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.

Abstract

 Background: Genes encoding the circadian pacemaker in the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN) of mammals have recently been identified, but the molecular basis of circadian timing in peripheral tissue is not well understood. We used a custom-made cDNA microarray to identify mouse liver transcripts that show circadian cycles of abundance under constant conditions. Results: Using two independent tissue sampling and hybridization regimes, we show that ∼9% of the 2122 genes studied show robust circadian cycling in the liver. These transcripts were categorized by their phase of abundance, defining clusters of day- and night-related genes, and also by the function of their products. Circadian regulation of genes was tissue specific, insofar as novel rhythmic liver genes were not necessarily rhythmic in the brain, even when expressed in the SCN. The rhythmic transcriptome in the periphery is, nevertheless, dependent on the SCN because surgical ablation of the SCN severely dampened or destroyed completely the cyclical expression of both canonical circadian genes and novel genes identified by microarray analysis. Conclusions: Temporally complex, circadian programming of the transcriptome in a peripheral organ is imposed across a wide range of core cellular functions and is dependent on an interaction between intrinsic, tissue-specific factors and extrinsic regulation by the SCN central pacemaker.

Circadian (∼24 hour) clocks are fundamentally important for coordinated physiology in organisms as diverse as cyanobacteria and humans. All current models of the molecular circadian clockwork in eukaryotic cells are based on transcription–translation feedback loops. Non-transcriptional mechanisms in the clockwork have been difficult to study in mammalian systems. We circumvented these problems by developing novel assays using human red blood cells, which have no nucleus (or DNA) and therefore cannot perform transcription. Our results show that transcription is not required for circadian oscillations in humans, and that non-transcriptional events seem to be sufficient to sustain cellular circadian rhythms. Using red blood cells, we found that peroxiredoxins, highly conserved antioxidant proteins, undergo ∼24-hour redox cycles, which persist for many days under constant conditions (that is, in the absence of external cues). Moreover, these rhythms are entrainable (that is, tunable by environmental stimuli) and temperature-compensated, both key features of circadian rhythms. We anticipate that our findings will facilitate more sophisticated cellular clock models, highlighting the interdependency of transcriptional and non-transcriptional oscillations in potentially all eukaryotic cells. Circadian clocks are critical timing regulators of physiology and behaviour that are ubiquitous in eukaryotes. Most mechanistic models of the clock are based on transcription cycles, but evidence for post-translational regulation has recently surfaced in plants and cyanobacteria. Two groups now demonstrate a role for the oxidation of peroxiredoxin proteins in maintaining an entrainable oscillation in human red blood cells and in the unicellular alga Ostreococcus tauri. These data suggest a role for non-transcriptional mechanisms in clock models and open the door to future work exploring the connections between the transcriptional and non-transcriptional circadian machinery. Circadian clocks are critical timing regulators of physiology and behaviour that are ubiquitous in eukaryotes. Most mechanistic models of the this clock are based on transcription cycles, but some evidence for post-translational regulation has recently surfaced in plants and cyanobacteria. This is one of two groups demonstrating a role for the oxidation of peroxiredoxin proteins in maintaining an entrainable oscillation in human red blood cells and a unicellular alga. These data indicate a role for non-transcriptional mechanisms in clock models and open the door to future work exploring the connections between the transcriptional and non-transcriptional circadian machinery.

