Summary

 Secreted Wnt proteins play essential roles in many biological processes during development and diseases. However, little is known about the mechanism(s) controlling Wnt secretion. Recent studies have identified Wntless (Wls) and the retromer complex as essential components involved in Wnt signaling. While Wls has been shown to be essential for Wnt secretion, the function(s) of the retromer complex in Wnt signaling is unknown. Here, we have examined a role of Vps35, an essential retromer subunit, in Wnt signaling in Drosophila and mammalian cells. We provide compelling evidence that the retromer complex is required for Wnt secretion. Importantly, Vps35 colocalizes in endosomes and interacts with Wls. Wls becomes unstable in the absence of retromer activity. Our findings link Wls and retromer functions in the same conserved Wnt secretion pathway. We propose that retromer influences Wnt secretion by recycling Wntless from endosomes to the trans-Golgi network (TGN).

Abstract Many detection methods have been used or reported for the diagnosis and/or surveillance of COVID-19. Among them, reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) is the most commonly used because of its high sensitivity, typically claiming detection of about 5 copies of viruses. However, it has been reported that only 47-59% of the positive cases were identified by some RT-PCR methods, probably due to low viral load, timing of sampling, degradation of virus RNA in the sampling process, or possible mutations spanning the primer binding sites. Therefore, alternative and highly sensitive methods are imperative. With the goal of improving sensitivity and accommodating various application settings, we developed a multiplex-PCR-based method comprised of 343 pairs of specific primers, and demonstrated its efficiency to detect SARS-CoV-2 at low copy numbers. The assay produced clean characteristic target peaks of defined sizes, which allowed for direct identification of positives by electrophoresis. We further amplified the entire SARS-CoV-2 genome from 8 to half a million viral copies purified from 13 COVID-19 positive specimens, and detected mutations through next generation sequencing. Finally, we developed a multiplex-PCR-based metagenomic method in parallel, that required modest sequencing depth for uncovering SARS-CoV-2 mutational diversity and potentially novel or emerging isolates.

Abstract Post-zygotic mutations incurred during DNA replication, DNA repair, and other cellular processes lead to somatic mosaicism. Somatic mosaicism is an established cause of various diseases, including cancers. However, detecting mosaic variants in DNA from non-cancerous somatic tissues poses significant challenges, particularly if the variants only are present in a small fraction of cells. Here, the Brain Somatic Mosaicism Network conducted a coordinated, multi-institutional study to: (i) examine the ability of existing methods to detect simulated somatic single nucleotide variants (SNVs) in DNA mixing experiments; (ii) generate multiple replicates of whole genome sequencing data from the dorsolateral prefrontal cortex, other brain regions, dura mater, and dural fibroblasts of a single neurotypical individual; (iii) devise strategies to discover somatic SNVs; and (iv) apply various approaches to validate somatic SNVs. These efforts led to the identification of 43 bona fide somatic SNVs that ranged in variant allele fractions from ~0.005 to ~0.28. Guided by these results, we devised best practices for calling mosaic SNVs from 250X whole genome sequencing data in the accessible portion of the human genome that achieve 90% specificity and sensitivity. Finally, we demonstrated that analysis of multiple bulk DNA samples from a single individual allows the reconstruction of early developmental cell lineage trees. Thus, this study provides a unified set of best practices to detect somatic SNVs in non-cancerous tissues. The data and methods are freely available to the scientific community and should serve as a guide to assess the contributions of somatic SNVs to neuropsychiatric diseases.

ABSTRACT We have developed a generally applicable method based on CRISPR/Cas9-targeted ultra-long read sequencing (CTLR-Seq) to completely and haplotype-specifically resolve, at base-pair resolution, large, complex, and highly repetitive genomic regions that had been previously impenetrable to next-generation sequencing analysis such as large segmental duplication (SegDup) regions and their associated genome rearrangements that stretch hundreds of kilobases. Our method combines in vitro Cas9-mediated cutting of the genome and pulse-field gel electrophoresis to haplotype-specifically isolate intact large (200-550 kb) target regions that encompass previously unresolvable genomic sequences. These target fragments are then sequenced (amplification-free) to produce ultra-long reads at up to 40x on-target coverage using Oxford nanopore technology, allowing for the complete assembly of the complex genomic regions of interest at single base-pair resolution. We applied CTLR-Seq to resolve the exact sequence of SegDup rearrangements that constitute the boundary regions of the 22q11.2 deletion CNV and of the 16p11.2 deletion and duplication CNVs. These CNVs are among the strongest known risk factors for schizophrenia and autism. We then perform de novo assembly to resolve, for the first time, at single base-pair resolution, the sequence rearrangements of the 22q11.2 and 16p11.2 CNVs, mapping out exactly the genes and non-coding regions that are affected by the CNV for different carriers.

