Cellular life emerged ∼3.7 billion years ago. With scant exception, terrestrial organisms have evolved under predictable daily cycles owing to the Earth’s rotation. The advantage conferred on organisms that anticipate such environmental cycles has driven the evolution of endogenous circadian rhythms that tune internal physiology to external conditions. The molecular phylogeny of mechanisms driving these rhythms has been difficult to dissect because identified clock genes and proteins are not conserved across the domains of life: Bacteria, Archaea and Eukaryota. Here we show that oxidation–reduction cycles of peroxiredoxin proteins constitute a universal marker for circadian rhythms in all domains of life, by characterizing their oscillations in a variety of model organisms. Furthermore, we explore the interconnectivity between these metabolic cycles and transcription–translation feedback loops of the clockwork in each system. Our results suggest an intimate co-evolution of cellular timekeeping with redox homeostatic mechanisms after the Great Oxidation Event ∼2.5 billion years ago. Daily oxidation–reduction cycles of peroxiredoxin proteins are shown to be conserved in all domains of life, including Bacteria, Archaea and Eukaryota. Most living organisms possess an endogenous circadian clock that ties their metabolism to a 24-hour day–night cycle. 'Clock genes' have been studied in many organisms and their variety has encouraged the view that each clock evolved independently. But there is a unifying factor: a non-transcriptionally based form of circadian oscillation, involving the oxidation–reduction cycles of peroxiredoxin proteins, has been identified in human red blood cells and algae. This study demonstrates that these redox cycles are conserved in all domains of life, including Bacteria, Archaea and Eukaryota, pointing to the possibility that this type of cellular timekeeping has co-evolved with redox homeostatic mechanisms across organisms for billions of years. The link may go back 2.5 billion years, to the Great Oxidation Event that consigned anaerobic metabolism to the margins of evolutionary history.

Viruses are intracellular pathogens that hijack host cell machinery and resources to replicate. Rather than being constant, host physiology is rhythmic, undergoing circadian (∼24 h) oscillations in many virus-relevant pathways, but whether daily rhythms impact on viral replication is unknown. We find that the time of day of host infection regulates virus progression in live mice and individual cells. Furthermore, we demonstrate that herpes and influenza A virus infections are enhanced when host circadian rhythms are abolished by disrupting the key clock gene transcription factor Bmal1. Intracellular trafficking, biosynthetic processes, protein synthesis, and chromatin assembly all contribute to circadian regulation of virus infection. Moreover, herpesviruses differentially target components of the molecular circadian clockwork. Our work demonstrates that viruses exploit the clockwork for their own gain and that the clock represents a novel target for modulating viral replication that extends beyond any single family of these ubiquitous pathogens.

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.

Abstract The daily organisation of most mammalian cellular functions is attributed to circadian regulation of clock-controlled protein expression, driven by daily cycles of CRYPTOCHROME-dependent transcriptional feedback repression. To test this, we compared the circadian proteome and phosphoproteome of wild type and CRY-deficient fibroblast cells. Strikingly, CRY-deficient cells showed a two-fold increase in circadian-regulated proteins, phosphopeptides, and K + transport. This was accompanied by extensive remodelling of the cellular proteome overall, including reduced phosphatase and proteasome subunit expression. These adaptations rendered CRY-deficient cells more sensitive to stress, which may account for their reduced circadian robustness and contribute to the wide-ranging phenotypes of CRY-deficient mice. We suggest that CRY ultimately functions to suppress, rather than generate, daily rhythms in cellular protein abundance, thereby maintaining protein and osmotic homeostasis.

