Genomic surveillance of monkeypox virus (MPXV) during the 2022 outbreak has been mainly focused on single nucleotide polymorphism (SNP) changes. DNA viruses, including MPXV, have a lower SNP mutation rate than RNA viruses due to higher fidelity replication machinery. We identified a large genomic rearrangement in a MPXV sequence from a 2022 case in the state of Minnesota (MN), USA, from an abnormal, uneven MPXV read mapping coverage profile in whole-genome sequencing (WGS) data. We further screened WGS data of 206 U.S. MPXV samples and found seven (3.4 percent) sequenced genomes contained similar abnormal read coverage profiles that suggested putative large deletions or genomic rearrangements. Here, we present three MPXV genomes containing deletions ranging from 2.3 to 15 kb and four genomes containing more complex rearrangements. Five genomic changes were each only seen in one sample, but two sequences from linked cases shared an identical 2.3 kb deletion in the 3’ terminal region. All samples were positive using VAC1 and Clade II (formerly West African)-specific MPXV diagnostic tests; however, large deletions and genomic rearrangements like the ones reported here have the potential to result in viruses in which the target of a PCR diagnostic test is deleted. The emergence of genomic rearrangements during the outbreak may have public health implications and highlight the importance of continued genomic surveillance.

Abstract Three-dimensional (3D) chromatin organization maps help to dissect cell type-specific gene regulatory programs. Furthermore, 3D chromatin maps have contributed to elucidating the pathogenesis of complex genetic diseases by connecting distal regulatory regions and genetic risk variants to their respective target genes. To understand the cell type-specific regulatory architecture of diabetes risk, we generated transcriptomic and 3D epigenomic profiles of human pancreatic acinar, alpha, and beta cells using single-cell RNA-seq, single-cell ATAC-seq, and high-resolution Hi-C of sorted cells. Comparisons of these profiles revealed differential A/B (open/closed) chromatin compartmentalization, chromatin looping, and transcriptional factor mediated control of cell type-specific gene regulatory programs. We identified a total of 4,750 putative causal-variant-target-gene pairs at 194 type 2 diabetes GWAS signals using pancreatic 3D chromatin maps. We found that the connections between candidate causal variants and their putative target effector genes are cell-type stratified and emphasize previously underappreciated roles for alpha and acinar cells in diabetes pathogenesis.

ABSTRACT Since the first case of COVID-19 in December 2019 in Wuhan, China, SARS-CoV-2 has spread worldwide and within a year has caused 2.29 million deaths globally. With dramatically increasing infection numbers, and the arrival of new variants with increased infectivity, tracking the evolution of its genome is crucial for effectively controlling the pandemic and informing vaccine platform development. Our study explores evolution of SARS-CoV-2 in a representative cohort of sequences covering the entire genome in the United States, through all of 2020 and early 2021. Strikingly, we detected many accumulating Single Nucleotide Variations (SNVs) encoding amino acid changes in the SARS-CoV-2 genome, with a pattern indicative of RNA editing enzymes as major mutators of SARS-CoV-2 genomes. We report three major variants through October of 2020. These revealed 14 key mutations that were found in various combinations among 14 distinct predominant signatures. These signatures likely represent evolutionary lineages of SARS-CoV-2 in the U.S. and reveal clues to its evolution such as a mutational burst in the summer of 2020 likely leading to a homegrown new variant, and a trend towards higher mutational load among viral isolates, but with occasional mutation loss. The last quartile of 2020 revealed a concerning accumulation of mostly novel low frequency replacement mutations in the Spike protein, and a hypermutable glutamine residue near the putative furin cleavage site. Finally, the end of the year data revealed the presence of known variants of concern including B.1.1.7, which has acquired additional Spike mutations. Overall, our results suggest that predominant viral sequences are dynamically evolving over time, with periods of mutational bursts and unabated mutation accumulation. This high level of existing variation, even at low frequencies and especially in the Spike-encoding region may be become problematic when superspreader events, akin to serial Founder Events in evolution, drive these rare mutations to prominence. AUTHOR SUMMARY The pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), caused by the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has caused the death of more than 2.29 million people and continues to be a severe threat internationally. Although simple measures such as social distancing, periodic lockdowns and hygiene protocols were immediately put into force, the infection rates were only temporarily minimized. When infection rates exploded again new variants of the virus began to emerge. Our study focuses on a representative set of sequences from the United States throughout 2020 and early 2021. We show that the driving force behind the variants of public health concern, is widespread infection and superspreader events. In particular, we show accumulation of mutations over time with little loss from genetic drift, including in the Spike region, which could be problematic for vaccines and therapies. This lurking accumulated genetic variation may be a superspreader event from becoming more common and lead to variants that can escape the immune protection provided by the existing vaccines.

