Abstract The ring-shaped structural-maintenance-of-chromosomes (SMC) complexes condensin and cohesin extrude loops of DNA as a key motif in chromosome organization. It remains, how ever, unclear how these SMC motor proteins can extrude DNA loops in chromatin that is bound with proteins. Here, using in vitro single-molecule visualization, we show that nucleosomes, RNA polymerase, and dCas9 pose virtually no barrier to DNA loop extrusion by yeast condensin. Strikingly, we find that even DNA-bound nanoparticles as large as 200 nm, much bigger than the SMC ring size, can be translocated into DNA loops during condensin-driven extrusion. Similarly, human cohesin can pass 200 nm particles during loop extrusion, which even occurs for a single-chain version of cohesin in which the ring-forming subunits are covalently linked and cannot open up to entrap DNA. These findings disqualify all common loop-extrusion models where DNA passes through the SMC rings (pseudo)topologically, and instead point to a nontopological mechanism for DNA loop extrusion. One-sentence summary Huge DNA-bound roadblocks can be incorporated into SMC-extruded DNA loops, pointing to a nontopological mechanism for loop extrusion.

Abstract Cohesin is a key protein complex that organizes the spatial structure of chromosomes during interphase. Here, we show that yeast cohesin shows pronounced clustering on DNA in an ATP-independent manner, exhibiting all the hallmarks of phase separation. In vitro visualization of cohesin on DNA shows DNA-cohesin clusters that exhibit liquid-like behavior. This includes mutual fusion and reversible dissociation upon depleting the cohesin concentration, increasing the ionic strength, or adding 1,6-hexanediol, conditions that disrupt weak interactions. We discuss how bridging-induced phase separation can explain the DNA-cohesin clustering through DNA-cohesin-DNA bridges. We confirm that, in vivo, a fraction of cohesin associates with chromatin in yeast cells in a manner consistent with phase separation. Our findings establish that SMC proteins can exhibit phase separation, which has potential to clarify previously unexplained aspects of in vivo SMC behavior and constitute an additional principle by which SMC complexes impact genome organization. One sentence summary Yeast cohesin complex is observed to phase separate with DNA into liquid droplets, which it accomplishes by ATP-independent DNA bridging.

Abstract Condensin, a structural maintenance of chromosomes (SMC) complex, has been shown to be a molecular motor protein that organizes chromosomes by extruding loops of DNA. In cells, such loop extrusion is challenged by many potential conflicts, e.g., the torsional stresses that are generated by other DNA-processing enzymes. It has so far remained unclear how DNA supercoiling affects loop extrusion. Here, we use time-lapse single-molecule imaging to study condensin-driven DNA loop extrusion on supercoiled DNA. We find that condensin binding and DNA looping is stimulated by positive supercoiled DNA where it preferentially binds near the tips of supercoiled plectonemes. Upon loop extrusion, condensin collects all nearby plectonemes into a single supercoiled loop that is highly stable. Atomic force microscopy imaging shows that condensin generates supercoils in the presence of ATP. Our findings provide insight into the topology-regulated loading and formation of supercoiled loops by SMC complexes and clarify the interplay of loop extrusion and supercoiling.

Abstract Rapid eye movement (REM) sleep behaviour disorder (RBD) is a rare parasomnia that may predict the later occurrence of alpha-synucleinopathies. Variants in the gene encoding for the lysosomal enzyme glucocerebrosidase, GBA, strongly increase the risk of RBD. In a GBA1-mouse model recently shown to mimic prodromal stages of α-synucleinopathy, we now demonstrate striking REM and NREM sleep abnormalities accompanied by distinct structural changes in the more widespread sleep neurocircuitry.