ABSTRACT Melanogenesis (melanin pigment production) in melanocytes is canonically stimulated by the alpha-melanocyte stimulating hormone (αMSH), which activates the cyclic-AMP-mediated expression of the melanocyte inducing transcription factor (MITF) and its downstream melanogenic genes, including the principal rate-limiting melanogenic enzyme tyrosinase (Tyr). Here we report that interferon-gamma (IFNG; type II interferon), but not IFN-alpha (a type I interferon), induces a noncanonical melanogenic pathway. Inhibition of IFNG pathway by the JAK inhibitor ruxolitinib or knocking out Stat1 abrogated the IFNG-induced melanogenesis. Interestingly, IFNG-induced melanogenesis was independent of MITF. IFNG markedly increased the Tyr protein expression but did not affect the mRNA expression, suggesting a post-translational regulatory mechanism. In contrast, IFNG had no effect on the expression of other melanogenesis-related proteins, e.g. tyrosinase-related protein 1 (Tyrp1) and dopachrome tautomerase (Dct). Glycosidase digestion assays revealed that IFNG treatment increased the mature glycosylated form of Tyr, but not its de novo synthesis. Moreover, cycloheximide chase assay showed that degradation of Tyr was decreased in IFNG-treated cells. These results suggest that the IFNG-STAT1 pathway regulates melanogenesis via modulation of the post-translational processing and protein stability of Tyr. SIGNIFICANCE The canonical pathway that controls melanogenesis in melanocytes is activated by the alpha melanocyte stimulating hormone (αMSH) via its receptor MC1R, which activates the cyclic-AMP-mediated expression of the melanocyte master regulator MITF and its downstream target genes involved in the melanogenic process. Here we report a novel non-canonical melanogenic pathway that is mediated via the Interferon-gamma cytokine signaling. We show that this non-canonical pathway is independent of MITF-mediated gene expression, but rather functions via post-translational modification of the principal melanogenic enzyme Tyrosinase.

SUMMARY Interferon-gamma (IFNG) has long been regarded as the flag-bearer for the anti-cancer immunosurveillance mechanisms. However, relatively recent studies have suggested a dual role of IFNG, albeit there is no direct experimental evidence for its potential pro-tumor functions. Here we provide in vivo evidence that treatment of mouse melanoma cell lines with physiological levels of Ifng enhances their tumorigenicity and metastasis in lung colonization allograft assays performed in immunocompetent syngeneic host mice, but not in immunocompromised host mice. We also show that this enhancement is dependent on downstream signaling via Stat1 but not Stat3, providing evidence of an oncogenic function of Stat1 in melanoma. The experimental results suggest that melanoma cell-specific Ifng signaling modulates the tumor microenvironment and its pro-tumorigenic effects are dependent on the γδ T cells, as Ifng-enhanced tumorigenesis was inhibited in the TCR-δ knockout mice. Overall, these results show that Ifng signaling may have tumor-promoting effects in melanoma by modulating the immune cell composition of the tumor microenvironment.

ABSTRACT Due to anatomical and physiological similarities to humans, the common marmoset ( Callithrix jacchus ) is an ideal organism for the study human diseases. Researchers are currently leveraging genome-editing technologies such as CRISPR/Cas9 to genetically engineer marmosets for the in vivo biomedical modeling of human neuropsychiatric and neurodegenerative diseases. The genome characterization of these cell lines greatly reinforces these transgenic efforts. It also provides the genomic contexts required for the accurate interpretation of functional genomics data. We performed haplotype-resolved whole-genome characterization for marmoset ESC line cj367 from the Wisconsin National Primate Research Center. This is the first haplotype-resolved analysis of a marmoset genome and the first whole-genome characterization of any marmoset ESC line. We identified and phased single-nucleotide variants (SNVs) and Indels across the genome. By leveraging this haplotype information, we then compiled a list of cj367 ESC allele-specific CRISPR targeting sites. Furthermore, we demonstrated successful Cas9 Endonuclease Dead (dCas9) expression and targeted localization in cj367 as well as sustained pluripotency after dCas9 transfection by teratoma assay. Lastly, we show that these ESCs can be directly induced into functional neurons in a rapid, single-step process. Our study provides a valuable set of genomic resources for primate transgenics in this post-genome era.

The effects of transposable elements, such as LINE-1, on host fitness are still poorly understood. Our analysis of the site frequency spectrum of LINE-1s and SNPs within LINE1s in human genomes shows that selection coefficients are higher for full-length than for fragment LINE-1s and on full-length LINE-1s, SNPs are significantly depleted on ORFs and non-synonymous sites within ORFs. These results suggest that host-level selection maintains transposition competent LINE-1s.

Background: CNV analysis is an integral component to the study of human genomes in both research and clinical settings. Array-based CNV analysis is the current first-tier approach in clinical cytogenetics. Decreasing costs in high-throughput sequencing and cloud computing have opened doors for the development of sequencing-based CNV analysis pipelines with fast turnaround times. We carry out a systematic and quantitative comparative analysis for several low-coverage whole-genome sequencing (WGS) strategies to detect CNV in the human genome. Methods: We compared the CNV detection capabilities of WGS strategies (short-insert, 3kb-, and 5kb-insert mate-pair) each at 1x, 3x, and 5x coverages relative to each other and to 17 currently used high-density oligonucleotide arrays. For benchmarking, we used a set of Gold Standard (GS) CNVs generated for the 1000-Genomes-Project CEU subject NA12878. Results: Overall, low-coverage WGS strategies detect drastically more GS CNVs compared to arrays and are accompanied with smaller percentages of CNV calls without validation. Furthermore, we show that WGS (at ≥1x coverage) is able to detect all seven GS deletion-CNVs >100 kb in NA12878 whereas only one is detected by most arrays. Lastly, we show that the much larger 15 Mbp Cri-du-chat deletion can be readily detected with short-insert paired-end WGS at even just 1x coverage. Conclusions: CNV analysis using low-coverage WGS is efficient and outperforms the array-based analysis that is currently used for clinical cytogenetics.