Abstract Every aspect of yeast physiology is subject to robust temporal regulation, this becomes apparent under nutrient-limiting conditions 1-6 and results in biological oscillations whose function and mechanism is poorly resolved 7 . These yeast metabolic oscillations share features with circadian rhythms and typically interact with, but are independent of, the cell division cycle. Here we show that these cellular rhythms act to minimise energy expenditure by temporally restricting protein synthesis until sufficient cellular resources are present, whilst maintaining osmotic homeostasis and protein quality control. Although nutrient supply is constant, cells initially ‘sequester and store’ metabolic resources such as carbohydrates, amino acids, K + and other osmolytes; which accumulate via increased synthesis, transport, autophagy and biomolecular condensation that is stimulated by low glucose and cytosolic acidification. Replete stores trigger increased H + export to elevate cytosolic pH, thereby stimulating TORC1 and liberating proteasomes, ribosomes, chaperones and metabolic enzymes from non-membrane bound compartments. This facilitates a burst of increased protein synthesis, the liquidation of storage carbohydrates to sustain higher respiration rates and increased ATP turnover, and the export of osmolytes to maintain osmotic potential. As the duration of translational bursting is determined by cell-intrinsic factors, the period of oscillation is determined by the time cells take to store sufficient resources to license passage through the pH-dependent metabolic checkpoint that initiates translational bursting. We propose that dynamic regulation of ion transport and metabolic plasticity are required to maintain osmotic and protein homeostasis during remodelling of eukaryotic proteomes, and that bioenergetic constraints have selected for temporal organisation that promotes oscillatory behaviour.

Abstract Between 6-20% of the cellular proteome is under circadian control to tune cell function with cycles of environmental change. For cell viability, and to maintain volume within narrow limits, the osmotic pressure exerted by changes in the soluble proteome must be compensated. The mechanisms and consequences underlying compensation are not known. Here, we show in cultured mammalian cells and in vivo that compensation requires electroneutral active transport of Na + , K + , and Cl − through differential activity of SLC12A family cotransporters. In cardiomyocytes ex vivo and in vivo , compensatory ion fluxes alter their electrical activity at different times of the day. Perturbation of soluble protein abundance has commensurate effects on ion composition and cellular function across the circadian cycle. Thus, circadian regulation of the proteome impacts ion homeostasis with substantial consequences for the physiology of electrically active cells such as cardiomyocytes.

Abstract Cellular circadian rhythms confer temporal organisation upon physiology that is fundamental to human health. Rhythms are present in red blood cells (RBCs), the most abundant cell type in the body, but their physiological function is poorly understood. Here, we present a novel biochemical assay for haemoglobin (Hb) oxidation status which relies on a redox-sensitive covalent haem-Hb linkage that forms during SDS-mediated cell lysis. Formation of this linkage is lowest when ferrous Hb is oxidised, in the form of ferric metHb. Daily haemoglobin oxidation rhythms are observed in RBCs cultured in vitro or taken from freely behaving mice or humans exhibit and are unaffected by mutations that affect circadian rhythms in nucleated cells. These rhythms correlate with daily rhythms in core body temperature, with temperature lowest when metHb levels are highest. Raising metHb levels with dietary sodium nitrite can further decrease daytime core body temperature in mice via NO signaling. These results extend our molecular understanding of RBC circadian rhythms and suggest they contribute to the regulation of body temperature.

Abstract Viruses are vulnerable as they transmit between hosts and we aimed to exploit this critical window. We found that the ubiquitous, safe, inexpensive and biodegradable small molecule propylene glycol (PG) has robust virucidal activity. Propylene glycol rapidly inactivates influenza, SARS-CoV-2 and a broad range of other enveloped viruses, and reduces disease burden in mice when administered intranasally at concentrations commonly found in nasal sprays. Most critically, aerosolized PG efficiently abolishes influenza and SARS-CoV-2 infectivity within airborne droplets, potently preventing infection at levels significantly below those well-tolerated by mammals. We present PG vapor as a first-in-class non-toxic airborne virucide, to prevent transmission of existing and emergent viral pathogens, with clear and immediate implications for public health. One-sentence summary Propylene glycol is a potent and safe virucidal compound that could be used to limit and control infections.