During postnatal cardiac hypertrophy, cardiomyocytes undergo mitotic exit, relying on DNA replication-independent mechanisms of histone turnover to maintain chromatin organization and gene transcription. In other tissues, circadian oscillations in nucleosome occupancy influence clock-controlled gene expression, suggesting a role for the circadian clock in temporal control of histone turnover and coordinated cardiomyocyte gene expression. To elucidate roles for the master circadian transcription factor, Bmal1, in histone turnover, chromatin organization, and myocyte-specific gene expression and cell growth in the neonatal period. Bmal1 knockdown in neonatal rat ventricular myocytes (NRVM) decreased myocyte size, total cellular protein synthesis, and transcription of the fetal hypertrophic gene Nppb following treatment with serum or the α-adrenergic agonist phenylephrine (PE). Depletion of Bmal1 decreased expression of clock-controlled genes Per2 and Tcap, as well as Sik1, a Bmal1 target upregulated in adult versus embryonic hearts. Bmal1 knockdown impaired Per2 and Sik1 promoter accessibility as measured by MNase-qPCR and impaired histone turnover as measured by metabolic labeling of acid-soluble chromatin fractions. Sik1 knockdown in turn decreased myocyte size, while simultaneously inhibiting Nppb transcription and activating Per2 transcription. Linking these changes to chromatin remodeling, depletion of the replication-independent histone variant H3.3a inhibited myocyte hypertrophy and prevented PE-induced changes in clock-controlled gene transcription. Bmal1 is required for neonatal myocyte growth, replication-independent histone turnover, and chromatin organization at the Sik1 promoter. Sik1 represents a novel clock-controlled gene that coordinates myocyte growth with hypertrophic and clock-controlled gene transcription. Replication-independent histone turnover is required for transcriptional remodeling of clock-controlled genes in cardiac myocytes in response to growth stimuli.

Summary Tuning of genome structure and function is accomplished by chromatin binding proteins, which determine the transcriptome and phenotype of the cell. We sought to investigate how communication between extracellular stress and chromatin structure may regulate cellular mechanical behaviors. We demonstrate that the linker histone H1.0, which compacts nucleosomes into higher order chromatin fibers, controls genome organization and cellular stress response. Histone H1.0 has privileged expression in fibroblasts across tissue types in mice and humans, and modulation of its expression is necessary and sufficient to mount a myofibroblast phenotype in these cells. Depletion of histone H1.0 prevents transforming growth factor beta (TGF- β )-induced fibroblast contraction, proliferation and migration in a histone H1 isoform-specific manner via inhibition of a transcriptome comprised of extracellular matrix, cytoskeletal and contractile genes. Histone H1.0 is associated with local regulation of gene expression via mechanisms involving chromatin fiber compaction and reprogramming of histone acetylation, rendering the cell stiffer in response to cytokine stimulation. Knockdown of histone H1.0 prevented locus-specific histone H3 lysine 27 acetylation by TGF- β and decreased levels of both HDAC1 and the chromatin reader BRD4, thereby preventing transcription of a fibrotic gene program. Transient depletion of histone H1.0 in vivo decompacts chromatin and prevents fibrosis in cardiac muscle, thereby linking chromatin structure with fibroblast phenotype in response to extracellular stress. Our work identifies an unexpected role of linker histones to orchestrate cellular mechanical behaviors, directly coupling cellular force generation, nuclear organization and gene transcription. Graphical Abstract

Rationale: During postnatal cardiac hypertrophy, cardiomyocytes undergo mitotic exit, relying on DNA replication-independent mechanisms of histone turnover to maintain chromatin organization and gene transcription. In other tissues, circadian oscillations in nucleosome occupancy influence clock-controlled gene expression, suggesting an unrecognized role for the circadian clock in temporal control of histone turnover and coordinate cardiomyocyte gene expression. Objective: To elucidate roles for the master circadian transcription factor, Bmal1, in histone turnover, chromatin organization, and myocyte-specific gene expression and cell growth in the neonatal period. Methods and Results: Bmal1 knockdown in neonatal rat ventricular myocytes (NRVM) decreased myocyte size, total cellular protein, and transcription of the fetal hypertrophic gene Nppb following treatment with increasing serum concentrations or the α-adrenergic agonist phenylephrine (PE). Bmal1 knockdown decreased expression of clock-controlled genes Per2 and Tcap, and salt-inducible kinase 1 (Sik1) which was identified via gene ontology analysis of Bmal1 targets upregulated in adult versus embryonic hearts. Epigenomic analyses revealed co-localized chromatin accessibility and Bmal1 localization in the Sik1 promoter. Bmal1 knockdown impaired Per2 and Sik1 promoter accessibility as measured by MNase-qPCR and impaired histone turnover indicated by metabolic labeling of acid-soluble chromatin fractions and immunoblots of total and chromatin-associated core histones. Sik1 knockdown basally increased myocyte size, while simultaneously impairing and driving Nppb and Per2 transcription, respectively. Conclusions: Bmal1 is required for neonatal myocyte growth, replication-independent histone turnover, and chromatin organization at the Sik1 promoter. Sik1 represents a novel clock-controlled gene that coordinates myocyte growth with hypertrophic and clock-controlled gene transcription.