Störungen der zirkadianen Uhr beeinflussen zelluläre Prozesse wie Transkription, Zellzyklus und Stoffwechsel und können Tumorentstehung fördern. Unsere Studien untersuchten die Auswirkungen solcher Störungen auf die Krebsentwicklung durch Herunterregulation oder Ausschalten von Kern-Uhrgenen wie BMAL1 (ARNTL), PER2 oder NR1D1. Wir verwendeten in vitro- und in vivo-Modellen mit Darmkrebszelllinien HCT116, SW480 und SW620. Diese Manipulationen veränderten die zirkadiane Expression von MYC, WEE1 und TP53 (wichtig für Zellzyklus und Apoptose) sowie MACC1 (verbunden mit epithelial-mesenchymaler Transition und Metastasierung). Diese Veränderungen beeinflussen Zellproliferation, Apoptose, Migration und Invasion. Das Ausschalten von NR1D1 verringerte die Zellbeweglichkeit in vitro und reduzierte die Mikrometastasenbildung in vivo, begleitet von geänderten SNAI1 und CD44-Expressionen. MACC1 wird in HCT116-Wildtypzellen zirkadian exprimiert, was nach dem Ausschalten der Kern-Uhrgene gestört war. Wir identifizierten außerdem eine MACC1-NR1D1-Protein-Interaktion, die eine neue Regulierungsachse bei der Darmkrebsprogression darstellt. Unsere Daten zeigen, dass MACC1-Modulation den zirkadianen Phänotyp und Krebsfortschritt beeinflusst. MACC1-Knockout reduzierte die BMAL1-Oszillationsperiode, während seine Überexpression den gegenteiligen Effekt hatte. Dieses Zusammenspiel unterstreicht die Komplexität der Mechanismen bei Darmkrebs und die Rolle der zirkadianen Uhr bei der Metastasierung. Unsere Ergebnisse heben die Rolle von Kern-Uhrgenen bei Krebsprozessen wie Migration und Invasion hervor und bieten Einblicke in das MACC1-zirkadiane Uhr-Zusammenspiel in Darmkrebs. Zukünftige Forschungen könnten chronotherapeutische Strategien entwickeln, um Krebsbehandlungen zu personalisieren und zu verbessern. / Disruptions of the circadian clock affect cellular processes like transcription, cell cycle, and metabolism, potentially triggering tumorigenesis. Our studies examined the effects of these disruptions on cancer by downregulating or knocking out core-clock genes BMAL1 (ARNTL), PER2, or NR1D1. For this, we used in vitro and in vivo models with colorectal cancer (CRC) cell lines HCT116, SW480, and SW620. Core-clock gene manipulations altered circadian expression of MYC, WEE1, TP53 (involved in cell cycle and apoptosis), and MACC1 (linked to epithelial-mesenchymal transition and metastasis formation), affecting proliferation, apoptosis, migration, and invasion. NR1D1 knockdown reduced cell motility in vitro and decreased micrometastasis formation in vivo, with altered SNAI1 and CD44 expression. Furthermore, we showed that MACC1 is circadian expressed in HCT116 wild-type cells, and that its rhythmic expression is disrupted after core-clock gene knockout. We also found MACC1-NR1D1 protein-protien interactions, suggesting a new regulatory axis in CRC progression. Our data show MACC1 modulation impacts the circadian clock phenotype and cancer progression. Remarkably, MACC1 knockout reduced BMAL1 promoter oscillation period, while its overexpression had the opposite effect. This interplay highlights the circadian clock complexity and its role in CRC metastasis. Our findings underscore vital roles for core-clock genes in cancer processes like migration and invasion, providing insights into MACC1-circadian clock interplay in CRC. Future research may develop chronotherapeutic strategies for more personalized and effective treatments.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

Les rythmes biologiques constituent une propriété fondamentale de la vie, permettant aux organismes d’appréhender leur environnement et d’en anticiper les changements. Ces rythmes possèdent une double origine : une horloge moléculaire génère ces rythmes, qui sont ensuite synchronisés par des facteurs environnementaux. Si les organismes terrestres sont essentiellement soumis au rythme d’alternance jour/nuit, les espèces marines côtières et estuariennes occupent un biotope plus changeant encore : ils sont en effet également confrontés au rythme des marées. Pourtant, leurs rythmes biologiques sont à ce jour encore mal connus et les mécanismes moléculaires de(s) (l’) horloge(s) sous-jacente(s) ne sont pas caractérisés. Parallèlement, les efflorescences d’algues toxiques, en constante augmentation depuis 1970, constituent un problème écologique majeur, tant local qu’international. Les objectifs du présent travail consistaient à caractériser les rythmes de référence de l’huître Crassostrea gigas et d’en déterminer l’origine (moléculaire, zeitgebers). Il s’agissait ensuite d’étudier les perturbations potentielles de ces rythmes par l’algue toxique Alexandrium minutum, qui produit des toxines paralytiques et est régulièrement présente dans de nombreuses mers du globe. Les travaux réalisés ont permis de mettre en évidence l’existence d’un rythme d’activité valvaire circadien, faible et dual, et n’a pas permis de supporter l’hypothèse de l’existence d’une horloge circatidale. Nous avons formulé l’hypothèse que, chez C. gigas, le rythme tidal est soit d’origine exogène, soit produit par l’horloge circadienne synchronisée par les marées. Les analyses moléculaires réalisées sur le gène circadien cryptochrome dans le muscle adducteur - effecteur du mouvement des valves - ont montré que ce gène oscille à une fréquence tidale dans le muscle strié, favorisant notre seconde hypothèse. Par ailleurs, au-delà des gènes de l’horloge, l’algue A. minutum réprime l’expression de gènes impliqués dans différentes voies métaboliques importantes : la lutte contre le stress oxydant (cat, gpx), la respiration mitochondriale (cox1), l’immunité (ilk), la détoxification (mdr). Finalement nos analyses ont permis de mettre en évidence un impact génotoxique d’A. minutum chez C. gigas. / Biological rhythms constitute a fundamental property of life, allowing organisms to anticipate and adapt to their changing environment. These rhythms present a double origin: they are generated by a molecular clock and synchronized by environmental cues. Whereas terrestrial organisms are mainly subjected to day/night alternation, coastal and estuarine marine species inhabit an even more cycling biotope. They are indeed also submitted to tides. Nevertheless, biological rhythms in marine species are still unrecognized and molecular mechanisms of the underlying oscillator(s) are to date not determined. At the same time, toxic algae blooms are increasing since the 1970s and represent a major ecological concern, both at local and international levels. An objective of the present work was the characterization of biological rhythms in the oyster Crassotrea gigas and of their origin (molecular mechanism, zeitgebers). Furthermore, the work was designed to study the potential disruption of these rhythms by the toxic algal of worldwide distribution Alexandrium minutum, which produces paralytic toxins. The present results show the existence of a weak and dual circadian rhythm of valve activity in the oyster, and do not provide evidence for the existence of any circatidal clock. We suggested that, in the oyster C. gigas, the tidal rhythm could either be generated exogenously or endogenously by the tidally-synchronized circadian clock. Molecular analyses performed on the circadian gene cryptochrome in the adductor muscle of oyster, the effector of valve movements, revealed that Cgcry oscillates at tidal frequency in the striated muscle. This result supports our second hypothesis. Furthermore, A. minutum represses the expression of genes involved in key metabolic pathways: struggle against oxidative stress (cat, gpx), mitochondrial respiration (cox1), immunity (ilk), detoxification (mdr). Moreover, A. minutum impacts C. gigas at DNA level, being thus genotoxic.

AABBSSTTRRAACCTT The molecular circadian clock enables anticipation of environmental changes. In mammals, clocks are ubiquitously present in almost all tissues and they are comprised of transcriptional-translational feedback loops of the so-called clock genes. The central clock represents the intrinsic pacemaker which is located in suprachiasmatic nuclei (SCN) of hypothalamus and synchronizes peripheral clocks. Clockwork system in alimentary tract and its regulatory link to intestinal functions are poorly understood. Therefore the objective of the thesis was to characterize molecular clock in particular parts of the rat intestine and to elucidate its link to the intestinal transport, regulation of cell cycle and neoplastic transformation in colonic tissue. We used quantitative RT-PCR (qPCR) to determine circadian profiles of mRNA expression of clock genes in the epithelium of duodenum, jejunum, ileum, and colon of rat. Furthermore, we analysed the expression of genes coding sodium chloride transporters and channels as well as cell cycle regulators in colon. To focus more precisely on different structures of intestinal epithelia we used laser capture microdissection. In addition, we performed Ussing chamber measurements to determine the colonic electrogenic transport. To study the contribution of circadian...

