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Jörg Morf
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Simulated body temperature rhythms reveal the phase-shifting behavior and plasticity of mammalian circadian oscillators

Camille Saini et al.Feb 29, 2012
The circadian pacemaker in the suprachiasmatic nuclei (SCN) of the hypothalamus maintains phase coherence in peripheral cells through metabolic, neuronal, and humoral signaling pathways. Here, we investigated the role of daily body temperature fluctuations as possible systemic cues in the resetting of peripheral oscillators. Using precise temperature devices in conjunction with real-time monitoring of the bioluminescence produced by circadian luciferase reporter genes, we showed that simulated body temperature cycles of mice and even humans, with daily temperature differences of only 3°C and 1°C, respectively, could gradually synchronize circadian gene expression in cultured fibroblasts. The time required for establishing the new steady-state phase depended on the reporter gene, but after a few days, the expression of each gene oscillated with a precise phase relative to that of the temperature cycles. Smooth temperature oscillations with a very small amplitude could synchronize fibroblast clocks over a wide temperature range, and such temperature rhythms were also capable of entraining gene expression cycles to periods significantly longer or shorter than 24 h. As revealed by genetic loss-of-function experiments, heat-shock factor 1 (HSF1), but not HSF2, was required for the efficient synchronization of fibroblast oscillators to simulated body temperature cycles.
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Macromolecular condensation buffers intracellular water potential

J. Watson et al.Oct 18, 2023
Abstract Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions 1 . Reciprocally, macromolecules restrict the movement of ‘structured’ water molecules within their hydration layers, reducing the available ‘free’ bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales 2,3 ; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.
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The global and promoter-centric 3D genome organization temporally resolved during a circadian cycle

Masami Ando‐Kuri et al.Jul 24, 2020
Summary Circadian gene expression is essential for organisms to adjust cellular responses and anticipate daily changes in the environment. In addition to its physiological importance, the clock circuit represents an ideal, temporally resolved, system to study transcription regulation. Here, we analysed changes in spatial mouse liver chromatin conformation using genome-wide and promoter-capture Hi-C alongside daily oscillations in gene transcription in mouse liver. We found circadian topologically associated domains switched assignments to the transcriptionally active, open chromatin compartment and the inactive compartment at different hours of the day while their boundaries stably maintain their structure over time. Individual circadian gene promoters displayed maximal chromatin contacts at times of peak transcriptional output and the expression of circadian genes and contacted transcribed regulatory elements, or other circadian genes, was phase-coherent. Anchor sites of promoter chromatin loops were enriched in binding sites for liver nuclear receptors and transcription factors, some exclusively present in either rhythmic or stable contacts. The circadian 3D chromatin maps provided here identify the scales of chromatin conformation that parallel oscillatory gene expression and protein factors specifically associated with circadian or stable chromatin configurations.
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