Circadian rhythms are essential to health. Their disruption is associated with metabolic diseases in experimental animals and man [1Turek F.W. Joshu C. Kohsaka A. Lin E. Ivanova G. McDearmon E. Laposky A. Losee-Olson S. Easton A. Jensen D.R. et al.Obesity and metabolic syndrome in circadian Clock mutant mice.Science. 2005; 308: 1043-1045Crossref PubMed Scopus (1746) Google Scholar, 2Karlsson B.H. Knutsson A.K. Lindahl B.O. Alfredsson L.S. Metabolic disturbances in male workers with rotating three-shift work. Results of the WOLF study.Int. Arch. Occup. Environ. Health. 2003; 76: 424-430Crossref PubMed Scopus (232) Google Scholar, 3Hastings M.H. Reddy A.B. Maywood E.S. A clockwork web: circadian timing in brain and periphery, in health and disease.Nat. Rev. Neurosci. 2003; 4: 649-661Crossref PubMed Scopus (891) Google Scholar]. Local metabolic rhythms represent an output of tissue-based circadian clocks [4Reppert S.M. Weaver D.R. Coordination of circadian timing in mammals.Nature. 2002; 418: 935-941Crossref PubMed Scopus (3134) Google Scholar]. Attempts to define how local metabolism is temporally coordinated have focused on gene expression by defining extensive and divergent “circadian transcriptomes” involving 5%–10% of genes assayed [5Akhtar R.A. Reddy A.B. Maywood E.S. Clayton J.D. King V.M. Smith A.G. Gant T.W. Hastings M.H. Kyriacou C.P. Circadian cycling of the mouse liver transcriptome, as revealed by cDNA microarray, is driven by the suprachiasmatic nucleus.Curr. Biol. 2002; 12: 540-550Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (627) Google Scholar, 6Panda S. Antoch M.P. Miller B.H. Su A.I. Schook A.B. Straume M. Schultz P.G. Kay S.A. Takahashi J.S. Hogenesch J.B. Coordinated transcription of key pathways in the mouse by the circadian clock.Cell. 2002; 109: 307-320Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1768) Google Scholar, 7Storch K.F. Lipan O. Leykin I. Viswanathan N. Davis F.C. Wong W.H. Weitz C.J. Extensive and divergent circadian gene expression in liver and heart.Nature. 2002; 417: 78-83Crossref PubMed Scopus (1175) Google Scholar, 8Ueda H.R. Chen W. Adachi A. Wakamatsu H. Hayashi S. Takasugi T. Nagano M. Nakahama K. Suzuki Y. Sugano S. et al.A transcription factor response element for gene expression during circadian night.Nature. 2002; 418: 534-539Crossref PubMed Scopus (667) Google Scholar]. These analyses are inevitably incomplete, not least because metabolic coordination depends ultimately upon temporal regulation of proteins [9Hanash S. Disease proteomics.Nature. 2003; 422: 226-232Crossref PubMed Scopus (822) Google Scholar, 10Hanash S. Integrated global profiling of cancer.Nat. Rev. Cancer. 2004; 4: 638-644Crossref PubMed Scopus (110) Google Scholar]. We therefore conducted a systematic analysis of a mammalian “circadian proteome.” Our analysis revealed that up to 20% of soluble proteins assayed in mouse liver are subject to circadian control. Many of these circadian proteins are novel and cluster into discrete phase groups so that the liver's enzymatic profile contrasts dramatically between day and night. Unexpectedly, almost half of the cycling proteins lack a corresponding cycling transcript, as determined by quantitative PCR, microarray, or both and revealing for the first time the extent of posttranscriptional mechanisms as circadian control points. The circadian proteome includes rate-limiting factors in vital pathways, including urea formation and sugar metabolism. These findings provide a new perspective on the extensive contribution of circadian programming to hepatic physiology.

Circadian rhythms are ubiquitous in eukaryotes, and coordinate numerous aspects of behaviour, physiology and metabolism, from sleep/wake cycles in mammals to growth and photosynthesis in plants. This daily timekeeping is thought to be driven by transcriptional-translational feedback loops, whereby rhythmic expression of 'clock' gene products regulates the expression of associated genes in approximately 24-hour cycles. The specific transcriptional components differ between phylogenetic kingdoms. The unicellular pico-eukaryotic alga Ostreococcus tauri possesses a naturally minimized clock, which includes many features that are shared with plants, such as a central negative feedback loop that involves the morning-expressed CCA1 and evening-expressed TOC1 genes. Given that recent observations in animals and plants have revealed prominent post-translational contributions to timekeeping, a reappraisal of the transcriptional contribution to oscillator function is overdue. Here we show that non-transcriptional mechanisms are sufficient to sustain circadian timekeeping in the eukaryotic lineage, although they normally function in conjunction with transcriptional components. We identify oxidation of peroxiredoxin proteins as a transcription-independent rhythmic biomarker, which is also rhythmic in mammals. Moreover we show that pharmacological modulators of the mammalian clock mechanism have the same effects on rhythms in Ostreococcus. Post-translational mechanisms, and at least one rhythmic marker, seem to be better conserved than transcriptional clock regulators. It is plausible that the oldest oscillator components are non-transcriptional in nature, as in cyanobacteria, and are conserved across kingdoms.

