Diurnal oscillations of gene expression are a hallmark of rhythmic physiology across most living organisms. Such oscillations are controlled by the interplay between the circadian clock and feeding rhythms. Although rhythmic mRNA accumulation has been extensively studied, comparatively less is known about their transcription and translation. Here, we quantified simultaneously temporal transcription, accumulation, and translation of mouse liver mRNAs under physiological light-dark conditions and ad libitum or night-restricted feeding in WT and brain and muscle Arnt-like 1 (Bmal1)-deficient animals. We found that rhythmic transcription predominantly drives rhythmic mRNA accumulation and translation for a majority of genes. Comparison of wild-type and Bmal1 KO mice shows that circadian clock and feeding rhythms have broad impact on rhythmic gene expression, Bmal1 deletion affecting surprisingly both transcriptional and posttranscriptional levels. Translation efficiency is differentially regulated during the diurnal cycle for genes with 5'-Terminal Oligo Pyrimidine tract (5'-TOP) sequences and for genes involved in mitochondrial activity, many harboring a Translation Initiator of Short 5'-UTR (TISU) motif. The increased translation efficiency of 5'-TOP and TISU genes is mainly driven by feeding rhythms but Bmal1 deletion also affects amplitude and phase of translation, including TISU genes. Together this study emphasizes the complex interconnections between circadian and feeding rhythms at several steps ultimately determining rhythmic gene expression and translation.

The causes of impaired skeletal muscle mass and strength during aging are well-studied in healthy populations. Less is known on pathological age-related muscle wasting and weakness termed sarcopenia, which directly impacts physical autonomy and survival. Here, we compare genome-wide transcriptional changes of sarcopenia versus age-matched controls in muscle biopsies from 119 older men from Singapore, Hertfordshire UK and Jamaica. Individuals with sarcopenia reproducibly demonstrate a prominent transcriptional signature of mitochondrial bioenergetic dysfunction in skeletal muscle, with low PGC-1α/ERRα signalling, and downregulation of oxidative phosphorylation and mitochondrial proteostasis genes. These changes translate functionally into fewer mitochondria, reduced mitochondrial respiratory complex expression and activity, and low NAD+ levels through perturbed NAD+ biosynthesis and salvage in sarcopenic muscle. We provide an integrated molecular profile of human sarcopenia across ethnicities, demonstrating a fundamental role of altered mitochondrial metabolism in the pathological loss of skeletal muscle mass and function in older people.

Although adverse early life experiences have been found to increase lifetime risk to develop violent behaviors, the neurobiological mechanisms underlying these long-term effects remain unclear. We present a novel animal model for pathological aggression induced by peripubertal exposure to stress with face, construct and predictive validity. We show that male rats submitted to fear-induction experiences during the peripubertal period exhibit high and sustained rates of increased aggression at adulthood, even against unthreatening individuals, and increased testosterone/corticosterone ratio. They also exhibit hyperactivity in the amygdala under both basal conditions (evaluated by 2-deoxy-glucose autoradiography) and after a resident–intruder (RI) test (evaluated by c-Fos immunohistochemistry), and hypoactivation of the medial orbitofrontal (MO) cortex after the social challenge. Alterations in the connectivity between the orbitofrontal cortex and the amygdala were linked to the aggressive phenotype. Increased and sustained expression levels of the monoamine oxidase A (MAOA) gene were found in the prefrontal cortex but not in the amygdala of peripubertally stressed animals. They were accompanied by increased activatory acetylation of histone H3, but not H4, at the promoter of the MAOA gene. Treatment with an MAOA inhibitor during adulthood reversed the peripuberty stress-induced antisocial behaviors. Beyond the characterization and validation of the model, we present novel data highlighting changes in the serotonergic system in the prefrontal cortex—and pointing at epigenetic control of the MAOA gene—in the establishment of the link between peripubertal stress and later pathological aggression. Our data emphasize the impact of biological factors triggered by peripubertal adverse experiences on the emergence of violent behaviors.

The cell cycle-regulated DNA methyltransferase CcrM is conserved in most Alphaproteobacteria, but its role in bacteria with complex or multicentric genomes remains unexplored. Here, we compare the methylome, the transcriptome and the phenotypes of wild-type and CcrM-depleted Agrobacterium tumefaciens cells with a dicentric chromosome with two essential replication origins. We find that DNA methylation has a pleiotropic impact on motility, biofilm formation and viability. Remarkably, CcrM promotes the expression of the repABCCh2 operon, encoding proteins required for replication initiation/partitioning at ori2, and represses gcrA, encoding a conserved global cell cycle regulator. Imaging ori1 and ori2 in live cells, we show that replication from ori2 is often delayed in cells with a hypo-methylated genome, while ori2 over-initiates in cells with a hyper-methylated genome. Further analyses show that GcrA promotes the expression of the RepCCh2 initiator, most likely through the repression of a RepECh2 anti-sense RNA. Altogether, we propose that replication at ori1 leads to a transient hemi-methylation and activation of the gcrA promoter, allowing repCCh2 activation by GcrA and contributing to initiation at ori2. This study then uncovers a novel and original connection between CcrM-dependent DNA methylation, a conserved epigenetic regulator and genome maintenance in an Alphaproteobacterial pathogen.

Protein translation depends on mRNA-specific initiation, elongation and termination rates. While ribosome elongation is well studied in bacteria and yeast, less is known in higher eukaryotes. Here, we combined ribosome and tRNA profiling to investigate the relations between ribosome elongation rates, (aminoacyl-) tRNA levels, and codon usage in mammals. We modeled codon-specific ribosome dwell times and translation efficiencies from ribosome profiling, considering codon-pair interactions between ribosome sites. In mouse liver, the model revealed site and codon specific dwell times, as well as codon-pair inter-actions clustering by amino acids. While translation efficiencies varied significantly across diurnal time and feeding regimen, codon dwell times were highly stable and conserved in human. Profiling of tRNA levels correlated with codon usage and several tRNAs were lowly aminoacylated, which was conserved in fasted mice. Finally, codons with lowly aminoacylated tRNAs and high codon usage relative to tRNA abundance exhibited long dwell times. Together, these analyses started to reveal complex dependencies between ribosome dwell times, tRNA loading, and codon usage in mammals.

Temporal control of physiology requires the interplay between gene networks involved in daily timekeeping and tissue function across different organs. How the circadian clock interweaves with tissue-specific transcriptional programs is poorly understood. Here we dissected temporal and tissue-specific regulation at multiple gene regulatory layers by examining mouse tissues with an intact or disrupted clock over time. Integrated analysis uncovered two distinct regulatory modes underlying tissue-specific rhythms: tissue-specific oscillations in transcription factor (TF) activity, which were linked to feeding-fasting cycles in liver and sodium homeostasis in kidney; and co-localized binding of clock and tissue-specific transcription factors at distal enhancers. Chromosome conformation capture (4C-Seq) in liver and kidney identified liver-specific chromatin loops that recruited clock-bound enhancers to promoters to regulate liver-specific transcriptional rhythms. Furthermore, this looping was remarkably promoter-specific on the scale of less than ten kilobases. Enhancers can contact a rhythmic promoter while looping out nearby nonrhythmic alternative promoters, confining rhythmic enhancer activity to specific promoters. These findings suggest that chromatin folding enables the clock to regulate rhythmic transcription of specific promoters to output temporal transcriptional programs tailored to different tissues.