Hyperinflammation and lymphopenia provoked by SARS-CoV-2-activated macrophages contribute to the high mortality of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) patients. Thus, defining host pathways aberrantly activated in patient macrophages is critical for developing effective therapeutics. We discovered that G9a, a histone methyltransferase that is overexpressed in COVID-19 patients with high viral load, activates translation of specific genes that induce hyperinflammation and impairment of T cell function or lymphopenia. This noncanonical, pro-translation activity of G9a contrasts with its canonical epigenetic function. In endotoxin-tolerant (ET) macrophages that mimic conditions which render patients with pre-existing chronic inflammatory diseases vulnerable to severe symptoms, our chemoproteomic approach with a biotinylated inhibitor of G9a identified multiple G9a-associated translation regulatory pathways that were upregulated by SARS-CoV-2 infection. Further, quantitative translatome analysis of ET macrophages treated progressively with the G9a inhibitor profiled G9a-translated proteins that unite the networks associated with viral replication and the SARS-CoV-2-induced host response in severe patients. Accordingly, inhibition of G9a-associated pathways produced multifaceted, systematic effects, namely, restoration of T cell function, mitigation of hyperinflammation, and suppression of viral replication. Importantly, as a host-directed mechanism, this G9a-targeted, combined therapeutics is refractory to emerging antiviral-resistant mutants of SARS-CoV-2, or any virus, that hijacks host responses.

Abstract Transcriptomes of individual neurons provide rich information about cell types and dynamic states. However, it is difficult to capture rare dynamic processes, such as adult neurogenesis, because isolation from dense adult tissue is challenging, and markers for each phase are limited. Here, we developed Div-Seq, which combines Nuc-Seq, a scalable single nucleus RNA-Seq method, with EdU-mediated labeling of proliferating cells. We first show that Nuc-Seq can sensitively identify closely related cell types within the adult hippocampus. We apply Div-Seq to track transcriptional dynamics of newborn neurons in an adult neurogenic region in the hippocampus. Finally, we find rare adult newborn GABAergic neurons in the spinal cord, a non-canonical neurogenic region. Taken together, Nuc-Seq and Div-Seq open the way for unbiased analysis of any complex tissue.

Abstract Microglia have emerged as key players in the pathogenesis of neurodegenerative conditions such as Alzheimer’s disease (AD). In response to CNS stimuli, these cells adopt distinct transcriptional and functional subtypes known as states. However, an understanding of the function of these states has been elusive, especially in human microglia, due to lack of tools to model and manipulate this cell-type. Here, we provide a platform for modeling human microglia transcriptional states in vitro . Using single-cell RNA sequencing, we found that exposure of human stem-cell differentiated microglia (iMGLs) to brain-related challenges generated extensive transcriptional diversity which mapped to gene signatures identified in human brain microglia. We identified two in vitro transcriptional clusters that were analogous to human and mouse disease-associated microglia (DAMs), a state enriched in neurodegenerative disease contexts. To facilitate scalable functional analyses, we established a lentiviral approach enabling broad and highly efficient genetic transduction of microglia in vitro . Using this new technology, we demonstrated that MITF (Melanocyte Inducing Transcription Factor), an AD-enriched transcription factor in microglia, drives both a disease-associated transcriptional signature and a highly phagocytic state. Finally, we confirmed these results across iMGLs differentiated from multiple iPSC lines demonstrating the broad utility of this platform. Together, these tools provide a comprehensive resource that enables the manipulation and functional interrogation of human microglial states in both homeostatic and disease-relevant contexts.

At the time of this writing, December 2021, potential emergence of vaccine escape variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a grave global concern. The interface between the receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 spike (S) protein and the host receptor (ACE2) overlap with the binding site of principal neutralizing antibodies (NAb), limiting the repertoire of viable mutations. Nonetheless, variants with multiple mutations in the RBD have rose to dominance. Non-additive, epistatic relationships among RBD mutations are apparent, and assessing the impact of such epistasis on the mutational landscape is crucial. Epistasis can substantially increase the risk of vaccine escape and cannot be completely characterized through the study of the wild type (WT) alone. We employed protein structure modeling using Rosetta to compare the effects of all single mutants at the RBD-NAb and RBD-ACE2 interfaces for the WT, Delta, Gamma, and Omicron variants. Overall, epistasis at the RBD interface appears to be limited and the effects of most multiple mutations are additive. Epistasis at the Delta variant interface weakly stabilizes NAb interaction relative to ACE2 interaction, whereas in the Gamma variant, epistasis more substantially destabilizes NAb interaction. Although a small, systematic trend towards NAb destabilization not observed for Delta or Gamma was detected for Omicron, and despite bearing significantly more RBD mutations, the epistatic landscape of the Omicron variant closely resembles that of Gamma. These results suggest that, although Omicron poses new risks not observed with Delta, structural constraints on the RBD hamper continued evolution towards more complete vaccine escape. The modest ensemble of mutations relative to the WT that are currently known to reduce vaccine efficacy is likely to comprise the majority of all possible escape mutations for future variants, predicting continued efficacy of the existing vaccines.

