Viruses must overcome diverse intracellular defense mechanisms to establish infection. The Vif (virion infectivity factor) protein of human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) acts by overcoming the antiviral activity of APOBEC3G (CEM15), a cytidine deaminase that induces G to A hypermutation in newly synthesized viral DNA. In the absence of Vif, APOBEC3G incorporation into virions renders HIV-1 non-infectious. We report here that Vif counteracts the antiviral activity of APOBEC3G by targeting it for destruction by the ubiquitin-proteasome pathway. Vif forms a complex with APOBEC3G and enhances APOBEC3G ubiquitination, resulting in reduced steady-state APOBEC3G levels and a decrease in protein half-life. Furthermore, Vif-dependent degradation of APOBEC3G is blocked by proteasome inhibitors or ubiquitin mutant K48R. A mutation of highly conserved cysteines or the deletion of a conserved SLQ(Y/F)LA motif in Vif results in mutants that fail to induce APOBEC3G degradation and produce non-infectious HIV-1; however, mutations of conserved phosphorylation sites in Vif that impair viral replication do not affect APOBEC3G degradation, suggesting that Vif is important for other functions in addition to inducing proteasomal degradation of APOBEC3G. Vif is monoubiquitinated in the absence of APOBEC3G but is polyubiquitinated and rapidly degraded when APOBEC3G is coexpressed, suggesting that coexpression accelerates the degradation of both proteins. These results suggest that Vif functions by targeting APOBEC3G for degradation via the ubiquitin-proteasome pathway and implicate the proteasome as a site of dynamic interplay between microbial and cellular defenses.

ABSTRACT The incomplete identification of structural variants (SVs) from whole-genome sequencing data limits studies of human genetic diversity and disease association. Here, we apply a suite of long-read, short-read, and strand-specific sequencing technologies, optical mapping, and variant discovery algorithms to comprehensively analyze three human parent–child trios to define the full spectrum of human genetic variation in a haplotype-resolved manner. We identify 818,054 indel variants (<50 bp) and 27,622 SVs (≥50 bp) per human genome. We also discover 156 inversions per genome—most of which previously escaped detection. Fifty-eight of the inversions we discovered intersect with the critical regions of recurrent microdeletion and microduplication syndromes. Taken together, our SV callsets represent a sevenfold increase in SV detection compared to most standard high-throughput sequencing studies, including those from the 1000 Genomes Project. The method and the dataset serve as a gold standard for the scientific community and we make specific recommendations for maximizing structural variation sensitivity for future large-scale genome sequencing studies.

Abstract Complex structural variants (CSVs) are genomic alterations that have more than two breakpoints and are considered as simultaneous occurrence of simple structural variants. However, detecting the compounded mutational signals of CSVs is challenging through a commonly used model-match strategy. As a result, there has been limited progress for CSV discovery compared with simple structural variants. We systematically analyzed the multi-breakpoint connection feature of CSVs, and proposed Mako, utilizing a bottom-up guided model-free strategy, to detect CSVs from paired-end short-read sequencing. Specifically, we implemented a graph-based pattern growth approach, where the graph depicts potential breakpoint connections and pattern growth enables CSV detection without predefined models. Comprehensive evaluations on both simulated and real datasets revealed that Mako outperformed other algorithms. Notably, validation rates of CSV on real data based on experimental and computational validations as well as manual inspections are around 70%, where the medians of experimental and computational breakpoint shift are 13bp and 26bp, respectively. Moreover, Mako CSV subgraph effectively characterized the breakpoint connections of a CSV event and uncovered a total of 15 CSV types, including two novel types of adjacent segments swap and tandem dispersed duplication. Further analysis of these CSVs also revealed impact of sequence homology in the formation of CSVs. Mako is publicly available at https://github.com/jiadong324/Mako .

