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Shedding light on the temporal organisation of tissue physiology

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Universitat de Barcelona. Facultat de Farmàcia i Ciències de l'Alimentació

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[eng] 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.

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[spa] 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.

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Tesis Doctorals - Facultat - Farmàcia i Ciències de l'Alimentació

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Shedding light on the temporal organisation of tissue physiology