Les mécanismes moléculaires contrôlant les rythmes circadiens sont conservés parmi les organismes des différents règnes (plantes, animaux et champignons). Ils se composent de boucles de rétroaction où un complexe d’activation transcriptionnelle, l’hétérodimère CLK/CYC chez la drosophile, entraîne l'expression des répresseurs de son activité, les gènes et protéines PER et TIM chez la mouche. De manière importante, la période de l'oscillateur dépend en grande partie par des mécanismes post-transcriptionnels qui régulent l’accumulation et l'activité des composantes positifs et négatifs de la boucle. Bien que de nombreux partenaires d'interaction modifiant les composants d'horloge de base ont déjà pu être isolés, le schéma reste encore incomplet. Dans le cadre de la recherche de nouveaux composants de cette horloge, nous avons réalisé un crible comportemental basé sur l'expression ciblée de transgènes ARNi dirigés contre la moitié du génome de Drosophila melanogaster. Cinquante-quatre nouveaux gènes putatifs ont pu être identifiés. Au cours de ce travail, j'ai étudié le rôle de deux d’entre eux, sélectionnés pour les forts défauts comportementaux de l'expression de leur transgène ARNi. Le gène CG12082 de la drosophile est l’orthologue de l’Ubiquitin-specific protéase 5 (USP5) chez l’homme. La dérégulation d’Usp5 retarde les oscillations de la protéine PER dans les neurones d'horloge et allonge la période d'activité locomotrice des mouches. Chez les mouches ARNi Usp5, des formes à haut poids moléculaire des protéines PER et TIM s'accumulent pendant le matin, alors qu’elles sont normalement dégradées chez les contrôles. On a pu montrer que Usp5 participe directement à la dégradation de la protéine PER, indépendamment de TIM. En accord avec le rôle décrit pour l’orthologue humaine, Usp5 serait susceptible de contrôler la dégradation des protéines par son activité de démontage des chaînes libres de polyubiquitine présents dans la cellule, qui peuvent entrer en compétition avec les protéines ubiquitinylées pour la reconnaissance au niveau du protéasome, bloquant leur dégradation. La majorité des travaux ont porté sur un gène isolé au cours de notre crible, Strip, dont les fonctions étaient encore inconnues. Strip interagit avec Cka, une nouvelle sous-unité régulatrice de l’enzyme phosphatase PP2A. La dérégulation à la fois de Strip et/ou de Cka amène à des phénotypes comportementaux de période longue. D’un point de vue moléculaire, des formes hyper-phosphorylées de la protéine CLK s’accumulent dans la matinée quand Cka et/ou Strip sont perturbées. La dérégulation des activités générales de PP2A produit également une hyper-phosphorylation de CLK le matin, indiquant que, grâce à Cka/Strip, les complexes PP2A contrôlent la déphosphorylation de CLK à la fin du cycle. Il est connu que les formes hyper-phosphorylés de CLK sont transcriptionnellement inactives. En effet, la transcription des gènes tim et vrille, cibles de CLK, est fortement réduite dans les mouches ARNi Cka. En plus de PP2A/Cka, des complexes PP2A contenant une autre sous-unité régulatrice, Wdb, ont été montré pour déstabiliser CLK en culture des cellules (Kim et Edery, 2006). Nous montrons que la dérégulation de Wdb affecte la stabilité du CLK également dans la mouche adulte, sans toutefois induire aucun effet apparent sur sa phosphorylation. En conclusion, deux complexes PP2A différents agissent sur la protéine CLK : le complexe PP2A/Cka/Strip contrôle la déphosphorylation de CLK et sa réactivation, tandis que PP2A/Wdb affecte la stabilité de CLK indépendamment ou après PP2A/Cka. Ces résultats enrichissent l’étude de la régulation post-traductionnelle de la protéine CLK, qui était largement mal connue.Pour conclure, cette étude a permis de décrire deux nouveaux composants de la boucle moléculaire qui contrôle les rythmes circadiens chez la mouche du vinaigre, Drosophila melanogaster. / The molecular mechanism