ABSTRACT The processes by which tumors evolve are essential to the efficacy of treatment, but quantitative understanding of intratumoral dynamics has been limited. Although intratumoral heterogeneity is common, quantification of evolution is difficult from clinical samples because treatment replicates cannot be performed and because matched serial samples are infrequently available. To circumvent these problems we derived and assayed large sets of human triple-negative breast cancer xenografts and cell cultures from two patients, including 86 xenografts from cyclophosphamide, doxorubicin, cisplatin, docetaxel, or vehicle treatment cohorts as well as 45 related cell cultures. We assayed these samples via exome-seq and/or high-resolution droplet digital PCR, allowing us to distinguish complex therapy-induced selection and drift processes among endogenous cancer subclones with cellularity uncertainty <3%. For one patient, we discovered two predominant subclones that were granularly intermixed in all 48 co-derived xenograft samples. These two subclones exhibited differential chemotherapy sensitivity -- when xenografts were treated with cisplatin for 3 weeks, the post-treatment volume change was proportional to the post-treatment ratio of subclones on a xenograft-to-xenograft basis. A subsequent cohort in which xenografts were treated with cisplatin, allowed a drug holiday, then treated a second time continued to exhibit this proportionality. In contrast, xenografts from other treatment cohorts, spatially dissected xenograft fragments, and cell cultures evolved unsystematically but with substantial population bottlenecks. These results show that ecologies susceptible to successive retreatment can arise spontaneously in breast cancer in spite of a background of irregular subclonal bottlenecks, and our work provides to our knowledge the first quantification of the population genetics of such a system. Intriguingly, in such an ecology the ratio of common subclones is predictive of the state of treatment susceptibility, suggesting that this ratio can be measured to optimize dynamic treatment protocols in patients. AUTHOR SUMMARY An overarching challenge of cancer is that patients develop resistance to treatment -- an essentially evolutionary process. However, there is currently very little understanding of how tumor evolution can be exploited to improve treatment. One reason for this is that usually only 1-2 samples can be obtained per patient, so cancer evolutionary processes are still poorly understood. To solve this problem, we created many dozens of copies of the tumors from two breast cancer patients using xenografting and cell culture methods. We then compared the evolution in these tumor copies in response to different treatments, including four of the most common breast cancer chemotherapies. These studies present the most exhaustive comparisons of treatment-induced evolution that have yet been performed for individual cancer patients. Unexpectedly, high-resolution sequencing of these samples revealed a special dynamically treatable ecology in one tumor, in which tumor growth during platinum therapy was determined by the ecological balance of two tumor cell populations. Our work shows that ecologies that can be targeted by dynamic treatment strategies arise spontaneously in breast cancers. Population heterogeneity is common within cancers, and our work suggests how tracking of intratumoral evolution can be used to optimize treatment.

Long interspersed nuclear element 1 (LINE-1) is a primary source of genetic variation in humans and other mammals. Despite its importance, LINE-1 activity remains difficult to study because of its highly repetitive nature. Here, we developed and validated a method called TeXP to gauge LINE-1 activity accurately. TeXP builds mappability signatures from LINE-1 subfamilies to deconvolve the effect of pervasive transcription from autonomous LINE-1 activity. In particular, it apportions the multiple reads aligned to the many LINE-1 instances in the genome into these two categories. Using our method, we evaluated well-established cell lines, cell-line compartments and healthy tissues and found that the vast majority (91.7%) of transcriptome reads overlapping LINE-1 derive from pervasive transcription. We validated TeXP by independently estimating the levels of LINE-1 autonomous transcription using ddPCR, finding high concordance. Next, we applied our method to comprehensively measure LINE-1 activity across healthy somatic cells, while backing out the effect of pervasive transcription. Unexpectedly, we found that LINE-1 activity is present in many normal somatic cells. This finding contrasts with earlier studies showing that LINE-1 has limited activity in healthy somatic tissues, except for neuroprogenitor cells. Interestingly, we found that the amount of LINE-1 activity was associated with the with the amount of cell turnover, with tissues with low cell turnover rates (e.g. the adult central nervous system) showing lower LINE-1 activity. Altogether, our results show how accounting for pervasive transcription is critical to accurately quantify the activity of highly repetitive regions of the human genome.

Abstract The widespread prevalence of Helicobacter pylori ( H. pylori ) infection remains a great challenge to the human health. The existing vaccines are not ideal for preventing H. pylori infection; thus, exploring highly effective adjuvants may improve the immunoprotective efficacy of H. pylori vaccines. In a previous study, we found that outer membrane vesicles (OMVs), a type of nanoscale particle spontaneously produced by Gram-negative bacteria, could act as adjuvants to boost the immune response to vaccine antigens. In the present study, we explored the potential application of OMVs as delivery vectors for adjuvant development. We constructed recombinant OMVs containing cytokines interleukin 17A or interferon-γ and evaluated their function as adjuvants in combination with inactivated whole-cell vaccine (WCV) or UreB as vaccine antigens. Our results showed that recombinant OMVs as adjuvants could induce stronger humoral and mucosal immune responses in mice than wild-type H. pylori OMVs and the cholera toxin (CT) adjuvant. Additionally, the recombinant OMVs significantly promoted Th1/Th2/Th17-type immune responses. Furthermore, the recombinant OMV adjuvant induced more potent clearance of H. pylori than CT and wild-type OMVs. Our data suggest that the recombinant OMVs coupled with cytokines may become potent adjuvants for development of novel and effective vaccines against H. pylori infection. Importance Helicobacter pylori ( H. pylori ) is one of the important risk factors for gastric cancer, and its vaccine is crucial for its prevention and control. However, to date, no effective vaccine has been approved. Exploring novel and effective vaccine adjuvants may provide new perspectives and ideas for the development of H. pylori vaccines. Outer membrane vesicles (OMVs) deserve more attention as a novel form of vaccine and adjuvant. We have long focused on OMVs as vaccine adjuvants to enhance efficacy by delivering eukaryotic plasmid expressing immune promoting cytokines in wild-type OMVs. Our results are expected to provide a new adjuvant form for the development of H. pylori vaccine, and this adjuvant design strategy can also be used in the development of vaccines for other types of pathogens, including bacteria and even viruses.