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.

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.

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