The circadian clock orchestrates many aspects of human physiology, and disruption of this clock has been implicated in various pathologies, ranging from cancer to metabolic syndrome and diabetes. Although there is evidence that metabolism and the circadian clockwork are intimately linked on a transcriptional level, whether these effects are directly under clock control or are mediated by the rest–activity cycle and the timing of food intake is unclear. To answer this question, we conducted an unbiased screen in human subjects of the metabolome of blood plasma and saliva at different times of day. To minimize indirect effects, subjects were kept in a 40-h constant routine of enforced posture, constant dim light, hourly isocaloric meals, and sleep deprivation. Under these conditions, we found that ∼15% of all identified metabolites in plasma and saliva were under circadian control, most notably fatty acids in plasma and amino acids in saliva. Our data suggest that there is a strong direct effect of the endogenous circadian clock on multiple human metabolic pathways that is independent of sleep or feeding. In addition, they identify multiple potential small-molecule biomarkers of human circadian phase and sleep pressure.

Abstract Circadian rhythms are endogenously generated physiological and molecular rhythms with a cycle length of about 24 h. Bioluminescent reporters have been exceptionally useful for studying circadian rhythms in numerous species. Here, we report development of a reporter mouse generated by modification of a widely expressed and highly rhythmic gene encoding D-site albumin promoter binding protein ( Dbp ). In this line of mice, firefly luciferase is expressed from the Dbp locus in a Cre -recombinase-dependent manner, allowing assessment of bioluminescence rhythms in specific cellular populations. A mouse line in which luciferase expression was Cre -independent was also generated. The Dbp reporter alleles do not alter Dbp gene expression rhythms in liver or circadian locomotor activity rhythms. In vivo and ex vivo studies show the utility of the reporter alleles for monitoring rhythmicity. Our studies reveal cell-type specific characteristics of rhythms among neuronal populations within the suprachiasmatic nuclei ex vivo . In vivo studies show Dbp -driven bioluminescence rhythms in the liver of Albumin-Cre;Dbp KI/+ “liver reporter” mice. After a shift of the lighting schedule, locomotor activity achieved the proper phase relationship with the new lighting cycle more rapidly than hepatic bioluminescence did. As previously shown, restricting food access to the daytime altered the phase of hepatic rhythmicity. Our model allowed assessment of the rate of recovery from misalignment once animals were provided with food ad libitum . These studies confirm the previously demonstrated circadian misalignment following environmental perturbations and reveal the utility of this model for minimally invasive, longitudinal monitoring of rhythmicity from specific mouse tissues.

The mammalian suprachiasmatic nucleus (SCN), situated in the ventral hypothalamus, directs daily cellular and physiological 24-hr rhythms across the body. Spatiotemporal gene transcription in the SCN is vital for daily timekeeping to sustain the molecular circadian clock and clock-controlled genes (CCGs). A key SCN transcription factor, ZFHX3 (zinc finger homeobox-3), is implicated crucial for the synchronization and maintenance of the circadian timekeeping. So far, the resultant aberrant circadian behaviour after the loss of ZFHX3 is well-characterized, but the molecular mechanisms affecting the central clock, and the SCN transcriptome at large is poorly defined. Here, we used ZFHX3 targeted chromatin immunoprecipitation (ChIP-seq) to map the genomic localization of ZFHX3 in the SCN. In parallel, we conducted a comprehensive SCN RNA sequencing at six distinct times-of-day, and compared the transcriptional profile between the control and ZFHX3-conditional null mutants. Our rigorous efforts highlighted the genome wide occupancy of ZFHX3 predominantly around the gene transcription start site (TSS), co-localizing with the known histone modifications, and preferentially partnering with the core-clock TFs (CLOCK,BMAL1) to regulate the clock gene(s) transcription., we clearly showed a drastic effect of the loss of ZFHX3 on the SCN transcriptome, intensely reducing the level of neuropeptides responsible for inter-cellular coupling, along with abolishing rhythmic (24-h) oscillation of the clock TF, Bmal1. A systematic rhythmicity analysis further showed change in phase (peak expression) and amplitude of the various clock genes including Per (1-3), Dbp in ZFHX3 deficient mice, corroborating with the noted atypical advancement in daily behaviour under 12hr light- 12hr dark conditions. Taken together, these findings shed light on genome-wide regulation conferred by ZFHX3 in the central clock that is necessary to orchestrate daily timekeeping in mammals.

A bstract Recent studies have established that the circadian clock influences onset, progression and therapeutic outcomes in a number of diseases including cancer and heart diseases. Therefore, there is a need for tools to measure the functional state of the molecular circadian clock and its downstream targets in patients. Moreover, the clock is a multi-dimensional stochastic oscillator and there are few tools for analysing it as a system. In this paper we consider the methodology behind Time-Teller, a machine learning tool that analyses the clock as a system and aims to estimate circadian clock function from a single transcriptome by modelling the multi-dimensional state of the clock. We demonstrate its potential for clock systems assessment by applying it to mouse, baboon and human microarray and RNA-seq data and show how to visualise and quantify the global structure of the clock, quantitatively stratify individual transcriptomic samples by clock dysfunction and globally compare clocks across individuals, conditions and tissues thus highlighting its potential relevance for advancing circadian medicine.

ABSTRACT Sleep and circadian rhythm disruption (SCRD), as encountered during shift work, increases the risk of respiratory viral infection including SARS-CoV-2. However, the mechanism(s) underpinning higher rates of respiratory viral infection following SCRD remain poorly characterised. To address this, we investigated the effects of acute sleep deprivation on the mouse lung transcriptome. Here we show that sleep deprivation profoundly alters the transcriptional landscape of the lung, causing the suppression of both innate and adaptive immune systems, disrupting the circadian clock, and activating genes implicated in SARS-CoV-2 replication, thereby generating a lung environment that promotes viral infection and associated disease pathogenesis. Our study provides a mechanistic explanation of how SCRD increases the risk of respiratory viral infections including SARS-CoV-2 and highlights therapeutic avenues for the prevention and treatment of COVID-19.