Most deaths from cancer are explained by metastasis, and yet large-scale metastasis research has been impractical owing to the complexity of in vivo models. Here we introduce an in vivo barcoding strategy that is capable of determining the metastatic potential of human cancer cell lines in mouse xenografts at scale. We validated the robustness, scalability and reproducibility of the method and applied it to 500 cell lines1,2 spanning 21 types of solid tumour. We created a first-generation metastasis map (MetMap) that reveals organ-specific patterns of metastasis, enabling these patterns to be associated with clinical and genomic features. We demonstrate the utility of MetMap by investigating the molecular basis of breast cancers capable of metastasizing to the brain-a principal cause of death in patients with this type of cancer. Breast cancers capable of metastasizing to the brain showed evidence of altered lipid metabolism. Perturbation of lipid metabolism in these cells curbed brain metastasis development, suggesting a therapeutic strategy to combat the disease and demonstrating the utility of MetMap as a resource to support metastasis research.

Single-cell RNA-seq, together with RNA velocity and metabolic labeling, reveals cellular states and transitions at unprecedented resolution. Fully exploiting these data, however, requires dynamical models capable of predicting cell fate and unveiling the governing regulatory mechanisms. Here, we introduce dynamo , an analytical framework that reconciles intrinsic splicing and labeling kinetics to estimate absolute RNA velocities, reconstructs velocity vector fields that predict future cell fates, and finally employs differential geometry analyses to elucidate the underlying regulatory networks. We applied dynamo to a wide range of disparate biological processes including prediction of future states of differentiating hematopoietic stem cell lineages, deconvolution of glucocorticoid responses from orthogonal cell-cycle progression, characterization of regulatory networks driving zebrafish pigmentation, and identification of possible routes of resistance to SARS-CoV-2 infection. Our work thus represents an important step in going from qualitative, metaphorical conceptualizations of differentiation, as exemplified by Waddington’s epigenetic landscape, to quantitative and predictive theories.

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 Convergent phenotypic evolution provides some of the strongest evidence for adaptation. However, the extent to which recurrent phenotypic adaptation has arisen via parallelism at the molecular level remains unresolved, as does the evolutionary origin of alleles underlying such adaptation. Here, we investigate genetic mechanisms of convergent highland adaptation in maize landrace populations and evaluate the genetic sources of recurrently selected alleles. Population branch excess statistics reveal strong evidence of parallel adaptation at the level of individual SNPs, genes and pathways in four independent highland maize populations, even though most SNPs show unique patterns of local adaptation. The majority of selected SNPs originated via migration from a single population, most likely in the Mesoamerican highlands. Polygenic adaptation analyses of quantitative traits reveal that alleles affecting flowering time are significantly associated with elevation, indicating the flowering time pathway was targeted by highland adaptation. In addition, repeatedly selected genes were significantly enriched in the flowering time pathway, indicating their significance in adapting to highland conditions. Overall, our study system represents a promising model to study convergent evolution in plants with potential applications to crop adaptation across environmental gradients.

Abstract Cuscuta species (dodders) are agriculturally destructive parasitic angiosperms. These parasitic plants use haustoria as physiological bridges to extract nutrients and water from hosts. Cuscuta campestris has a broad host range and wide geographical distribution. While some wild tomato relatives are resistant, cultivated tomatoes are generally susceptible to C. campestris infestations. However, some specific Heinz tomato hybrid cultivars exhibit resistance to dodders in the field, but their defense mechanism was unknown. Here, we discovered that the stem cortex in these resistant lines responds with local lignification upon C. campestris attachment, preventing parasite entry into the host. LIF1 ( Lignin Induction Factor 1 , an AP2 -like transcription factor), SlMYB55 , and CuRLR1 ( Cuscuta R-gene for Lignin-based Resistance 1 , a CC-NBS-LRR ) are identified as crucial factors conferring host resistance by regulating lignification. SlWRKY16 is upregulated upon C. campestris infestation and acts as a negative regulator of LIF1 function. Intriguingly, CuRLR1 may play a role in signaling or function as a receptor for receiving Cuscuta signals or effectors to regulate lignification-based resistance. In summary, these four regulators control the lignin-based resistance response, preventing C. campestris from parasitizing these resistant tomatoes. This discovery provides a foundation for investigating multilayer resistance against Cuscuta species and has potential for application in other essential crops attacked by parasitic plants. One-sentence summary Four key regulators confer lignin accumulation in the tomato stem cortex to block C. campestris host penetration upon infection.