underlying circadian rhythms is conserved among organisms and consists of feedback loops where a transcriptional activating complex (the CLOCK (CLK)/CYCLE (CYC) heterodimer in Drosophila) drives the expression of the repressors of its activity (the period (per) and timeless (tim) genes and proteins in Drosophila). Importantly, the pace of the oscillator largely depends on post-transcriptional mechanisms that regulate the accumulation and activity of both the positive and negative components of the loop. A number of interacting partners that modify core clock components have already been isolated, but more are expected. Looking for new clock components, we set up a behavioral screen based on targeted expression of RNAi transgenes directed to half of the Drosophila genome. 54 putative new clock genes have been identified. Among them, some were independently reported to function within the fruit fly molecular clock, thus validating the screen. In this work, I investigated the circadian role of additional “positive” genes, selected for the strong behavioral defect induced by the expression of the corresponding RNAi. The CG12082 gene codes for the fruit fly ortholog of the human Ubiquitin-specific protease 5 (USP5). Downregulation of USP5 in clock cells lengthens the period of locomotor activity of flies as well as PER protein oscillations in clock neurons. High molecular weight forms of PER and TIM proteins accumulate during the morning after USP5 knockdown, while these forms are degraded in controls. In addition, TIM is not stabilized in the absence of PER, while PER still accumulate in the absence of TIM. Therefore, USP5 directly participates in the degradation of the PER protein and, later, of the TIM protein at the end of the cycle. Being a deubiquitinylase enzyme, USP5 may directly deubiquitinate PER. However, accordingly to the role described for the human ortholog, USP5 likely controls protein degradation through the disassembling of the unanchored polyubiquitin chains present in the cell that could compete with ubiquitinated-PER for proteasome recognition and subsequent breakdown.The majority of the work has focused on an unknown gene isolated in the screen, that, accordingly to the human homolog, we named STRIP. We show that STRIP interacts with Connector of Kinase to AP-1 (CKA), a novel regulatory subunit for the PP2A phosphatase holoenzyme, both in insect S2 cells and in fly head extracts. Downregulation of both STRIP and/or CKA causes long-period behavioral phenotypes and high molecular weight forms of the CLK protein to accumulate in the morning. Perturbation of general PP2A activities also produces hyper-phosphorylated CLK in the morning indicating that, through CKA/STRIP, PP2A complexes controls CLK dephosphorylation at the end of the cycle. Hyper-phosphorylated CLK forms are transcriptionally inactive. Accordingly, transcription of the tim and vrille (vri) CLK targets is strongly reduced in Cka-RNAi fly head extracts. PP2A complexes containing the Widerborst (WDB) regulatory subunits were already shown to affect CLK stability in insect S2 cells (Kim and Edery, 2006). We show that WDB downregulation also affects the stability of CLK in fly head extracts, but has no apparent effects on CLK phosphorylation. Therefore, we could describe two different PP2A complexes acting on the CLK protein: PP2A/CKA/STRIP complex controls CLK dephosphorylation and reactivation, while PP2A/WDB affects CLK stability independently or after PP2A/CKA functions. Moreover, STRIP, but not CKA, downregulation affects the stability of PER, indicating that STRIP possesses some functions unrelated to CKA. In conclusion, this work has allowed the isolation of new components of the Drosophila molecular clock. In particular, we give evidence for a double role for the PP2A phosphatase in modulating the activity and stability of the CLK protein, the regulation of which is not well understood yet.

