We determined that two mouse cryptochrome genes, mCry1 and mCry2, act in the negative limb of the clock feedback loop. In cell lines, mPER proteins (alone or in combination) have modest effects on their cellular location and ability to inhibit CLOCK:BMAL1 -mediated transcription. This suggested cryptochrome involvement in the negative limb of the feedback loop. Indeed, mCry1 and mCry2 RNA levels are reduced in the central and peripheral clocks of Clock/Clock mutant mice. mCRY1 and mCRY2 are nuclear proteins that interact with each of the mPER proteins, translocate each mPER protein from cytoplasm to nucleus, and are rhythmically expressed in the suprachiasmatic circadian clock. Luciferase reporter gene assays show that mCRY1 or mCRY2 alone abrogates CLOCK:BMAL1-E box-mediated transcription. The mPER and mCRY proteins appear to inhibit the transcriptional complex differentially.

We show that, in the mouse, the core mechanism for the master circadian clock consists of interacting positive and negative transcription and translation feedback loops. Analysis of Clock/Clock mutant mice, homozygous Period2(Brdm1) mutants, and Cryptochrome-deficient mice reveals substantially altered Bmal1 rhythms, consistent with a dominant role of PERIOD2 in the positive regulation of the Bmal1 loop. In vitro analysis of CRYPTOCHROME inhibition of CLOCK: BMAL1-mediated transcription shows that the inhibition is through direct protein:protein interactions, independent of the PERIOD and TIMELESS proteins. PERIOD2 is a positive regulator of the Bmal1 loop, and CRYPTOCHROMES are the negative regulators of the Period and Cryptochrome cycles.

Sleep and arousal are known to be regulated by both homeostatic and circadian processes, but the underlying molecular mechanisms are not well understood. It has been reported that the Drosophila rest/activity cycle has features in common with the mammalian sleep/wake cycle, and it is expected that use of the fly genetic model will facilitate a molecular understanding of sleep and arousal. Here, we report the phenotypic characterization of a Drosophila rest/activity mutant known as fumin ( fmn ). We show that fmn mutants have abnormally high levels of activity and reduced rest (sleep); genetic mapping, molecular analyses, and phenotypic rescue experiments demonstrate that these phenotypes result from mutation of the Drosophila dopamine transporter gene. Consistent with the rest phenotype, fmn mutants show enhanced sensitivity to mechanical stimuli and a prolonged arousal once active, indicating a decreased arousal threshold. Strikingly, fmn mutants do not show significant rebound in response to rest deprivation as is typical for wild-type flies, nor do they show decreased life span. These results provide direct evidence that dopaminergic signaling has a critical function in the regulation of insect arousal.

Mouse embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) are in a high-flux metabolic state, with a high dependence on threonine catabolism. However, little is known regarding amino acid metabolism in human ESCs/iPSCs. We show that human ESCs/iPSCs require high amounts of methionine (Met) and express high levels of enzymes involved in Met metabolism. Met deprivation results in a rapid decrease in intracellular S-adenosylmethionine (SAM), triggering the activation of p53-p38 signaling, reducing NANOG expression, and poising human iPSC/ESCs for differentiation, follow by potentiated differentiation into all three germ layers. However, when exposed to prolonged Met deprivation, the cells undergo apoptosis. We also show that human ESCs/iPSCs have regulatory systems to maintain constant intracellular Met and SAM levels. Our findings show that SAM is a key regulator for maintaining undifferentiated pluripotent stem cells and regulating their differentiation.

We describe a highly efficient alkali cation method and library transducing vectors for cloning mammalian cDNAs by trans-complementation of fission yeast Schizosaccharomyces pombe mutants. cDNA libraries constructed with the pcD or pcD2 vector are transduced into yeast by cotransfection with a linearized vector, which allows an enhanced homologous recombination between the yeast vector and the library plasmid leading to the efficient formation of concatemers containing pcD molecules. The transformation frequencies obtained by the method are 10(6) colonies per 10(8) cells transfected with 2 micrograms of library and 1 microgram of vector, 50-60% of which contain pcD molecules. The high-efficiency alkali cation method circumvents many of the shortcomings of the spheroplast method generally used for Schiz. pombe transfection. The vectors are maximized for the efficiency of library transduction and minimized for the rearrangements of pcD molecules during propagation in yeast. This system allows rapid screening of multi-million cDNA clone libraries for rare cDNAs in a routine scale of experiments. Using this system, various mammalian cDNAs that are extremely difficult, time-consuming, or unclonable to clone by other methods have been cloned.

The neuromodulatory function of dopamine (DA) is an inherent feature of nervous systems of all animals. To learn more about the function of neural DA in Drosophila, we generated mutant flies that lack tyrosine hydroxylase, and thus DA biosynthesis, selectively in the nervous system. We found that DA is absent or below detection limits in the adult brain of these flies. Despite this, they have a lifespan similar to WT flies. These mutants show reduced activity, extended sleep time, locomotor deficits that increase with age, and they are hypophagic. Whereas odor and electrical shock avoidance are not affected, aversive olfactory learning is abolished. Instead, DA-deficient flies have an apparently "masochistic" tendency to prefer the shock-associated odor 2 h after conditioning. Similarly, sugar preference is absent, whereas sugar stimulation of foreleg taste neurons induces normal proboscis extension. Feeding the DA precursor L-DOPA to adults substantially rescues the learning deficit as well as other impaired behaviors that were tested. DA-deficient flies are also defective in positive phototaxis, without alteration in visual perception and optomotor response. Surprisingly, visual tracking is largely maintained, and these mutants still possess an efficient spatial orientation memory. Our findings show that flies can perform complex brain functions in the absence of neural DA, whereas specific behaviors involving, in particular, arousal and choice require normal levels of this neuromodulator.

The coordination of growth with nutritional status is essential for proper development and physiology. Nutritional information is mostly perceived by peripheral organs before being relayed to the brain, which modulates physiological responses. Hormonal signaling ensures this organ-to-organ communication, and the failure of endocrine regulation in humans can cause diseases including obesity and diabetes. In Drosophila melanogaster, the fat body (adipose tissue) has been suggested to play an important role in coupling growth with nutritional status. Here, we show that the peripheral tissue-derived peptide hormone CCHamide-2 (CCHa2) acts as a nutrient-dependent regulator of Drosophila insulin-like peptides (Dilps). A BAC-based transgenic reporter revealed strong expression of CCHa2 receptor (CCHa2-R) in insulin-producing cells (IPCs) in the brain. Calcium imaging of brain explants and IPC-specific CCHa2-R knockdown demonstrated that peripheral-tissue derived CCHa2 directly activates IPCs. Interestingly, genetic disruption of either CCHa2 or CCHa2-R caused almost identical defects in larval growth and developmental timing. Consistent with these phenotypes, the expression of dilp5, and the release of both Dilp2 and Dilp5, were severely reduced. Furthermore, transcription of CCHa2 is altered in response to nutritional levels, particularly of glucose. These findings demonstrate that CCHa2 and CCHa2-R form a direct link between peripheral tissues and the brain, and that this pathway is essential for the coordination of systemic growth with nutritional availability. A mammalian homologue of CCHa2-R, Bombesin receptor subtype-3 (Brs3), is an orphan receptor that is expressed in the islet β-cells; however, the role of Brs3 in insulin regulation remains elusive. Our genetic approach in Drosophila melanogaster provides the first evidence, to our knowledge, that bombesin receptor signaling with its endogenous ligand promotes insulin production.