Like most organisms, Drosophila melanogaster can synchronize its physiological and behavioural processes by possessing internal circadian clock that regulates. Naturally fluctuating timing cues, like light and temperature (also known as Zeitgebers), synchronize these endogenous and self‐sustained clocks with external time. In Drosophila, synchronization of the circadian clock by light has been studied in detail, but much less is known about the molecular mechanisms underlying temperature entrainment. Previous data from our lab shows that Nocte, a Chordotonal organ (Ch organ) located protein, is required for normal temperature entrainment in Drosophila. However, neither the function of Nocte in temperature entrainment nor the molecular underlying mechanisms are clear. To address these issues, a proteomics strategy of combing co‐immunoprecipitation and MS/MS sequencing was applied to isolate potential interactors of Nocte. IR25a was one of the most promising candidates, which was later confirmed by behavioural tests using RNA interference: Reducing IR25a expression in Chorgan resulted in abnormal behaviour during temperature cycles, similar to what had been described for Nocte mutant. To further confirm the interaction between Nocte and IR25a, I showed that IR25a physically interacts with Nocte in vivo. Moreover, using an IR25a‐gal4 line, I was able to show that IR25a is expressed in subsets of chordotonal organs (Ch organ) including Johnston's Organs (JO), where Nocte is also highly expressed. These results, along with the behavioural data mentioned above are consistent with the proteomics results and suggest that Nocte and IR25a physically and functionally interact. IR25a mutants were employed to further investigate the function of IR25a in temperature entrainment. First of all, I found that both central and peripheral clocks in wild type flies can be synchronized to temperature cycles with only two degree differences (12h: 12h, 27 °C: 25 °C). In contrast, synchronization of locomotor activity rhythms in the IR25a null mutants to the same temperature cycles and other TC's with 2°C amplitude was eliminated. Under the same conditions, the oscillations of the core clock proteins TIMLESS (TIM) and PERIOD (PER) that normally occur in fly heads were completely abolished inIR25a null mutants, suggesting that IR25a is required for temperature entrainment of peripheral clocks. In the central brain pacemaker neurons, the oscillations of TIM in dorsal and lateral neurons were also affected by the IR25a mutants. On the contrary, IR25a is not required for light entrainment and temperature compensation, suggesting that IR25a is specifically involved in temperature synchronization. Moreover, temperature entrainment of the IR25a null mutants can be partially restored by applying larger temperature intervals (29°C: 25°C) indicating that IR25amay function as amplitude detector independent of absolute temperature values. Finally, neuronal activity in IR25a+ neurons is crucial for the synchronization of circadian clocks to low amplitude temperature cycles. Re‐constitution of functional olfactory receptors required the assembly of IR25a with IR76a and IR76b. Interestingly, IR76a and IR76b are neither required for temperature entrainment at the behavioural level nor expressed in the Ch organs. To check if other potential IRs interacting with IR25a exist, I screened the expression pattern of most divergent IRs using IR‐gal4/UAS‐GFP flies. IR56a was isolated as a potential partner of IR25a because it is also expressed in the femur chordotonal organs. To investigate the function of IR56a in temperature entrainment, I generated a null mutant of IR56a. Surprisingly, this gene is not required for synchronizing clocks to a temperature cycle (27°C: 25°C) at the behavioural level. However, the behavioural and molecular phenotypes of IR56a mutant under different temperature cycles need to be further characterized.

