A dynamic circadian protein-protein interaction network

Abstract

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.