Cell division in many mammalian tissues is associated with specific times of day, but just how the circadian clock controls this timing has not been clear. Here, we show in the regenerating liver (of mice) that the circadian clock controls the expression of cell cycle–related genes that in turn modulate the expression of active Cyclin B1-Cdc2 kinase, a key regulator of mitosis. Among these genes, expression of wee1 was directly regulated by the molecular components of the circadian clockwork. In contrast, the circadian clockwork oscillated independently of the cell cycle in single cells. Thus, the intracellular circadian clockwork can control the cell-division cycle directly and unidirectionally in proliferating cells.

IL-18 is a cytokine that is secreted from activated macrophages and induces IFNγ production. To investigate the in vivo role of IL-18, we generated IL-18–deficient mice. In Propionibacterium acnes (P. acnes)–primed IL-18–deficient mice, LPS-induced IFNγ production was markedly reduced, despite normal IL-12 induction. Natural killer cell activity was significantly impaired. Th1 cell response after injection of P. acnes or Mycobacterium bovis (bacillus Calmette-Guérin [BCG]) was significantly reduced. Similar results were observed in IL-12–deficient mice. Interestingly, Th1 response was induced after BCG infection in IL-12–deficient mice. We therefore generated mice lacking both IL-18 and IL-12. In these mice, NK activity and Th1 response were further impaired. This demonstrates the important role of both IL-18 and IL-12 in NK activity, as well as in in vivo Th1 response.

Individual cellular clocks in the suprachiasmatic nucleus (SCN), the circadian center, are integrated into a stable and robust pacemaker with a period length of about 24 hours. We used real-time analysis of gene expression to show synchronized rhythms of clock gene transcription across hundreds of neurons within the mammalian SCN in organotypic slice culture. Differentially phased neuronal clocks are topographically arranged across the SCN. A protein synthesis inhibitor set all cell clocks to the same initial phase and, after withdrawal, intrinsic interactions among cell clocks reestablished the stable program of gene expression across the assemblage. Na + -dependent action potentials contributed to establishing cellular synchrony and maintaining spontaneous oscillation across the SCN.

Abstract

 To understand how light might entrain a mammalian circadian clock, we examined the effects of light on mPer1, a sequence homolog of Drosophila per, that exhibits robust rhythmic expression in the SCN. mPer1 is rapidly induced by short duration exposure to light at levels sufficient to reset the clock, and dose–response curves reveal that mPer1 induction shows both reciprocity and a strong correlation with phase shifting of the overt rhythm. Thus, in both the phasing of dark expression and the response to light mPer1 is most similar to the Neurospora clock gene frq. Within the SCN there appears to be localization of the induction phenomenon, consistent with the localization of both light-sensitive and light-insensitive oscillators in this circadian center.

The eukaryotic biological clock involves a negative transcription-translation feedback loop in which clock genes regulate their own transcription and that of output genes of metabolic significance. While around 10% of the liver transcriptome is rhythmic, only about a fifth is driven by de novo transcription, indicating mRNA processing is a major circadian component. Here, we report that inhibition of transmethylation reactions elongates the circadian period. RNA sequencing then reveals methylation inhibition causes widespread changes in the transcription of the RNA processing machinery, associated with m6A-RNA methylation. We identify m6A sites on many clock gene transcripts and show that specific inhibition of m6A methylation by silencing of the m6A methylase Mettl3 is sufficient to elicit circadian period elongation and RNA processing delay. Analysis of the circadian nucleocytoplasmic distribution of clock genes Per2 and Arntl then revealed an uncoupling between steady-state pre-mRNA and cytoplasmic mRNA rhythms when m6A methylation is inhibited.

microRNAs (miRNAs) are a class of small, noncoding RNAs that regulate the stability or translation of mRNA transcripts. Although recent work has implicated miRNAs in development and in disease, the expression and function of miRNAs in the adult mammalian nervous system have not been extensively characterized. Here, we examine the role of two brain-specific miRNAs, miR-219 and miR-132, in modulating the circadian clock located in the suprachiasmatic nucleus. miR-219 is a target of the CLOCK and BMAL1 complex, exhibits robust circadian rhythms of expression, and the in vivo knockdown of miR-219 lengthens the circadian period. miR-132 is induced by photic entrainment cues via a MAPK/CREB-dependent mechanism, modulates clock-gene expression, and attenuates the entraining effects of light. Collectively, these data reveal miRNAs as clock- and light-regulated genes and provide a mechanistic examination of their roles as effectors of pacemaker activity and entrainment.

Summary

 Light is a powerful synchronizer of the circadian rhythms, and bright light therapy is known to improve metabolic and hormonal status of circadian rhythm sleep disorders, although its mechanism is poorly understood. In the present study, we revealed that light induces gene expression in the adrenal gland via the suprachiasmatic nucleus (SCN)-sympathetic nervous system. Moreover, this gene expression accompanies the surge of plasma and brain corticosterone levels without accompanying activation of the hypothalamo-adenohypophysial axis. The abolishment after SCN lesioning, and the day-night difference of light-induced adrenal gene expression and corticosterone release, clearly indicate that this phenomenon is closely linked to the circadian clock. The magnitude of corticostereone response is dose dependently correlated with the light intensity. The light-induced clock-dependent secretion of glucocorticoids adjusts cellular metabolisms to the new light-on environment.

In mammals, the central circadian pacemaker resides in the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN), but circadian oscillators also exist in peripheral tissues. Here, using wild-type and cryptochrome ( mCry )–deficient cell lines derived from mCry mutant mice, we show that the peripheral oscillator in cultured fibroblasts is identical to the oscillator in the SCN in (i) temporal expression profiles of all known clock genes, (ii) the phase of the various mRNA rhythms (i.e., antiphase oscillation of Bmal1 and mPer genes), (iii) the delay between maximum mRNA levels and appearance of nuclear mPER1 and mPER2 protein, (iv) the inability to produce oscillations in the absence of functional mCry genes, and (v) the control of period length by mCRY proteins.

Circadian timekeeping in mammals is driven by transcriptional/posttranslational feedback loops that are active within both peripheral tissues and the circadian pacemaker of the suprachiasmatic nuclei (SCN). Spontaneous synchronization of these molecular loops between SCN neurons is a primary requirement of its pacemaker role and distinguishes it from peripheral tissues, which require extrinsic, SCN-dependent cues to impose cellular synchrony. Vasoactive intestinal polypeptide (VIP) is an intrinsic SCN factor implicated in acute activation and electrical synchronization of SCN neurons and coordination of behavioral rhythms. Using real-time imaging of cellular circadian gene expression across entire SCN slice cultures, we show for the first time that the Vipr2 gene encoding the VPAC2 receptor for VIP is necessary both to maintain molecular timekeeping within individual SCN neurons and to synchronize molecular timekeeping between SCN neurons embedded within intact, organotypical circuits. Moreover, we demonstrate that both depolarization and a second SCN neuropeptide, gastrin-releasing peptide (GRP), can acutely enhance and synchronize molecular timekeeping in Vipr2-/- SCN neurons. Nevertheless, transiently activated and synchronized Vipr2-/- cells cannot sustain synchrony in the absence of VIP-ergic signaling. Hence, neuropeptidergic interneuronal signaling confers a canonical property upon the SCN: spontaneous synchronization of the intracellular molecular clockworks of individual neurons.