Circadian timekeeping in mammals is driven by transcriptional/posttranslational feedback loops that are active within both peripheral tissues and the circadian pacemaker of the suprachiasmatic nuclei (SCN). Spontaneous synchronization of these molecular loops between SCN neurons is a primary requirement of its pacemaker role and distinguishes it from peripheral tissues, which require extrinsic, SCN-dependent cues to impose cellular synchrony. Vasoactive intestinal polypeptide (VIP) is an intrinsic SCN factor implicated in acute activation and electrical synchronization of SCN neurons and coordination of behavioral rhythms. Using real-time imaging of cellular circadian gene expression across entire SCN slice cultures, we show for the first time that the Vipr2 gene encoding the VPAC2 receptor for VIP is necessary both to maintain molecular timekeeping within individual SCN neurons and to synchronize molecular timekeeping between SCN neurons embedded within intact, organotypical circuits. Moreover, we demonstrate that both depolarization and a second SCN neuropeptide, gastrin-releasing peptide (GRP), can acutely enhance and synchronize molecular timekeeping in Vipr2-/- SCN neurons. Nevertheless, transiently activated and synchronized Vipr2-/- cells cannot sustain synchrony in the absence of VIP-ergic signaling. Hence, neuropeptidergic interneuronal signaling confers a canonical property upon the SCN: spontaneous synchronization of the intracellular molecular clockworks of individual neurons.

Importance

 Sleep disturbances are recognized as a common nonmotor complaint in Parkinson disease but their etiology is poorly understood. 

Objective

 To define the sleep and circadian phenotype of patients with early-stage Parkinson disease. 

Design, Setting, and Participants

 Initial assessment of sleep characteristics in a large population-representative incident Parkinson disease cohort (N=239) at the University of Cambridge, England, followed by further comprehensive case-control sleep assessments in a subgroup of these patients (n=30) and matched controls (n=15). 

Main Outcomes and Measures

 Sleep diagnoses and sleep architecture based on polysomnography studies, actigraphy assessment, and 24-hour analyses of serum cortisol, melatonin, and peripheral clock gene expression (Bmal1,Per2, andRev-Erbα). 

Results

 Subjective sleep complaints were present in almost half of newly diagnosed patients and correlated significantly with poorer quality of life. Patients with Parkinson disease exhibited increased sleep latency (P = .04), reduced sleep efficiency (P = .008), and reduced rapid eye movement sleep (P = .02). In addition, there was a sustained elevation of serum cortisol levels, reduced circulating melatonin levels, and alteredBmal1expression in patients with Parkinson disease compared with controls. 

Conclusions and Relevance

 Sleep dysfunction seen in early Parkinson disease may reflect a more fundamental pathology in the molecular clock underlying circadian rhythms.

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.

Abstract Optimal lung repair and regeneration is essential for recovery from viral infections such as that induced by influenza A virus (IAV). We have previously demonstrated that lung inflammation induced by IAV is under circadian control. However, it is not known if the circadian clock exerts its influence on lung repair and regenerative processes independent of acute inflammation from IAV. Here, we demonstrate for the first time that lung organoids have a functional clock as they mature and that the absence of an intact circadian clock impairs regenerative capacity. Using several models of circadian disruption, we show that with the absence of an intact clock lung proliferation is disrupted. Further, we find that the circadian clock acts through direct control of the Wnt/β-catenin pathway. We speculate, that adding the circadian dimension to the critical process of lung repair and regeneration will lead to novel therapies and improve outcomes. Finally, we use data from UK Biobank to demonstrate at the population level, the role of poor circadian rhythms in mediating negative outcomes following lung infection.

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.