In mammals, circadian oscillators reside not only in the suprachiasmatic nucleus of the brain, which harbors the central pacemaker, but also in most peripheral tissues. Here, we show that the glucocorticoid hormone analog dexamethasone induces circadian gene expression in cultured rat-1 fibroblasts and transiently changes the phase of circadian gene expression in liver, kidney, and heart. However, dexamethasone does not affect cyclic gene expression in neurons of the suprachiasmatic nucleus. This enabled us to establish an apparent phase-shift response curve specifically for peripheral clocks in intact animals. In contrast to the central clock, circadian oscillators in peripheral tissues appear to remain responsive to phase resetting throughout the day.

Low-amplitude temperature oscillations can entrain the phase of circadian rhythms in several unicellular and multicellular organisms, including Neurospora and Drosophila. Because mammalian body temperature is subject to circadian variations of 1 degrees C-4 degrees C, we wished to determine whether these temperature cycles could serve as a Zeitgeber for circadian gene expression in peripheral cell types.In RAT1 fibroblasts cultured in vitro, circadian gene expression could be established by a square wave temperature rhythm with a (Delta)T of 4 degrees C (12 hr 37 degrees C/12 hr 33 degrees C). To examine whether natural body temperature rhythms can also affect circadian gene expression, we first measured core body temperature cycles in the peritoneal cavities of mice by radiotelemetry. We then reproduced these rhythms with high precision in the liquid medium of cultured fibroblasts for several days by means of a homemade computer-driven incubator. While these "in vivo" temperature rhythms were incapable of establishing circadian gene expression de novo, they could maintain previously induced rhythms for multiple days; by contrast, the rhythms of control cells kept at constant temperature rapidly dampened. Moreover, circadian oscillations of environmental temperature could reentrain circadian clocks in the livers of mice, probably via the changes they imposed upon both body temperature and feeding behavior. Interestingly, these changes in ambient temperature did not affect the phase of the central circadian pacemaker in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus.We postulate that both endogenous and environmental temperature cycles can participate in the synchronization of peripheral clocks in mammals.

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.

Mammalian circadian clocks restrict cell proliferation to defined time windows, but the mechanism and consequences of this interrelationship are not fully understood. Previously we identified the multifunctional nuclear protein NONO as a partner of circadian PERIOD (PER) proteins. Here we show that it also conveys circadian gating to the cell cycle, a connection surprisingly important for wound healing in mice. Specifically, although fibroblasts from NONO-deficient mice showed approximately normal circadian cycles, they displayed elevated cell doubling and lower cellular senescence. At a molecular level, NONO bound to the p16-Ink4A cell cycle checkpoint gene and potentiated its circadian activation in a PER protein-dependent fashion. Loss of either NONO or PER abolished this activation and circadian expression of p16-Ink4A and eliminated circadian cell cycle gating. In vivo, lack of NONO resulted in defective wound repair. Because wound healing defects were also seen in multiple circadian clock-deficient mouse lines, our results therefore suggest that coupling of the cell cycle to the circadian clock via NONO may be useful to segregate in temporal fashion cell proliferation from tissue organization.

Sleep-wake cycles at mouse synapses Analysis of the transcriptome, proteome, and phosphoproteome at synapses in the mouse brain during daily sleep-wake cycles reveals large dynamic changes (see the Perspective by Cirelli and Tononi). Noya et al. found that almost 70% of transcripts showed changes in abundance during daily circadian cycles. Transcripts and proteins associated with synaptic signaling accumulated before the active phase (dusk for these nocturnal animals), whereas messenger RNAs and protein associated with metabolism and translation accumulated before the resting phase. Brüning et al. found that half of the 2000 synaptic phosphoproteins quantified showed changes with daily activity-rest cycles. Sleep deprivation abolished nearly all (98%) of these phosphorylation cycles at synapses. Science , this issue p. eaav2642 , p. eaav3617 ; see also p. 189

Sleep-wake cycles at mouse synapses Analysis of the transcriptome, proteome, and phosphoproteome at synapses in the mouse brain during daily sleep-wake cycles reveals large dynamic changes (see the Perspective by Cirelli and Tononi). Noya et al. found that almost 70% of transcripts showed changes in abundance during daily circadian cycles. Transcripts and proteins associated with synaptic signaling accumulated before the active phase (dusk for these nocturnal animals), whereas messenger RNAs and protein associated with metabolism and translation accumulated before the resting phase. Brüning et al. found that half of the 2000 synaptic phosphoproteins quantified showed changes with daily activity-rest cycles. Sleep deprivation abolished nearly all (98%) of these phosphorylation cycles at synapses. Science , this issue p. eaav2642 , p. eaav3617 ; see also p. 189

Sleep debt accumulates during wakefulness, leading to increased slow wave activity (SWA) during sleep, an encephalographic marker for sleep need. The use-dependent demands of prior wakefulness increase sleep SWA locally. However, the circuitry and molecular identity of this "local sleep" remain unclear. Using pharmacology and optogenetic perturbations together with transcriptomics, we find that cortical brain-derived neurotrophic factor (BDNF) regulates SWA via the activation of tyrosine kinase B (TrkB) receptor and cAMP-response element-binding protein (CREB). We map BDNF/TrkB-induced sleep SWA to layer 5 (L5) pyramidal neurons of the cortex, independent of neuronal firing per se. Using mathematical modeling, we here propose a model of how BDNF's effects on synaptic strength can increase SWA in ways not achieved through increased firing alone. Proteomic analysis further reveals that TrkB activation enriches ubiquitin and proteasome subunits. Together, our study reveals that local SWA control is mediated by BDNF-TrkB-CREB signaling in L5 excitatory cortical neurons.

Background The core clinical feature of posttraumatic stress disorder (PTSD) is recurrent re-experiencing in form of intrusive memories. While a great number of biological processes are regulated by sleep and internal biological clocks, the effect of 24-hour biological cycles, named circadian rhythm, has not been investigated in the context of intrusive memories.Objective Here we examined effects of time of day on frequency and characteristics of intrusive re-experiencing.Methods Fifty trauma survivors reported intrusive memories for 7 consecutive days using ecological momentary assessment in their daily life. We investigated (i) time-of-day dependent effects on frequency and distribution of intrusive re-experiencing in the overall sample as well as in PTSD versus non-PTSD and (ii) time-of-day dependent effects on the memory characteristics intrusiveness, vividness, nowness and fear.Results Intrusive memories showed a curvilinear pattern that peaked at 2pm. Intrusive memories in the PTSD group showed a constant level of intrusive re-experiencing in the afternoon and evening, whereas a descending slope was present in the non-PTSD group. In PTSD, intrusive memories might thus be experienced in a more time-scattered fashion throughout the day, indicating chronodisruption. Intrusion characteristics did not follow this pattern.Conclusion Although preliminary and based on a small sample size, these findings contribute to a better understanding of the everyday occurrence and characteristics of intrusive memories, and point to the added value of examining time-dependent effects, which can directly inform prevention and intervention science.