Project

Discipline

circadian clocks; gene expression regulation; liver; RNA biology; iron metabolism; in vivo recording of gene expression; ribosome profiling; iron response element; translation

Lead
Zirkadiane Uhren spielen im Menschen und in anderen Säugetieren eine wichtige Rolle bei der tageszeitabhängigen Regulierung einer Vielzahl molekularer und physiologischer Prozesse. Grundlage dieser Rhythmen sind tägliche Genexpressionszyklen, welche verhältnismässig gut auf der Ebene der Transkription - d.h. dem Ablesen der Gene auf der DNA und der Herstellung der Boten-RNA (messenger RNA, mRNA) - verstanden sind (siehe Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2017). In den letzten Jahren haben verschiedene Arbeitsgruppen - inklusive meine Mitarbeiter und ich an der Universität Lausanne - die Beobachtung gemacht, dass auch der Ebene der Translation (d.h. der Biosynthese von Proteinen durch Ribosomen anhand der mRNA) eine wichtige Rolle bei der rhythmischen Genexpression zukommt. Im vorliegenden Projekt werden wir einige paradigmatische Beispiele tageszeitabhängiger Translation experimentell analysieren, insbesondere eine Klasse von Genen, welche wichtig für den Eisenmetabolismus sind.
Lay summary
Die meisten Lebewesen nutzen endogene molekulare Oszillatoren – sogenannte zirkadiane Uhren – um Genexpression, Metabolismus und zahlreiche physiologische Funktionen zu koordinieren und auf den Tag-Nacht-Rhythmus anzupassen. In Säugetieren unterliegen ungefähr 10% des Transkriptoms und des Proteoms einer rhythmischen Kontrolle. Die geläufigsten molekularen Modelle erklären die Entstehung von Oszillationen über die tageszeitabhängige Aktivität von Transkriptionsfaktoren, die zu einer rhythmischen Synthese von mRNAs führt, welche sich ihrerseits über die ribosomale Proteinbiosynthese in zyklischen Proteinprofilen niederschlägt. Interessanterweise haben mehrere Forschungsarbeiten in den vergangenen Jahren, inklusiver unsere eigenen, gezeigt, dass die Oszillationsdynamik vieler Proteine gar nicht auf rhythmische mRNAs angewiesen ist, sondern direkt auf der Ebene der Translation entsteht. Im vorliegende Projekt werden wir am Beispiel einiger besonders frappierender Fälle rhythmischer Translation die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen experimentell Untersuchen. Der anschaulichste Fall sind eine Klasse von Transkripten, welche für Proteine des Eisenstoffwechels kodieren. In Mäuselebern sind die Mengen dieser Transkripte konstant, jedoch assoziieren sie nur zu spezifischen Tageszeiten mit Ribosomen und führen daher zu oszillierender Proteinbiosynthese. Wir werden untersuchen, was diese Rhythmen erzeugt. Sind sie eine Reaktion auf täglich fluktuierende physiologische Eisenkonzentrationen? Welche Rolle spielt die interne zirkadiane Uhr, und wie wird der Rhythmus doch tägliche Rhythmen von Nahrungsaufnahme beeinflusst? Es handelt sich bei diesem Projekt um Grundlagenforschung. Aufgrund der Ähnlichkeit zwischen Maus und Mensch und der Bedeutung des zirkadianen Systems für zahlreiche Krankheiten (u.a. Diabetes, Fettleibigkeit, Depression) und andere „Zivilisationserrungenschaften“ (u.a. Jet lag, Schichtarbeit), ist eine medizinische Verwendung der gewonnen Erkenntnisse langfristig zu erwarten. Das Beispiel des Eisenmetabolismus ist hierbei besonders interessant – sogenannte Eisenspeicherkrankheiten könnten durch ein besseres Verständnis der bislang unverstandenen rhythmischen Dimension durchaus neue Therapiemöglichkeiten erfahren.

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Last update: 04.06.2018

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Previous work, including from my lab, has demonstrated that in organs such as the liver, a significant proportion of gene expression rhythms is engendered post-transcriptionally, rather than by the better known, transcriptionally driven mechanisms. However, the precise molecular underpinnings and physiological pathways that drive such post-transcriptional oscillations are poorly understood. Here, I propose a project that will provide mechanistic insights into how protein biosynthesis (translation) is regulated in a rhythmic fashion. We shall identify the implicated upstream physiological signals, the mRNA sequence elements, and trans-acting players. Of note, such an understanding is important to delineate the molecular basis of the numerous functions that gene/protein expression oscillations have in the organism, namely to temporally organize metabolism, physiology and behaviour over the course of the day - functions that are typically attributed to the activity of an internal (circadian) clock.We have recently mapped the mouse liver translatome, i.e. the actively translated mRNAs, transcriptome-wide and around-the-clock using the technique ribosome profiling. We identified almost 150 genes whose transcript abundances were invariable across the day, but that showed robust daily rhythms in translation and (as demonstrated for several paradigmatic cases) in protein levels. Based on our genome-wide approaches we have now formulated several hypotheses and questions regarding the underlying molecular mechanisms, such as: To what extent do the identified cases of translational rhythms require functional circadian clocks in the organism and/or in the organ? Are they driven by other cues, for example systemic signals related to feeding/fasting cycles? Precisely which rhythmic signals, metabolites, molecular protein players, and RNA sequence elements are involved, and do they offer possibilities to manipulate rhythmicity in vivo? In our project, we will showcase one specific paradigm, i.e. the group of iron response element (IRE)-containing transcripts. IREs are textbook examples for translation regulatory RNA elements with clinical relevance (iron storage diseases), whose rhythmic activity had gone unnoticed prior to our study. Moreover, we are interested in a small number of other rhythmically translated genes for which very little is known in terms of function and mechanism. To achieve our aims, we plan to use innovative in vivo recording technology in mice, together with biochemical methods.Beyond investigating important questions in chronobiology, it is the ambition of our project to use the circadian system as a paradigm for naturally occurring differential gene expression and, in the broadest sense, of how genetically wired gene expression information (the local circadian clock) and external cues (e.g. feeding, metabolites) are integrated at the translational level to give rise to the final, physiologically relevant protein biosynthetic output. We thus hope to uncover fundamental principles of translational regulation and its dynamics that are of interest to the wider gene expression and physiology communities.