Abstract MRI data can be used as input to machine learning models to accurately predict brain age in healthy human subjects. A large difference between predicted and chronological brain age (the so-called BrainAGE score) has been associated with disease and neurodegeneration, indicating the potential utility of neuroimaging-based ageing biomarkers. So far, most brain age prediction studies have been carried out on humans. However, it is important for such a biomarker to be validated on laboratory animals too, in order to better account for specific environmental or genetic factors within a more controlled laboratory framework. In this work, we developed a new algorithm for rat brain age prediction based on the combination of Gaussian process regression and a logistic regression classifier. The algorithm was trained on a cohort of 31 normal rats. High prediction accuracy was achieved using leave-one-out cross-validation (mean absolute error = 4.87 weeks, correlation between predicted and chronological age r = 0.92), supporting the validity and potential of the method. Furthermore, the trained model was tested on two independent groups of 24 rats each: a new normal control group and a “healthy lifestyle” group that underwent long-term environmental enrichment and dietary restriction (EEDR) between 3 and 17 months of age. After fitting a linear mixed-effects model, the BrainAGE values were found to increase more slowly with chronological age in the EEDR group than in the controls (slope = 0.52 vs. 0.61; p = 0.015 for the interaction term). When survival analysis was performed with a Cox regression model, the BrainAGE score at 5 months of age had a significant prediction power ( p = 0.03). Our results demonstrate that BrainAGE, as computed by the proposed approach, is significantly modulated by EEDR intervention, hence it is a sensitive marker of biological ageing. These findings also support the potential of lifestyle-related prevention approaches to slow down the brain ageing process. Moreover, the results of the survival analysis further demonstrate that BrainAGE is indeed a predictor of ageing outcome.

Abstract It is widely assumed that our actions shape our brains and that the resulting connections determine who we are. To test this idea in a reductionist setting, in which genes and environment are controlled, we investigated differences in neuroanatomy and structural covariance by ex vivo structural magnetic resonance imaging (MRI) in mice whose behavioral activity was continuously tracked for 3 months in a large, enriched environment. We confirmed that environmental enrichment increases mouse hippocampal volumes. Stratifying the enriched group according to individual longitudinal behavioral trajectories, however, revealed striking differences in mouse brain structural covariance in continuously highly active mice compared to those whose trajectories showed signs of habituating activity. Network-based statistics identified distinct sub-networks of murine structural covariance underlying these differences in behavioral activity. Together, these results reveal that differentiated behavioral trajectories of mice in an enriched environment are associated with differences in brain connectivity.

Abstract COVID-19, caused by SARS-CoV-2, is associated with arterial and venous thrombosis, thereby increasing mortality. SARS-CoV-2 spike protein (SP), a viral envelope structural protein, is implicated in COVID-19-associated thrombosis. However, the underlying mechanisms remain unknown. Thymidine phosphorylase (TYMP), a newly identified prothrombotic protein, is upregulated in the plasma, platelets, and lungs of patients with COVID-19 but its role in COVID-19-associated thrombosis is not defined. In this study, we found that wild-type SARS-CoV-2 SP significantly promoted arterial thrombosis in K18-hACE2 TG mice. SP-accelerated thrombosis was attenuated by inhibition or genetic ablation of TYMP. SP increased the expression of TYMP, resulting in the activation of signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) in BEAS-2B cells, a human bronchial epithelial cell line. A siRNA-mediated knockdown of TYMP inhibited SP-enhanced activation of STAT3. Platelets derived from SP-treated K18-hACE2 TG mice also showed increased STAT3 activation, which was reduced by TYMP deficiency. Activated STAT3 is known to potentiate glycoprotein VI signaling in platelets. While SP did not influence ADP- or collagen-induced platelet aggregation, it significantly shortened activated partial thromboplastin time and this change was reversed by TYMP knockout. Additionally, platelet factor 4 (PF4) interacts with SP, which also complexes with TYMP. TYMP enhanced the formation of the SP/PF4 complex, which may potentially augment the prothrombotic and procoagulant effects of PF4. We conclude that SP upregulates TYMP expression, and TYMP inhibition or knockout mitigates SP-enhanced thrombosis. These findings indicate that inhibition of TYMP may be a novel therapeutic strategy for COVID-19-associated thrombosis. Key Points SARS-CoV-2 spike protein, thymidine phosphorylase, and platelet factor 4 form a complex that may promote clot formation. Inhibiting thymidine phosphorylase attenuates SARS-CoV-2 spike protein-enhanced thrombosis, platelet activation, and coagulation.

