression in the PT to peak 12 hr after nightfall. Additionally, nocturnal melatonin levels directly suppress Eya3 expression. Together, these effects form a switch triggering a strong morning peak of Eya3 expression under long days. Species variability in the TSHβ D element influences sensitivity to TEF, reflecting species variability in photoperiodic responsiveness. Our findings define a molecular pathway linking the circadian clock to the evolution of seasonal timing in mammals.

The disruption of the NRF2 (nuclear factor erythroid-derived 2-like 2)/glutathione-mediated antioxidant defense pathway is a critical step in the pathogenesis of several chronic pulmonary diseases and cancer. While the mechanism of NRF2 activation upon oxidative stress has been widely investigated, little is known about the endogenous signals that regulate the NRF2 pathway in lung physiology and pathology. Here we show that an E-box-mediated circadian rhythm of NRF2 protein is essential in regulating the rhythmic expression of antioxidant genes involved in glutathione redox homeostasis in the mouse lung. Using an in vivo bleomycin-induced lung fibrosis model, we reveal a clock “gated” pulmonary response to oxidative injury, with a more severe fibrotic effect when bleomycin was applied at a circadian nadir in NRF2 levels. Timed administration of sulforaphane, an NRF2 activator, significantly blocked this phenotype. Moreover, in the lungs of the arrhythmic Clock Δ19 mice, the levels of NRF2 and the reduced glutathione are constitutively low, associated with increased protein oxidative damage and a spontaneous fibrotic-like pulmonary phenotype. Our findings reveal a pivotal role for the circadian control of the NRF2/glutathione pathway in combating oxidative/fibrotic lung damage, which might prompt new chronotherapeutic strategies for the treatment of human lung diseases, including idiopathic pulmonary fibrosis.