ABSTRACT Adaptive locomotion of living organisms contributes to their competitive abilities and helps maintain their fitness in diverse environments. To date, however, our understanding of searching behavior and its ultimate cause remains poorly understood in ecology and biology. Here, we investigate motion patterns of biofilm-inhabiting marine raphid diatom Navicula arenaria var. rostellata in two-dimensional space. We report that individual Navicula cells display a “circular run-and-reversal” movement behavior at different concentrations of dissolved silicic acid (dSi). We show that gliding motions of cells can be predicted accurately with a universal Langevin model. Our experimental results are consistent with an optimal foraging strategy and a maximized diffusivity of the theoretical outcomes in which both circular-run and reversal behaviors are important ingredients. Our theoretical results suggest that the evolving movement behaviors of diatoms may be driven by optimization of searching behavioral strategy, and predicted behavioral parameters coincide with the experimental observations. These optimized movement behaviors are an evolutionarily stable strategy to cope with environmental complexity. ONE SENTENCE SUMMARY Novel experiments and modelling reveal that raphid diatoms can actively exploit resources in complex environments by adjusting their movement behavior.

Abstract In recent years, Setaria viridis has been developed as a model plant to better understand the C4 photosynthetic pathway in major crops. With the increasing availability of genomic resources for S. viridis research, highly efficient genome editing technologies are needed to create genetic variation resources for functional genomics. Here, we developed a protoplast assay to rapidly optimize the multiplexed CRISPR/Cas9 system in S. viridis. Targeted mutagenesis efficiency was further improved by an average of 1.4-fold with the exonuclease, Trex2. Distinctive mutation profiles were found in the Cas9_Trex2 samples with 94% of deletions larger than 10bp, and less than 1% of mutations being insertions. Further analyses indicated that 52.2% of deletions induced by Cas9_Trex2, as opposed to 3.5% by Cas9 alone, were repaired through microhomology-mediated end joining (MMEJ) rather than the canonical NHEJ DNA repair pathway. Combined with the robust agrobacterium-mediated transformation method with more than 90% efficiency, the multiplex CRISPR/Cas9_Trex2 system was demonstrated to induce targeted mutations in two tightly linked genes, svDrm1a and svDrm1b, at the frequency ranging from 73% to 100% in T0 plants. These mutations were transmitted to at least 60% of the transgene-free T1 plants with 33% of them containing bi-allelic or homozygous mutations in both genes. This highly efficient multiplex CRISPR/Cas9_Trex2 system makes it possible to create a large mutant resource for S. viridis in a rapid and high throughput manner, and has the potential to be widely applicable in achieving more predictable MMEJ-mediated mutations in many plant species.

Abstract To achieve the enormous potential of gene-editing technology in clinical therapies, both the on-target and unintended editing consequences need to be thoroughly evaluated. However, there is a lack of a comprehensive, pipelined, large-scale and economical workflow for detecting genome editing outcomes, in particular insertion or deletion of a large fragment. Here, we describe an approach for efficient and accurate detection of multiple genetic changes after CRISPR-Cas9 editing by pooled nanopore sequencing of barcoded long-range PCR products. To overcome the high error rates and indels of nanopore sequencing, we developed a pipeline to capture the barcoded sequences by grepping reads of nanopore amplicon sequencing (GREPore-seq). GREPore-seq can detect NHEJ-mediated double-stranded oligodeoxynucleotide (dsODN) insertions with comparable accuracy to Illumina next-generation sequencing (NGS). GREPore-seq also identifies HDR-mediated large gene knock-in, which excellently correlates with FACS analysis data. Low-level plasmid backbone insertion after HDR editing was also detected. We have established a practical workflow to identify genetic changes, including quantifying dsODN insertions, knock-ins, plasmid backbone insertions, and large fragment deletions after CRISPR editing. This toolkit for nanopore sequencing of pooled long amplicons should have broad applications in assessing on-target HDR editing and inadvertent large indels of over 1 kb. GREPore-seq is freely available at GitHub ( https://github.com/lisiang/GREPore-seq ).