Abstract Background Ontologies of precisely defined, controlled vocabularies are essential to curate the results of biological experiments such that the data are machine searchable, can be computationally analyzed, and are interoperable across the biomedical research continuum. There is also an increasing need for methods to interrelate phenotypic data easily and accurately from experiments in animal models with human development and disease. Results Here we present the Xenopus Phenotype Ontology (XPO) to annotate phenotypic data from experiments in Xenopus , one of the major vertebrate model organisms used to study gene function in development and disease. The XPO implements design patterns from the Unified Phenotype Ontology (uPheno), and the principles outlined by the Open Biological and Biomedical Ontologies (OBO Foundry) to maximize interoperability with other species and facilitate ongoing ontology management. Constructed in Web Ontology Language (OWL) the XPO combines the existing uPheno library of ontology design patterns with additional terms from the Xenopus Anatomy Ontology (XAO), the Phenotype and Trait Ontology (PATO) and the Gene Ontology (GO). The integration of these different ontologies into the XPO enables rich phenotypic curation, whilst the uPheno bridging axioms allows phenotypic data from Xenopus experiments to be related to phenotype data from other model organisms and human disease. Moreover, the simple post-composed uPheno design patterns facilitate ongoing XPO development as the generation of new terms and classes of terms can be substantially automated. Conclusions The XPO serves as an example of current best practices to help overcome many of the inherent challenges in harmonizing phenotype data between different species. The XPO currently consists of approximately 22,000 terms and is being used to curate phenotypes by Xenbase, the Xenopus Model Organism Knowledgebase, forming a standardized corpus of genotype-phenotype data that can be directly related to other uPheno compliant resources.

High throughput DNA sequencing technologies have undergone tremendous development over the past decade. Although optical detection-based sequencing has constituted the majority of data output, it requires a large capital investment and aggregation of samples to achieve optimal cost per sample. We have developed a novel electronic detection-based platform capable of accurately detecting single base incorporations. The GenapSys technology with its electronic detection modality allows the system to be compact, accessible, and affordable. We demonstrate the performance of the system by sequencing several different microbial genomes with varying GC content. The platform is capable of generating 1.5 Gb of high-quality nucleic acid sequence in a single run. We routinely generate sequence data that exceeds 99% raw accuracy with read lengths of up to 175 bp. The utility of the platform is highlighted by targeted sequencing of the human genome. We show high concordance of SNP detection on the human NA12878 HapMap cell line with data generated on the Illumina sequencing platform. In addition, we sequenced a targeted panel of cancer-associated genes in a well characterized reference standard. With multiple library preparation approaches on this sample, we were able to identify low frequency mutations at expected allele frequencies.

Condensin, a key member of the Structure Maintenance of Chromosome (SMC) protein complexes, has recently been shown to be a motor that extrudes loops of DNA. It remains unclear, however, how condensin complexes work together to collectively package DNA into the chromosomal architecture. Here, we use time-lapse single-molecule visualization to study mutual interactions between two DNA-loop-extruding yeast condensins. We find that these one-side-pulling motor proteins are able to dynamically change each other's DNA loop sizes, even when located large distances apart. When coming into close proximity upon forming a loop within a loop, condensin complexes are, surprisingly, able to traverse each other and form a new type of loop structure, which we term Z loop, three double-stranded DNA helices aligned in parallel with one condensin at each edge. These Z-loops can fill gaps left by single loops and can form symmetric dimer motors that reel in DNA from both sides. These new findings indicate that condensin may achieve chromosomal compaction using a variety of looping structures.