Circadian rhythms regulate animal physiology and behaviour according to the solar day. The molecular clock, which shares a similar architecture in most cell types throughout the mammalian body, is driven by a network of negative transcriptional feedback loops that further drive the rhythmic expression of many output genes. In the core loop the heterodimer BMAL1:CLOCK activates the transcription of the Per and Cry genes which subsequently inhibit the expression of Bmal1 and Clock, closing the loop. While the majority of the regulatory steps take place at transcriptional and post-translational levels, emerging literature suggests that several post-transcriptional modifications also regulate the rhythmicity of the clock.
A post-transcriptional mechanism of great importance is the nonsense-mediated mRNA decay (NMD) pathway, which facilitates quality and quantity control in gene expression via mRNA degradation. A handful of studies in non-mammalian model organisms have identified possible links between NMD and the clock, however, there is no existing evidence linking the two processes in mammalian organisms. We designed a new mouse model that inactivates NMD based on the pathway’s endonuclease SMG6, and we further performed in vivo and in vitro circadian assays on the peripheral clocks of the liver and of fibroblasts, as well as the master clock in the brain’s suprachiasmatic nucleus (SCN).
A period lengthening was observed in NMD-deficient peripheral tissues. Transcriptome- wide analyses of liver tissue gene expression around-the-clock revealed increased transcript stability of the core clock gene Cry2 during the dark phase, accompanied by delayed high protein levels of CRY2 at the end of the dark phase. We propose a revised model of the core clock in which circadian period length is partly regulated by the NMD- targeting of the 3’ UTR of Cry2.
Overall, my work uncovered new, previously unidentified, NMD substrates unravelling the pathway’s important physiological role in circadian timekeeping. In addition to these advances related to mammalian physiology and chronobiology, we anticipate that our new mouse model could be transposed to the study of the potential links between the NMD pathway and various human pathologies, such as cancer and neurological disorders and in designing novel therapeutic approaches.
--
Les rythmes circadiens régulent la physiologie et le comportement des animaux en fonction du jour solaire. L’horloge moléculaire, qui partage une architecture similaire dans la plupart des cellules de mammifères, est pilotée par un réseau de boucles de rétroaction transcriptionnelles négatives qui stimulent l’expression rythmique de nombreux gènes. Dans la boucle centrale, l’hétérodimère BMAL1:CLOCK active la transcription des gènes Per et Cry qui inhibent ensuite l’expression de Bmal1 et Clock, fermant la boucle. Alors que la majorité des étapes de régulation a lieu aux niveaux transcriptionnel et post-traductionnel, la littérature émergente suggère que plusieurs modifications post-transcriptionnelles régulent également la rythmicité de l’horloge.
Un mécanisme post-transcriptionnel important est la voie du nonsense-mediated mRNA decay (NMD). Il assure la surveillance de la qualité et de la quantité de certains ARNm au cours de l’expression des gènes. Certaines études menées sur des organismes modèles non-mammifères ont identifié de possibles liens entre le NMD et l’horloge interne. Néanmoins, il n’existe actuellement aucune preuve permettant de relier ces deux processus entre eux chez les mammifères. Nous avons donc conçu un nouveau modèle murin pour lequel SMG6, l’endonucléase centrale du NMD, est inactivable puis avons étudié, in vivo et in vitro, les horloges périphériques du foie et des fibroblastes, ainsi que l’horloge maitresse du noyau suprachiasmatique présent dans le cerveau (SCN).
Un allongement de la période a été observé dans les tissus périphériques déficients en NMD. Des analyses transcriptomiques de l’expression génique du tissu hépatique sur 24h ont révélé une stabilité accrue des transcrits Cry2 pendant la phase d’obscurité. En plus de cet effet, l’inactivation de SMG6 était accompagnée d’une quantité élevée de protéine CRY2 présentant un retard temporel important à la fin de cette phase. Basé sur nos résultats, nous proposons un nouveau modèle adapté de l’horloge centrale selon lequel la
durée de la période circadienne serait en partie régulée par le ciblage du 3’ UTR de CRY2 par le NMD.
Ainsi, mon travail a permis d’identifier de nouveaux substrats du NMD, renforçant ainsi l’importance physiologique de cette voie chez les mammifères. Enfin, en plus de ces avancées liées au rythme circadien, nous anticipons que notre nouveau modèle murin pourrait être transposée à d’autres étude s’intéressant notamment à l’importance du rôle du NMD dans le cadre de diverses pathologies humaines telles que le cancer et les maladies neurologiques.