SUMMARY The COVID-19 pandemic, caused by SARS-CoV-2 coronavirus, is a global health issue with unprecedented challenges for public health. SARS-CoV-2 primarily infects cells of the respiratory tract, via Spike glycoprotein binding angiotensin-converting enzyme (ACE2). Circadian rhythms coordinate an organism’s response to its environment and can regulate host susceptibility to virus infection. We demonstrate a circadian regulation of ACE2 in lung epithelial cells and show that silencing BMAL1 or treatment with a synthetic REV-ERB agonist SR9009 reduces ACE2 expression and inhibits SARS-CoV-2 entry. Treating infected cells with SR9009 limits viral replication and secretion of infectious particles, showing that post-entry steps in the viral life cycle are influenced by the circadian system. Transcriptome analysis revealed that Bmal1 silencing induced a wide spectrum of interferon stimulated genes in Calu-3 lung epithelial cells, providing a mechanism for the circadian pathway to dampen SARS-CoV-2 infection. Our study suggests new approaches to understand and improve therapeutic targeting of SARS-CoV-2.

SUMMARY The sleep and circadian systems act in concert to regulate sleep-wake timing, yet the molecular mechanisms that underpin their interaction to induce sleep remain unknown. Synaptic protein phosphorylation, driven by the kinase SIK3, correlates with sleep pressure, however it is unclear whether these phosphoproteome changes are causally responsible for inducing sleep. Here we show that the light-dependent activity of SIK1 controls the phosphorylation of a subset of the brain phosphoproteome to induce sleep in a manner that is independent of sleep pressure. By uncoupling phosphorylation and sleep induction from sleep pressure, we establish that synaptic protein phosphorylation provides a causal mechanism for the induction of sleep under different environmental contexts. Furthermore, we propose a framework that details how the salt-inducible kinases regulate the synaptic phosphoproteome to integrate exogenous and endogenous stimuli, thereby providing the molecular basis upon which the sleep and circadian systems interact to control the sleep-wake cycle.

Abstract Sleep and wakefulness are not simple homogenous all-or-none states, but instead are characterized by rich dynamics of brain activity across many temporal and spatial scales. Rapid global state transitions between waking and sleeping are believed to be controlled by hypothalamic circuits, but the contribution of the hypothalamus to within-state changes of sleep and wake “intensity” remains largely unexplored. Here we show that stimulation of inhibitory neurons in the preoptic hypothalamus does not merely trigger awakening from sleep, but the resulting awake state is also characterized by increased cortical activity. This activation is associated with a faster build-up of sleep pressure, proportional to the arousal level. These findings show that hypothalamic systems thought to exclusively control global state switching, also regulate within-state “intensity”, which we propose as a key intrinsic variable in shaping the architecture of sleep/wake states across the 24h day.

Abstract Dystrophin is a sarcolemmal protein essential for muscle contraction and maintenance, absence of which leads to the devastating muscle wasting disease Duchenne muscular dystrophy (DMD)[1, 2]. Dystrophin has an actin-binding domain [3–5], which specifically binds and stabilises filamentous (F)-actin[6], an integral component of the RhoA-actin-serum response factor (SRF)-pathway[7]. The RhoA-actin-SRF-pathway plays an essential role in circadian signalling whereby the hypothalamic suprachiasmatic nucleus, transmits systemic cues to peripheral tissues, activating SRF and transcription of clock target genes[8, 9]. Given dystrophin binds F-actin and disturbed SRF-signalling disrupts clock entrainment, we hypothesised that dystrophin loss causes circadian deficits. Here we show for the first time alterations in the RhoA-actin-SRF-signalling-pathway, in both dystrophin-deficient myotubes and dystrophic mouse models. Specifically, we demonstrate reduced F/G-actin ratios and nuclear MRTF, dysregulation of core clock and downstream target-genes, and down-regulation of key circadian genes in muscle biopsies from DMD patients harbouring an array of mutations. Further, disrupted circadian locomotor behaviour was observed in dystrophic mice indicative of disrupted SCN signalling, and indeed dystrophin protein was absent in the SCN of dystrophic animals. Dystrophin is thus a critically important component of the RhoA-actin-SRF-pathway and a novel mediator of circadian signalling in peripheral tissues, loss of which leads to circadian dysregulation.

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.

Sleep deprivation (SD) negatively impacts nearly all brain functions including cognition, memory consolidation and metabolism. However, the gene regulatory networks that underlie these biological effects are not well understood. In order to identify these networks, we conducted a multiomic analysis to analyse how gene expression, chromatin accessibility, enhancer activity and DNA methylation change with acute SD in mice. By studying three brain regions involved in different aspects of sleep - the cortex (CTX), dentate gyrus (DG), and suprachiasmatic nucleus (SCN) - we found that the effects of SD on the multiome varied widely, impacting physiological processes specific to each area, from spine formation in the dentate gyrus to neuropeptide release in the SCN. Our integrated analysis showed that distinct brain region-specific networks of regulatory factors dynamically alter the epigenomic landscape in response to SD to orchestrate transcriptional responses. These findings provide new understanding of the regulatory grammar encoded within the genome, which enables a general physiological signal like SD to produce unique effects in a tissue-specific context.

Abstract Cooling patients to sub-physiological temperatures is an integral part of modern medicine. We show that cold exposure induces temperature-specific changes to the higher-order chromatin and gene expression profiles of human cells. These changes are particularly dramatic at 18°C, a temperature synonymous with that experienced by patients undergoing controlled deep-hypothermia during surgery. Cells exposed to 18°C exhibit largely nuclear-restricted transcriptome changes. These include the nuclear accumulation of core circadian clock suppressor gene transcripts, most notably REV-ERBα . This response is accompanied by compaction of higher-order chromatin and hindrance of mRNPs from engaging nuclear pores. Rewarming reverses chromatin compaction and releases the transcripts into the cytoplasm, triggering a pulse of suppressor gene proteins that resets the circadian clock. We show that cold-induced upregulation of REV-ERBα alone is sufficient to trigger this resetting. Our findings uncover principles of the cellular cold-response that must be considered for current and future applications involving therapeutic deep-hypothermia.

ABSTRACT Multiple studies have documented sex differences in sleep behaviour, however the molecular determinants of such differences remain unknown. Furthermore, most studies addressing molecular mechanisms have been performed only in males, leaving the current state of knowledge biased towards the male sex. To address this, we studied the differences in the transcriptome of the cerebral cortex of male and female C57Bl/6J mice after six hours of sleep deprivation. We found that several genes, including the neurotrophin growth factor Bdnf , immediate early genes Fosb and Fosl2 , and the adenylate cyclase Adcy7 are differentially upregulated in males compared to females. We identified the androgen-receptor activating transcription factor EZH2 as the upstream regulatory element specifying sex differences in the sleep deprivation transcriptome. We propose that the pathways downstream of these transcripts, which impact on cellular re-organisation, synaptic signalling and learning may underpin the differential response to sleep deprivation in the two sexes.