In metazoan organisms, circadian (~24hr) rhythms are regulated by pacemaker neurons organized in a master-slave hierarchy. In this hierarchy system, the master pacemaker perceives the light signal, and then drives the slave oscillator. Thus, to yield clear signal to the slave oscillator, the master pacemaker generates strong rhythms that are also flexibly adjustable to environmental changes. Although it is widely accepted that master pacemaker and slave oscillator generate rhythms via an identical negative feedback loop, where repressor PERIOD (PER) inhibits transcriptional activator CLOCK (CLK) with various mechanisms (e.g., blocking, sequestration and displacement), their different roles imply heterogeneity in their molecular clockworks. Indeed, in Drosophila, defective binding between CLK and PER disrupts molecular rhythms in the master pacemaker, small ventral lateral neurons (sLNvs), but not in the slave oscillator, posterior dorsal neuron 1s (DN1ps). Here, we construct a mathematical model describing a negative feedback loop with multiple repression mechanisms to investigate how strong rhythms are generated. By deriving equations describing the multiple repression mechanisms, we find that their combination can synergistically generate a sharply ultrasensitive transcription response and thus strong oscillations. Furthermore, we develop a systematic and expandable approach that unbiasedly searches the source of the heterogeneity in molecular clockworks from timeseries data. In combination with in vivo experiments, we find that sLNvs exhibit higher synthesis and turnover of PER and lower CLK levels than DN1ps. Importantly, light shift analysis reveals that due to such a distinct molecular clockwork, sLNvs can obtain paradoxical characteristics as the master pacemaker. Our results identify the different characteristics of molecular clockworks of pacemaker neurons that underlie hierarchical multi-oscillator structure to ensure the rhythmic fitness of the organism.
후생동물에서 일주기 (~24시간) 리듬은 주종의 계층 구조로 구성된 페이스메이커 뉴런에 의해서 조절된다. 이러한 계층 시스템에서 마스터 페이스메이커는 빛 신호를 인지하고 슬레이브 진동자에 정보를 전달한다. 따라서, 슬레이브 진동자에 명확한 신호를 전달하기 위해, 마스터 페이스메이커는 강하면서도 외부환경 변화에 유연하게 적응할 수 있는 리듬을 생성한다. 비록 마스터 페이스메이커와 슬레이브 진동자는 억제자 PERIOD (PER)가 전사인자 CLOCK (CLK)을 다양한 방식(차단, 격리, 분리)으로 억제하는 음성 되먹임 고리를 이용해 리듬을 생성함에도 불구하고 둘의 다른 역할은 분자시계에서 그들의 이질성을 암시한다. 실제로 초파리에서 CLK과 PER간의 결합에서의 결함은 마스터 페이스메이커인 sLNv들의 분자리듬을 방해하지만 슬레이브 진동자인 DN1p들에서는 그렇지 않다. 본 연구에서 어떻게 강한 리듬이 생성되는지를 조사하기 위해 다중 억제 메커니즘을 포함한 음성 되먹임 고리의 수리모델을 구성한다. 우리는 다중 억제 메커니즘을 묘사하는 방정식들을 유도함으로써 억제 메커니즘들의 조합이 상승적으로 날카로운 초민감한 전사 반응을 생성하고 그로 인해 강한 진동을 생성함을 보인다. 나아가, 시계열 데이터로부터 분자시계에서 이질성의 근원을 공평하게 찾기 위해 체계적이고 확장가능한 접근법을 개발한다. 우리는 생체 실험과 결합하여 DN1p에 비해 sLNv가 PER의 더 빠른 합성과 대사회전, 그리고 더 낮은 양의 CLK을 드러낸다는 것을 발견했다. 특히, 광이동 분석으로 이런 독특한 분자시계 덕분에 sLNv가 강한 리듬을 생성하면서 동시에 유연하게 환경변화에 적응할 수 있는 마스터 페이스메이커로서의 역설적인 특징들을 얻을 수 있음을 밝혔다. 우리의 결과는 유기체의 율동적인 적합성을 보증하기 위한 계층적 다중 진동자 구조의 기초가 되는 페이스메이커 뉴런의 분자 시계 장치의 다른 특징들을 확인한다.
