Shedding light on the temporal organisation of tissue physiology

Abstract

Circadian rhythms regulate tissue physiology throughout the day in response to environmental cues. The primary entraining cue for the mammalian circadian clock is light, which is perceived by the retina and transmitted to the suprachiasmatic nucleus (SCN) in the hypothalamus. The SCN establishes behavioural rhythms and coordinates neuronal and hormonal rhythmic signals to be sent to the different peripheral tissues, where the tissue-intrinsic circadian clockwork organises tissue physiology according to the time of the day.

The transcription factor BMAL1 is the master circadian regulator, which lies at the core of interdependent positive and negative feedback loops that establish cell-autonomous 24h rhythms of transcription and translation. Understanding the mechanisms of clock synchronisation is highly relevant, as alterations of clock function shorten the life span, cause ageing-related pathologies, and predispose to a number of diseases. However, it remains unclear whether communication between the different clocks is necessary when responding to environmental signals.

The main aim of this project was to understand whether the circadian clocks of different tissues respond independently to environmental signals or whether inter-tissue communication is required to achieve a synchronised rhythmic physiology. To test whether circadian functions are tissue-autonomous, or rather derive from systemic tissue communication, we developed a novel murine model: The Bmal1-stopFL mouse. This mouse model enables reconstitution of Bmal1 expression, from its endogenous locus, exclusively in Cre recombinase-expressing cells, thus enabling the circadian clock to be activated in specific tissue/cell types. Hence, we crossed Bmal1-stopFL mice with mice expressing Cre recombinase under the regulation of different promoters in a tissue specific manner, and by doing so, we obtained mice having Bmal1 expression reconstituted only in the epidermis (RE mice), only in the liver (Liver-RE mice), only in the SCN (SCN-RE mice), or in both the SCN and the epidermis (RERE mice).

By using these mice, we uncover that a tissue-specific functional clock suffices to maintain local rhythmicity of the core circadian machinery. Strikingly, the observed tissue-autonomous oscillations seemed to occur without any rhythmic feeding or drinking behaviour, metabolic cycles or daily locomotor activity rhythms. Importantly, we demonstrate that local epidermal oscillations are mediated by the sympathetic nervous system in response to light signalling. In addition, we find that tissue-specific BMAL1 suffices to sustain tissue homeostasis in otherwise arrhythmic and prematurely-ageing animals. Remarkably, we further reveal that communication between the SCN and the epidermal clock is sufficient for maintaining robust core clock rhythms, and for establishing a significant portion of the overall WT circadian transcriptional output.

Altogether, these results provide a better understanding of the mechanisms underlying circadian regulation of tissue functioning. In addition, our work allows distinguishing for the first time which parts of the daily functions of the epidermis (and other tissues) depend solely on its local clock, and which ones depend on the communication of the tissue with the SCN. The acquired knowledge can be used in the future to prevent the physiological consequences of clock desynchronisation that regularly occurs in our modern lifestyle.

Los ritmos circadianos regulan la fisiología de los tejidos a lo largo del día en respuesta a señales ambientales llamadas Zeitgebers, es decir "dadores de tiempo". El principal Zeitgeber que modula el reloj circadiano de los mamíferos es la luz que es percibida por la retina y transmitida al núcleo supraquiasmático (SCN) en el hipotálamo. El SCN establece ritmos de comportamiento (sueño, vigilia, hora de la comida, etc) y coordina señales rítmicas neuronales y hormonales que envía a los diferentes tejidos periféricos. El reloj circadiano intrínseco de cada tejido organiza su fisiología tisular según la hora del día que recibe del SCN.

El factor de transcripción BMAL1 es el principal regulador circadiano que impulsa las oscilaciones transcripcionales de varios genes controlados por el reloj para establecer un ritmo de 24h. Comprender los mecanismos de sincronización del reloj es muy relevante, ya que las alteraciones de la función del reloj acortan la vida, causan patologías relacionadas con el envejecimiento y predisponen a muchas enfermedades. Sin embargo, no está claro si la los diferentes relojes periféricos, además de comunicarse con el SCN en el cerebro, necesitan comunicarse entre sí para lograr una fisiología rítmica sincronizada.

El objetivo principal de este proyecto era comprender si los relojes circadianos de diferentes tejidos responden de manera independiente a las señales ambientales o si se requiere comunicación entre tejidos para lograr una fisiología rítmica sincronizada. Para probar esto, utilizamos un nuevo ratón generado en nuestro laboratorio: el ratón Bmal1-stopFL. Este ratón permite la expresión del gen del reloj central Bmal1 desde su locus endógeno exclusivamente en células que expresan la recombinasa Cre. Por lo tanto, cruzamos ratones Bmal1-stopFL con ratones que expresan recombinasa Cre bajo la regulación de diferentes promotores, y al hacerlo obtuvimos ratones con expresión de Bmal1 reconstituida solo en la epidermis (ratones RE), solo en el hígado (ratones Liver-RE), solo en el SCN (ratones SCN-RE), o tanto en el SCN como en la epidermis (ratones RERE).

Mediante el uso de estos ratones, descubrimos que BMAL1 específicamente en la epidermis o en el hígado es suficiente para mantener el ritmo local de la maquinaria de su reloj. Sorprendentemente, las oscilaciones de los tejidos impulsadas por la luz parecían ocurrir sin la necesidad de una alimentación rítmica, de ciclos metabólicos circadianos, o de una actividad locomotora rítmica. Es importante destacar que parte de las oscilaciones locales en los tejidos periféricos estaban mediadas por el sistema nervioso simpático en respuesta a las señales luminosas. Además, descubrimos que

la expresión de BMAL1 específica en la epidermis era suficiente para mantener la homeostasis tisular en animales que presentaban una arritmia general (es decir, en todos los demás tejidos del animal) y que por lo tanto presentan un envejecimiento prematuro. Además, nuestro trabajo nos ha permitido por primera vez entender qué parte de las funciones diarias de la piel (y de otros tejidos) dependen únicamente de su reloj local, y cuáles dependen de la comunicación del tejido con el SCN.

En conjunto, nuestros resultados abren el camino para empezar a comprender mejor los mecanismos subyacentes a la regulación circadiana del funcionamiento de los tejidos y las consecuencias fisiológicas derivadas de su desincronización. Estos datos nos están permitiendo identificar porqué la desincronización del reloj contribuye al envejecimiento y formas de posiblemente mantener su correcto funcionamiento en base a nuestro estilo de vida moderno.