Cyanobakterien zŠhlen zu den Šltesten Lebewesen auf der Erde. Diese Bakterien, auch Blaualgen genannt, trugen wesentlich zur Sauerstoffanreicherung der Erde bei, da sie eine ausgeprŠgte FŠhigkeit zur Photosynthese besitzen. Der produzerte Sauerstoff der Photosynthese hemmt jedoch eine weitere AktivitŠt von Cyanobakterien, die Stickstofffixierung. Um die Hemmung zu vermeiden, werden diese AktivitŠten zeitlich getrennt und optimal dem tŠglichen Hell-Dunkel-Rhythmus angepasst. Ein evolutionŠrer Vorteil wird erzielt, wenn der Organismus diesen Rhythmus antizipiert und sich darauf vorbereitet. Aus diesem Grund haben Cyanobakterien eine innere Uhr entwickelt, deren Rhythmus zirkadian ist, ãzirka diemÒ bedeutet ãungefŠhr ein TagÒ. Cyanobakterien der Spezies Synechococcus elongatus PCC 7942 haben sich als Modellorganismus etabliert, weil in ihnen die ersten bakteriellen zirkadianen Oszillationen auf molekularer Ebene entdeckt worden sind. Ihre zirkadiane Uhr entspringt dreier, auf der DNS beieinanderliegenden, Gene (kaiA, kaiB, kaiC) und ihrer dazugehšrigen Proteine. Phosphorylierte KaiC-Proteine Ÿben eine RŸckkopplung auf die Transkription von kaiB und kaiC aus, wodurch die AktivitŠt des kaiBC-Promotors zirkadian oszilliert. Eines der wichtigsten Experimente der letzten Jahre hat gezeigt, dass dieser Transkriptions-Translations-Oszillator mit einem weiteren Oszillator gekoppelt ist, der nicht von Transkription und Translation abhŠngt. Das Experiment des Kondo Labors rekonstruiert zirkadiane Oszillationen mit nur drei Proteinen KaiA, KaiB, KaiC und ATP. Die Proteine bilden Komplexe verschiedener Stoichiometrie, die durchschnittliche Phosphorylierung des Proteins KaiC zeigt stabile Oszillationen mit einer zirkadianen Periode. Da ein Entfernen von einem der Proteine zum Verlust der Oszillationen fŸhrt, wird dieser Post-Translations-Oszillator auch als Kernoszillator bezeichnet. Der Phosphorylierungszyklus von KaiC wird bestimmt durch fortlaufende Phosphorylierung und Dephosphorylierung an zwei Positionen des Proteins, den AminosŠuren Serin 431 und Threonin 432. Die Phase des Kernoszillators kann an der Verteilung der vier PhosphorylierungszustŠnde (nicht-, serin-, threonin- und doppeltphosphoryliert) abgelesen werden. KaiC wechselwirkt mit KaiA und KaiB, damit verschieden phosphorylierte KaiC synchronisieren und die Uhr Ÿber mehrere Tage konstante Oszillationen zeigt. Die Details dieser Wechselwirkung sind jedoch unbekannt. In dieser Dissertation erstelle ich ein mathematisches Modell des Kernoszillators und simuliere die vorliegenden Experimente des O''Shea Labors. Die Simulation reproduziert den KaiC Phosphorylierungszyklus der Uhr quantitativ. Um die wichtigsten experimentellen Nebenbedingungen zu erfŸllen, muss das theoretische Modell zwei molekulare Eigenschaften von KaiC berŸcksichtigen, wodurch ich wichtige Vorhersagen treffe. Die erste Nebenbedingung ist durch die Robustheit des Systems gegeben. Die KaiC-Phosphorylierung Šndert sich nicht, wenn die Gesamtkonzentrationen der drei Proteine in gleicher Weise variiert werden. Um diese Bedingung zu erfŸllen, muss das Modell zwei verschiedenartige Komplexe von KaiA und KaiC berŸcksichtigen. ZusŠtzlich zu einem KaiAC Komplex, der die Autophosphorylierung von KaiC unterstŸtzt, muss KaiC den grš§ten Teil von KaiA unabhŠngig vom Phosphorylierungszustand sequestrieren. Diese zweite Bindestelle ist meine erste theoretische Vorhersage. Die zweite Nebenbedingung ist durch das Ÿbergangsverhalten nach Hinzugabe von KaiB gegeben. KaiB induziert eine Dephosphorylierung von KaiC, die abhŠngig vom Phosphorylierungsniveau ist. Ein Umschalten zwischen phosphoylierendem und dephosphorylierendem KaiC ist deshalb nur in bestimmten Zeitfenstern mšglich. Um die gemessenen Zeitfenster in der Simulation zu reproduzieren, postuliere ich im Modell, dass sechsfach Serin phosphorylierte KaiBC Komplexe KaiA inaktivieren. Diese hochgradig nichtlineare RŸckkopplung ist meine zweite theoretische Vorhersage. Die beiden Vorhersagen werden anschlie§end experimentell ŸberprŸft. HierfŸr werden aufgereinigte Kai-Proteine mit ATP gemischt. Proben an ausgewŠhlten Zeitpunkten werden mit der nativen Massenspektrometrie untersucht. Diese ist eine neuartige Methode, die es erlaubt, intakte Proteinkomplexe zu untersuchen. Die Spektren bestŠtigen sowohl die zweite KaiAC-Bindestelle als auch die nichtlineare RŸckkopplung. Das mathematische Modell erlaubt es au§erdem, die drei definierenden Prinzipien von zirkadianen Uhren fŸr den Kernoszillator zu erklŠren. Erstens sichern konstante Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsraten von KaiC und ein pŸnktliches Umschalten zwischen beiden Phasen den Freilauf des Oszillators. Dieser Freilauf bewirkt, dass die zirkadiane Uhr auch unter konstanten Bedingungen, vor allem gleichbleibenden LichtverhŠltnissen, weiterlaufen kann. Zweitens muss die Periodendauer des Oszillators zu unterschiedlichen