Abstract Histone deacetylase 2 (HDAC2) is a major HDAC protein in the adult brain and has been shown to regulate many neuronal genes. Aberrant expression of HDAC2 and subsequent dysregulation of neuronal gene expression is implicated in neurodegeneration and brain aging. Human induced pluripotent stem cell-derived neurons (hiPSC-Ns) are widely used models for studying neurodegenerative disease mechanisms, but the role of HDAC2 in hiPSC-N differentiation and maturation has not been explored. In this study, we show that levels of HDAC2 progressively decrease as hiPSCs are differentiated towards neurons. This suppression of HDAC2 inversely corresponds to an increase in neuron-specific isoforms of Endophilin-B1, a multifunctional protein involved in mitochondrial dynamics. Expression of neuron-specific isoforms of Endophilin-B1 is accompanied by concomitant expression of a neuron-specific alternative splicing factor, SRRM4. Manipulation of HDAC2 and Endophilin-B1 using lentiviral approaches shows that knock-down of HDAC2 or overexpression of a neuron-specific Endophilin-B1 isoform promotes mitochondrial elongation and protects against cytotoxic stress in hiPSC-Ns, while HDAC2 knock-down specifically influences genes regulating mitochondrial dynamics and synaptogenesis. Furthermore, HDAC2 knock-down promotes enhanced mitochondrial respiration and reduces levels of neurotoxic amyloid beta peptides. Collectively, our study demonstrates a role for HDAC2 in hiPSC-neuronal differentiation, highlights neuron-specific isoforms of Endophilin-B1 as a marker of differentiating hiPSC-Ns, and demonstrates that HDAC2 regulates key neuronal and mitochondrial pathways in hiPSC-Ns.

Summary Zika virus (ZIKV) is a mosquito-borne flavivirus that caused an epidemic in the Americas in 2016 and is linked to severe neonatal birth defects, including microcephaly and spontaneous abortion. To better understand the host response to ZIKV infection, we adapted the 10x Genomics Chromium single cell RNA sequencing (scRNA-seq) assay to simultaneously capture viral RNA and host mRNA. Using this assay, we profiled the antiviral landscape in a population of human moDCs infected with ZIKV at the single cell level. The bystander cells, which lacked detectable viral RNA, expressed an antiviral state that was enriched for genes coinciding predominantly with a type I interferon (IFN) response. Within the infected cells, viral RNA negatively correlated with type I IFN dependent and independent genes (antiviral module). We modeled the ZIKV specific antiviral state at the protein level leveraging experimentally derived protein-interaction data. We identified a highly interconnected network between the antiviral module and other host proteins. In this work, we propose a new paradigm for evaluating the antiviral response to a specific virus, combining an unbiased list of genes that highly correlate with viral RNA on a per cell basis with experimental protein interaction data. Our ZIKV-inclusive scRNA-seq assay will serve as a useful tool to gaining greater insight into the host response to ZIKV and can be applied more broadly to the flavivirus field.

Abstract During formation of the mammalian placenta trophoblasts invade the maternal decidua and remodel spiral arteries to bring maternal blood into the placenta. This process, known as endovascular invasion, is thought to involve the adoption of functional characteristics of vascular endothelial cells (ECs) by trophoblasts through a process termed vascular mimicry. The genetic and molecular basis of vascular mimicry remains poorly defined, however, and whether trophoblasts utilize specialized endothelial proteins in an analogous manner to create vascular channels remains untested. Vascular endothelial (VE-)cadherin is a homotypic adhesion protein that is expressed selectively by ECs in which it enables formation of tight vessels and regulation of EC junctions. VE-cadherin is also expressed in invasive trophoblasts and is a prime candidate for a molecular mechanism of vascular mimicry by those cells. Here, we show that the VE-cadherin is required for trophoblast migration and endovascular invasion into the maternal decidua in the mouse. VE-cadherin deficiency results in loss of spiral artery remodeling that leads to decreased flow of maternal blood into the placenta, fetal growth restriction, and death. These studies identify a non-endothelial role for VE-cadherin in trophoblasts during placental development and suggest that endothelial proteins may play functionally unique roles in trophoblasts that do not simply mimic those in ECs.

Low-complexity protein domains promote the formation of various biomolecular condensates. However, in many cases, the precise sequence features governing condensate formation and identity remain unclear. Here, we investigate the role of intrinsically disordered mixed-charge domains (MCDs) in nuclear speckle condensation. Proteins composed exclusively of arginine/aspartic-acid dipeptide repeats undergo length-dependent condensation and speckle incorporation. Substituting arginine with lysine in synthetic and natural speckle-associated MCDs abolishes these activities, identifying a key role for multivalent contacts through arginine's guanidinium ion. MCDs can synergise with a speckle-associated RNA recognition motif to promote speckle specificity and residence. MCD behaviour is tuneable through net-charge: increasing negative charge abolishes condensation and speckle incorporation. By contrast, increasing positive charge through arginine leads to enhanced condensation, speckle enlargement, decreased splicing factor mobility, and defective mRNA export. Together, these results identify key sequence determinants of MCD-promoted speckle condensation, and link the speckle's dynamic material properties with function in mRNA processing.