Abstract Understanding the trends in SARS-CoV-2 evolution is paramount to control the COVID- 19 pandemic. We analyzed more than 300,000 high quality genome sequences of SARS-CoV-2 variants available as of January 2021. The results show that the ongoing evolution of SARS-CoV-2 during the pandemic is characterized primarily by purifying selection, but a small set of sites appear to evolve under positive selection. The receptor-binding domain of the spike protein and the nuclear localization signal (NLS) associated region of the nucleocapsid protein are enriched with positively selected amino acid replacements. These replacements form a strongly connected network of apparent epistatic interactions and are signatures of major partitions in the SARS-CoV-2 phylogeny. Virus diversity within each geographic region has been steadily growing for the entirety of the pandemic, but analysis of the phylogenetic distances between pairs of regions reveals four distinct periods based on global partitioning of the tree and the emergence of key mutations. The initial period of rapid diversification into region- specific phylogenies that ended in February 2020 was followed by a major extinction event and global homogenization concomitant with the spread of D614G in the spike protein, ending in March 2020. The NLS associated variants across multiple partitions rose to global prominence in March-July, during a period of stasis in terms of inter- regional diversity. Finally, beginning July 2020, multiple mutations, some of which have since been demonstrated to enable antibody evasion, began to emerge associated with ongoing regional diversification, which might be indicative of speciation. Significance Understanding the ongoing evolution of SARS-CoV-2 is essential to control and ultimately end the pandemic. We analyzed more than 300,000 SARS-CoV-2 genomes available as of January 2021 and demonstrate adaptive evolution of the virus that affects, primarily, multiple sites in the spike and nucleocapsid protein. Selection appears to act on combinations of mutations in these and other SARS-CoV-2 genes. Evolution of the virus is accompanied by ongoing adaptive diversification within and between geographic regions. This diversification could substantially prolong the pandemic and the vaccination campaign, in which variant-specific vaccines are likely to be required.

The recently discovered class 2 CRISPR-Cas endonuclease Cpf1 offers several advantages over Cas9, including the ability to process its own array and requirement for just a single RNA guide. These attributes make Cpf1 promising for many genome engineering applications. To further expand the suite of Cpf1 tools available, we tested 16 Cpf1 orthologs for activity in eukaryotic cells. Four of these new enzymes demonstrated targeted activity, one of which, from Moraxella bovoculi AAX11_00205 (Mb3Cpf1), exhibited robust indel formation. We also show that Mb3Cpf1 displays some tolerance for a shortened PAM (TTN versus the canonical Cpf1 PAM TTTV). The addition of these enzymes to the genome editing toolbox will further expand the utility of this powerful technology.

Glioblastoma (GBM), a universally fatal brain cancer, infiltrates the brain and can be synaptically innervated by neurons, which drives tumor progression 1-6 . Synaptic inputs onto GBM cells identified so far are largely short-range and glutamatergic 7-9 . The extent of integration of GBM cells into brain-wide neuronal circuitry is not well understood. Here we applied a rabies virus-mediated retrograde monosynaptic tracing approach 10-12 to systematically investigate circuit integration of human GBM organoids transplanted into adult mice. We found that GBM cells from multiple patients rapidly integrated into brain-wide neuronal circuits and exhibited diverse local and long-range connectivity. Beyond glutamatergic inputs, we identified a variety of neuromodulatory inputs across the brain, including cholinergic inputs from the basal forebrain. Acute acetylcholine stimulation induced sustained calcium oscillations and long-lasting transcriptional reprogramming of GBM cells into a more invasive state via the metabotropic CHRM3 receptor. CHRM3 downregulation suppressed GBM cell invasion, proliferation, and survival in vitro and in vivo. Together, these results reveal the capacity of human GBM cells to rapidly and robustly integrate into anatomically and molecularly diverse neuronal circuitry in the adult brain and support a model wherein rapid synapse formation onto GBM cells and transient activation of upstream neurons may lead to a long-lasting increase in fitness to promote tumor infiltration and progression.