Šu§eren Bedingungen erhalten bleiben (Temperaturkompensation). Diese Bedingung wird realisiert, indem temperaturabhŠngige Dissoziationskonstanten von KaiAC und KaiBC Komplexen Phasenverschiebungen erzeugen, die sich gegenseitig kompensieren. Drittens muss die Phase des Oszillators sich dem Tagesrhythmus anpassen kšnnen. Diese Anpassung folgt aus einem Šu§eren Warm-Kalt-Rhythmus, der die drei temperaturabhŠngigen Phasenverschiebungen nur zum Teil einschaltet und damit die Kompensation verhindert. Eine in silico Evolutionsanalyse zeigt, dass eine zweite phosphorylierbare AminosŠure einen evolutionŠren Vorteil bringt und die Verteilung der PhosphorylierungszustŠnde optimiert ist, um eindeutig die Zeit zu bestimmen. Das Ergebnis weist darauf hin, dass diese Verteilung die physiologisch wichtige Ausgangsgrš§e der Uhr ist und die vier PhosphroylierungszustŠnde die Funktionen der zirkadianen Uhr von Cyanobakterien sichern. / Biological activities in cyanobacteria are coordinated by an internal clock. The rhythm of the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 originates from the kai gene cluster and its corresponding proteins. In a test tube, the proteins KaiA, KaiB and KaiC form complexes of various stoichiometry and the average phosphorylation level of KaiC exhibits robust circadian oscillations in the presence of ATP. The characteristic cycle of individual KaiC proteins is determined by phosphorylation of serine 431 and threonine 432. Differently phosphorylated KaiC synchronize due to an interaction with KaiA and KaiB. However, the details of this interaction are unknown. Here, I quantitatively investigate the experimentally observed characteristic phosphorylation cycle of the KaiABC clockwork using mathematical modeling. I thereby predict the binding properties of KaiA to both KaiC and KaiBC complexes by analyzing the two most important experimental constraints for the model. In order to reproduce the KaiB-induced dephosphorylation of KaiC a highly non-linear feedback loop has been identified. This feedback originates from KaiBC complexes, which are exclusively phosphorylated at the serine residue. The observed robustness of the KaiC phosphorylation level to concerted changes of the total protein concentrations demands an inclusion of two KaiC binding sites to KaiA in the mathematical model. Besides the formation of KaiAC complexes enhancing the autophosphorylation activity of KaiC, the model accounts for a KaiC binding site, which constantly sequestrates a large fraction of free KaiA. These theoretical predictions have been confirmed by the novel method of native mass spectrometry, which was applied in collaboration with the Heck laboratory. The mathematical model elucidates the mechanism by which the circadian clock satisfies three defining principles. First, the highly non-linear feedback loop assures a rapid and punctual switch to dephosphorylation which is essential for a precise period of approximately 24 h (free-running rhythm). Second, the dissociation of the protein complexes increases with increasing temperatures. These perturbations induce opposing phase shifts, which exactly compensate during one period (temperature compensation). Third, a shifted external rhythm of low and high temperature affects only a part of the three compensating phase perturbations, which leads to phase shifts (phase entrainment). An in silico evolution analysis shows that the existing second phosphorylatable residue of KaiC is not necessary for the existence of sustained oscillations but provides an evolutionary benefit. The analysis demonstrates that the distribution of four phosphorylated states of KaiC is optimized in order for the organism to uniquely distinguish between dusk and dawn. Consequently, this thesis emphasizes the importance of the four phosphorylated states of KaiC, which assure the outstanding performance of the core oscillator.

Circadian rhythms dictate the timing of both once-in-a-lifetime adult emergence (eclosion) and daily locomotor activity rhythms in the flesh fly S. crassipalpis. Light cycles are considered the primary environmental time cue (zeitgeber), but the life history of S. crassipalpis suggests that temperature cycles (thermocycles) may also play a key role. This work evaluates the efficacy of thermocycling as a zeitgeber in S. crassipalpis. We found that shifting both light and temperature cycles of sufficient amplitude affect the phasing of eclosion and locomotor activity, but result in different patterns. Additional experiments suggest greater thermocycle sensitivity during the late metamorphic period and that thermocycling reduces variance in eclosion times. Taken together, these findings suggest that temperature cycles can be used by S. crassipalpis to time eclosion and adult locomotor activity, and that S. crassipalpis may be physiologically primed to use thermocycle information during metamorphosis.