Die dynamische Regulation von Protein-Protein Interaktionen (PPIs) ist wichtig für den Ablauf von biologischen Prozessen. Die circadiane Uhr, die einen ~24 Stunden Rhythmus generiert und eine Vielzahl von physiologischen Parametern steuert kann auch die Dynamik von PPIs regulieren. Um neue Erkenntnisse über regulatorische Mechanismen innerhalb des molekularen Oszillators zu gewinnen, habe ich zunächst alle möglichen PPIs zwischen 46 circadianen Komponenten mittels eines systematischen yeast-two-hybid (Y2H) Screens bestimmt. Dabei habe ich 109 bis dahin noch unbekannte PPIs identifiziert und einen repräsentativen Anteil mittels Co-Immunopräzipitationsexperimenten in humanen Zellen validiert. Unter den neuen PPIs habe ich bis dahin unbekannte Modulatoren der CLOCK/BMAL1 Transaktivierung identifiziert und dabei die Rolle der Proteinphosphatase 1 (PP1) als dynamischen Regulator der BMAL1 Stabilität funktionell charakterisiert. Das experimentelle PPI Netzwerk wurde mit bereits aus der Literatur bekannten PPIs und Interaktionspartnern ergänzt. Eine systematische RNAi Studie belegte außerdem die Relevanz der aus der Literatur stammenden Interaktoren für die ~24 Stunden Periodizität. Um eine Aussage über die Dynamik der PPIs im Netzwerk treffen zu können, wurden circadiane mRNA Expressionsdaten in das PPI Netzwerk integriert. Systematische Perturbationsstudien, in denen alle Komponenten des experimentellen Netzwerkes mittels RNAi herunterreguliert oder überexprimiert wurden, zeigten eine essentielle Bedeutung für die dynamischen PPIs innerhalb des circadianen Oszillators auf. Desweiteren wurden im circadianen PPI Netzwerk funktionelle Module identifiziert, welche dynamisch organsiert sind. Durch eine systemweite Analyse des humanen Proteoms wurden viele dynamische PPIs identifiziert, die biologische Prozesse wie z.B. Signaltransduktion und Zellzyklus miteinander verbinden. Rhythmische PPIs sind daher von Bedeutung für die zeitliche Organisation zellulärer Physiologie. / Essentially all biological processes depend on protein-protein interactions (PPIs). Timing of such interactions is crucial for regulatory function. Although circadian (~24 hrs) clocks constitute fundamental cellular timing mechanisms regulating important physiological processes PPI dynamics on this timescale are largely unknown. To elucidate so far unknown regulatory mechanisms within the circadian clockwork, I have systematically mapped PPIs among 46 circadian components using high-throughput yeast-two-hybrid (Y2H) interaction experiments. I have identified 109 so far uncharacterized interactions and successfully validated a sub-fraction via co-immunoprecipitation experiments in human cells. Among the novel PPIs, I have identified modulators of CLOCK/BMAL1 function and further characterized the role of protein phosphatase 1 (PP1) in the dynamic regulation of BMAL1 abundance. Furthermore, to generate a more comprehensive circadian PPI network, the experimental network was enriched and extended with additional interactions and interaction partners from literature, some of which turned out to be essential for normal circadian dynamics. The integration of circadian mRNA expression profiles allowed us to determine the interaction dynamics within our network. Systematic genetic perturbation studies (RNAi and overexpression in oscillating human cells) revealed a crucial role of dynamic regulation (via rhythmic PPIs) for the molecular clockwork. Furthermore, dynamic modular organization as a pervasive circadian network feature likely contributes to time-of-day dependent control of many cellular processes. Global analysis of the proteome regarding circadian regulation of biological processes via rhythmic PPIs revealed time-of-day dependent organization of the human interactome. Circadian PPIs dynamically connect many important cellular processes like signal transduction and cell cycle, which contribute to temporal organization of cellular physiology.

