The circadian clock and G-protein-coupled receptor signaling

Schwarzmeier, Tanja (2025): The circadian clock and G-protein-coupled receptor signaling: RGS16 and how it controls chronotype. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Viele Vorgänge im Körper sind unter der Kontrolle der inneren Uhr, deren Synchronisierung mit unserer Umgebung dazu führt, dass viele Verhaltensweisen einer 24-Stunden-Periodik unterliegen. Unsere Schlaf- und Aktivitätspräferenz wird Chronotyp genannt. Beeinflusst wird dieser unter anderem durch externe Faktoren wie Lichtexposition, aber es gibt auch eine genetische Komponente. Mehrere genomweite Assoziationsstudien haben RGS16, „Regulator of G-protein Signaling 16“, als ein potentielles Chronotyp-Gen identifiziert. RGS16 spielt eine wichtige Rolle in den zentralen Schrittmacherzellen der inneren Uhr. Es ist ein Modulator von Signalwegen der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs), welche im gesamten Körper vorkommen und Informationen über die Umgebung an die Zelle und den Organismus weitergeben. Daher wäre es möglich, dass GPCRs und RGS16 eine allgemeinere Rolle in den Input-Wegen der Uhr spielen. In dieser Arbeit soll das Zusammenspiel zwischen der inneren Uhr, RGS16 und GPCRs erforscht und hierdurch möglicherweise eine Erklärung für interindividuelle Unterschiede im Chronotyp gefunden werden. RGS16 wurde in humanen Osteosarkomzellen (U-2 OS) und adulten retinalen Pigmentepithelzellen (ARPE-19) mittels Knock-down (KD) herunterreguliert und der Effekt auf Schlüsselmerkmale der inneren Uhr, also Periodenlänge des Rhythmus in konstanten Bedingungen, Phase in Bezug auf den Umgebungszyklus und Temperaturunabhängigkeit der Rhythmen, charakterisiert. Hierbei zeigten sich je nach Zelllinie und Bedingungen unterschiedliche Effekte sowohl in U-2 OS als auch in ARPE-19 Zellen, was für eine allgemeinere Rolle von RGS16 im Uhrnetzwerk spricht. RGS16 selbst steht ebenfalls unter dem Einfluss der Uhr, unter anderem durch Änderungen der Proteinmenge und der Lokalisation über den Tag. Außerdem reagiert es auf Temperaturänderungen, und ein KD führt zu einer erhöhten Temperaturempfindlichkeit der Zellen. Dies legt eine Beteiligung in der Input- Regulierung nahe, möglicherweise durch die Beeinflussung des cAMP-Signalwegs. Es konnten zirkadiane cAMP-Rhythmen in U-2 OS Zellen gezeigt werden, welche durch den KD beeinflusst wurden. Passend hierzu war die cAMP-Antwort nach GPCR-Stimulation unterschiedlich, je nachdem, ob zu einer Zeit hoher oder niedriger RGS16-Level stimuliert wurde. Die cAMP-Spiegel beeinflussen wiederum viele bekannte Uhr-Gene. Insgesamt scheint RGS16 in mehreren Zellarten eine Rolle für die innere Uhr zu spielen. Die Daten weisen auf eine Beteiligung am Input des Uhrnetzwerks hin. Dies macht RGS16 zu einem sogenannten Zeitnehmer, da es sowohl als Input als auch als Output der Uhr fungiert, und so Zeit-Informationen an die Zellen weitergibt. Die Daten unterstützen weiterhin die in anderen Arbeiten publizierten Ansichten, dass RGS16 über die Regulierung von cAMP-Leveln am Netzwerk der Uhr beteiligt ist, und erweitert diese um weitere Zellen und Gewebe.

Abstract

Many processes in the body are under the control of the circadian clock. The entrainment of the clock to our 24 h environment results in rhythmic behaviours, called chronotype. Chronotype is influenced by external factors such as light, but it also has a genetic basis. Several genome- wide association studies (GWAS) have identified RGS16, Regulator of G-protein Signaling 16, as a potential chronotype-influencing gene. RGS16 has been shown to be crucial for keeping the rhythm in the central pacemaker cells in the brain. It is a modulator of G-protein-coupled receptor (GPCR) signaling. As GPCRs are ubiquitous throughout the body, where they relay information about the environment to the cell and the organism, we hypothesized that they may be involved in modulating zeitgebers of the circadian clock in a more generalized way, too. In this work, we wished to explore the interplay between the clock, RGS16, and GPCRs as part of the mechanism to explain interindividual variations in chronotype. RGS16 was knocked down in human osteosarcoma (U-2 OS) and adult retinal pigment epithelium (ARPE-19) cells to determine its effect on key circadian properties, namely free- running period, phase of entrainment, and temperature compensation. Here, the knockdown (KD) leads to a variety of changes, demonstrating that RGS16 indeed plays a role in the function of the clock in peripheral cells. Changes were observed in U-2 OS cells as well as in ARPE-19 cells, suggesting an involvement in several tissues, although the exact effect differs depending on the cell line and the conditions. RGS16 itself is also influenced by the clock, with fluctuations in abundance and localization depending on the time of day. It also responds to temperature changes, and a KD makes the system more susceptible to temperature variations, which serve as important zeitgebers in the body. This suggests an involvement of RGS16 in the zeitgeber input pathway. Circadian rhythms in cAMP levels in free-running conditions could also be shown in U-2 OS cells, which were impacted by a KD of RGS16, reinforcing an involvement in cAMP signaling. In accordance with this, the cAMP response elicited by GPCR activation at different times of day is influenced by RGS16 levels. Many clock genes have cAMP response elements in their promoter regions, so fluctuating cAMP levels act as clock inputs. Overall, RGS16 seems to play a role in the circadian clock in several cells and tissues, with the data suggesting an involvement in the zeitgeber input pathway of the clock. By being part of both input and output of the clock network, RGS16 acts as a zeitnehmer and passes on timing information to the cells. Our findings support previous research that RGS16 acts on the circadian clock through involvement in the regulation of cAMP levels, and expands the knowledge about its role to other cells and tissues.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: circadian clock, RGS16, GPCR, chronotype, Chronotyp, Innere Uhr
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. November 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Merrow, Martha