Abstract Prime editing (PE) is a recent adaptation of the CRISPR-Cas system that uses a Cas9(H840A)-reverse transcriptase (RT) fusion and a guide RNA (pegRNA) amended with template and primer binding site (PBS) sequences to achieve RNA-templated conversion of the target DNA, allowing specified substitutions, insertions, and deletions. In the first report of PE in plants, a variety of edits in rice and wheat were described, including insertions up to 15 bp. Several studies in rice quickly followed, but none reported a larger insertion. Here, we report easy-to-use vectors for PE in dicots and monocots, their validation in Nicotiana benthamiana , rice and Arabidopsis, and an insertion of 66 bp that enabled split-GFP fluorescent tagging.

Brain are complex biological tissues which function relies on coordinated anatomical and molecular structure comprised by a large number of specialized cells. The spatial architecture of brain which is key to the understanding of its physiological and pathological significance is formed during embryo development. However, the molecular basis for discrete neuroanatomical domains particularly in the context of spatial organization of the brain is inadequate. Here, we introduced microfluidic indexing based spatial ATAC and RNA sequencing (MISAR-seq), a method for joint profiling of chromatin accessibility and gene expression with spatial information retained in the developing mouse brain. Our study has established a direct means to spatially determine the coordination between chromatin accessibility and transcriptome, identified the chromatin potential to define cell fate determination of brain organization, and uncovered spatiotemporal regulatory principles during mammalian brain development.

Deep mutational scanning has emerged as a promising tool for mapping sequence-activity relationships in proteins, RNA and DNA. In this approach, diverse variants of a sequence of interest are first ranked according to their activities in a relevant pooled assay, and this ranking is then used to infer the shape of the fitness landscape around the wild-type sequence. Little is currently know, however, about the degree to which such fitness landscapes are dependent on the specific assay conditions from which they are inferred. To explore this issue, we performed deep mutational scanning of APH(3')II, a Tn5 transposon-derived kinase that confers resistance to aminoglycoside antibiotics, in E. coli under selection with each of six structurally diverse antibiotics at a range of inhibitory concentrations. We found that the resulting fitness landscapes showed significant dependence on both antibiotic structure and concentration. This shows that the notion of essential amino acid residues is context-dependent, but also that this dependence can be exploited to guide protein engineering. Specifically, we found that differential analysis of fitness landscapes allowed us to generate synthetic APH(3')II variants with orthogonal substrate specificities.

Human parainfluenza virus type 3 (hPIV3), a member of non-segmented, negative-strand RNA viruses (nsNSVs), is the second most common cause of severe respiratory disease in pediatrics. The transcription and replication processes of nsNSVs are catalyzed by a multi-functional RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) complex composed of the large protein (L) and the phosphoprotein (P). Previous studies have shown that the polymerase can adopt a dimeric form, however, the structure of the dimer and how it functions are not understood. Here we determined the cryo-EM structure of hPIV3 L-P complex at 2.7 Å with substantial structural details. A putative catalytic magnesium ion could be built in our structure, and structural comparison revealed atomic features conserved with other RNA viruses. Interactions identified between the two priming and intrusion loops and the connector domain potentially trigger the spatial movement of three C-terminal L domains for different steps of transcription and replication. Structural comparison with other nsNSV RdRps suggests common features of L-P binding. Furthermore, we report for the first time the structural basis of the L-L interaction in the partially modelled dimeric L-P structure, in which the connector domain of one L is positioned at the putative RNA template entry of the other L. Based on these findings, we propose a model by which L dimerization promotes efficient conversion of nascent RNA into a template.

Summary During mammalian embryogenesis, spatial regulation of gene expression and cell signaling are functionally coupled with lineage specification, patterning of tissue progenitors and germ layer morphogenesis. While the mouse model has been instrumental for our understanding of mammalian development, comparatively little is known about human and non-human primate gastrulation due to the restriction of both technical and ethical issues. Here, we present a morphological and molecular survey of spatiotemporal dynamics of cell types populating the non-human primate embryos during gastrulation. We performed serial sections of Cynomolgus monkeys ( Macaca fascicularis ) gastrulating embryos at 1-day temporal resolution from E17 to E21, and reconstructed three-dimensional digital models based on high-resolution anatomical atlas that revealed the dynamic changes in the geography of the mesoderm and primitive streaks. Spatial transcriptomics identified unique gene profiles that correspond to distinct germ layers and cross-species spatiotemporal transcriptome analysis revealed a developmental coordinate of germ layer segregation between mouse and primate. Furthermore, we identified species-specific transcription programs during gastrulation. These results offer important insights into evolutionarily conserved and divergent processes during mammalian gastrulation. Highlight A high-resolution anatomical atlas of Cynomolgus gastrulation embryos Created a three-dimensional digital template from serial sections of five developmental stages A two-dimensional spatiotemporal transcriptome of the germ layers of gastrulating embryos Cross-species comparison infers conservation of functional attributes of regulome and signaling activity in germ layer formation