In spite of remarkable progress in molecular biology, our understanding of the dynamics and functions of intra- and inter-cellular biological networks has been hampered by their complexity. Kinetics modelling, an important type of mathematical modelling, provides a rigorous and reliable way to reveal the complexity of biological networks. In this thesis, two genetic regulatory networks have been investigated via kinetic models. In the first part of the study, a model is developed to represent the transcriptional regulatory network essential for the circadian rhythms in Drosophila. The model incorporates the transcriptional feedback loops revealed so far in the network of the circadian clock (PER/TIM and VRI/PDP1 loops). Conventional Hill functions are not used to describe the regulation of genes, instead the explicit reactions of binding and unbinding processes of transcription factors to promoters are modelled. The model is described by a set of ordinary differential equations and the parameters are estimated from the in vitro experimental data of the clocks’ components. The simulation results show that the model reproduces sustained circadian oscillations in mRNA and protein concentrations that are in agreement with experimental observations. It also simulates the entrainment by light-dark cycles, the disappearance of the rhythmicity in constant light and the shape of phase response curves resembling that of experimental results. The model is robust over a wide range of parameter variations. In addition, the simulated E-box mutation, perS and perL mutants are similar to that observed in the experiments. The deficiency between the simulated mRNA levels and experimental observations in per01, tim01 and clkJrk mutants suggests some differences in the model from reality. Finally, a possible function of VRI/PDP1 loops is proposed to increase the robustness of the clock. In the second part of the study, the sources of intrinsic noise and the influence of extrinsic noise are investigated on an intracellular viral infection system. The contribution of the intrinsic noise from each reaction is measured by means of a special form of stochastic differential equation, the chemical Langevin equation. The intrinsic noise of the system is the linear sum of the noise in each of the reactions. The intrinsic noise arises mainly from the degradation of mRNA and the transcription processes. Then, the effects of extrinsic noise are studied by means of a general form of stochastic differential equation. It is found that the noise of the viral components grows logarithmically with increasing noise intensities. The system is most susceptible to noise in the virus assembly process. A high level of noise in this process can even inhibit the replication of the viruses. In summary, the success of this thesis demonstrates the usefulness of models for interpreting experimental data, developing hypotheses, as well as for understanding the design principles of genetic regulatory networks.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

Le cycle de division cellulaire et l'horloge circadienne sont deux processus fondamentaux de la régulation cellulaire qui génèrent une expression rythmique des gènes et des protéines. Dans les cellules mammifères, les mécanismes qui sous-tendent les interactions entre le cycle cellulaire et l'horloge restent très mal connus. Dans cette thèse, nous étudions ces deux oscillateurs biologiques, à la fois individuellement et en tant que système couplé, pour comprendre et reproduire leurs principales propriétés dynamiques, détecter les composants essentiels du cycle cellulaire et de l'horloge, et identifier les mécanismes de couplage. Chaque oscillateur biologique est modélisé par un système d'équations différentielles ordinaires non linéaires et ses paramètres sont calibrés par rapport à des données expérimentales: le modèle du cycle cellulaire se base sur les modifications post-traductionnelles du complexe Cdk1-CycB et mène à un oscillateur de relaxation dont la dynamique et la période sont contrôlés par les facteurs de croissance; le modèle de l'horloge circadienne reproduit l'oscillation antiphasique BMAL1/PER:CRY et l'adaptation de la durée des états d'activation et répression par rapport à deux signaux d’entrée hormonaux déphasés. Pour analyser les interactions entre les deux oscillateurs nous étudions la synchronisation des deux rythmes pour des régimes de couplage uni- ou bi-directionnels. Les simulations numériques reproduisent les ratios entre les périodes de l'horloge et du cycle cellulaire, tels que 1:1, 3:2 et 5:4. Notre étude suggère des mécanismes pour le ralentissement du cycle cellulaire avec des implications pour la conception de nouvelles chronothérapies. / The cell division cycle and the circadian clock are two fundamental processes of cellular control that generate cyclic patterns of gene activation and protein expression, which tend to be synchronous in healthy cells. In mammalian cells, the mechanisms that govern the interactions between cell cycle and clock are still not well identified. In this thesis we analyze these two biological oscillators, both separately and as a coupled system, to understand and reproduce their main dynamical properties, uncover essential cell cycle and clock components, and identify coupling mechanisms. Each biological oscillator is first modeled by a system of non-linear ordinary differential equations and its parameters calibrated against experimental data: the cell cycle model is based on post-translational modifications of the mitosis promoting factor and results in a relaxation oscillator whose dynamics and period are controlled by growth factor; the circadian clock model is transcription-based, recovers antiphasic BMAL1/PER:CRY oscillation and relates clock phases to metabolic states. This model shows how the relative duration of activating and repressing molecular clock states is adjusted in response to two out-of-phase hormonal inputs. Finally, we explore the interactions between the two oscillators by investigating the control of synchronization under uni- or bi-directional coupling schemes. Simulations of experimental protocols replicate the oscillators’ period-lock response and recover observed clock to cell cycle period ratios such as 1:1, 3:2 and 5:4. Our analysis suggests mechanisms for slowing down the cell cycle with implications for the design of new chronotherapies.

Circadiane Uhren sind endogene Oszillatoren, die 24-Stunden Rhythmen erzeugen. Sie erlauben Organismen deren Physiologie und Verhalten an tägliche Änderungen der Umwelt anzupassen. In Säugetieren basieren solche Uhren auf transkriptional-translationalen Rückkopplungsschleifen, aber es ist noch nicht ganz verstanden, welche Schleifen zur Erzeugung von Rhythmen beitragen. Eine der physiologischen Schlüsselfunktionen von cirkadianen Uhren scheint die zeitliche Anordnung von metabolischen Prozessen zu sein. Im ersten Projekt haben wir eine Methode eingeführt, um systematisch Regulationen in einem datengetriebenen mathematischen Modell der Kernuhr zu testen. Überraschenderweise haben wir ein Rückkopplungsmotif entdeckt, das vorher noch nicht im Zusammenhang mit der circadianen Uhr in Säugetieren in Betracht gezogen wurde. Dieser Repressilator ist mit Gen-knockout Studien und weiteren Perturbationsexperimenten konsistent. Im zweiten Projekt haben wir das Modell wiederholt auf gewebespezifische Datensätze gefitted und essentielle Rückkopplungen in allen Modellversionen identifiziert. Interessanterweise fanden wir dabei für alle gewebespezifischen Datensätze Synergien von Rückkopplungen, die zusammen Rhythmen erzeugen. Desweiteren haben wir festgestellt, dass die Synergien sich abhängig vom Gewebe unterscheiden. Im dritten Projekt haben wir die circadianen Aspekte des Metabolismus untersucht. Wir haben circadiane Komponenten in verschiedenen omics Studien identifiziert, integriert und auf ein metabolisches Netzwerk gemapped. Unsere Analyse hat bestätigt, dass viele Stoffwechselwege vermutlich circadianen Rhythmen folgen. Interessanterweise haben wir festgestellt, dass die durchschnittlichen Phasen von rhythmischen Komponenten sich zwischen verschiedenen Stoffwechselwegen unterscheiden. Solche Unterschiede könnten eine zeitliche Anpassung metabolischer Funktionen an Zeiten darstellen zu denen sie gebraucht werden. / Circadian clocks are endogenous oscillators that generate 24-hour rhythms. They allow many organisms to synchronize their physiology and behaviour with daily changes of the environment. In mammals such clocks are based on transcriptional-translational feedback loops, however, it is not fully understood which feedback loops contribute to rhythm generation. Within an organism different clocks are distinguished by their localization in different organs. One of the key physiological functions of circadian clocks in various organs seems to be the temporal alignment of metabolic processes. In the first project we introduced and applied a method to systematically test regulations in a data-driven mathematical model of the core clock. Surprisingly, we discovered a feedback loop that has previously not been considered in the context of the mammalian circadian clock. This repressilator is consistent with knockout studies and further perturbation experiments. It could constitute an explanation for different phases observed between Cryptochromes, which are part of the core clock. In the second project we repeatedly fitted the same mathematical model to tissue-specific data sets and identified essential feedback loops in all model versions. Interestingly, for all tissue-specific data sets we found synergies of loops generating rhythms together. Further, we found that the synergies differ depending on the tissue. In the third project we examined the circadian aspects of metabolism. We identified rhythmic data in different omics studies, integrated and mapped them to a metabolic network. Our analysis confirmed that many metabolic pathways may follow circadian rhythms. Interestingly, we also found that the average peak times of rhythmic components between various pathways differ. Such differences might reflect a temporal alignment of metabolic functions to the time when they are required.