Summary

 Vessel sprouting by migrating tip and proliferating stalk endothelial cells (ECs) is controlled by genetic signals (such as Notch), but it is unknown whether metabolism also regulates this process. Here, we show that ECs relied on glycolysis rather than on oxidative phosphorylation for ATP production and that loss of the glycolytic activator PFKFB3 in ECs impaired vessel formation. Mechanistically, PFKFB3 not only regulated EC proliferation but also controlled the formation of filopodia/lamellipodia and directional migration, in part by compartmentalizing with F-actin in motile protrusions. Mosaic in vitro and in vivo sprouting assays further revealed that PFKFB3 overexpression overruled the pro-stalk activity of Notch, whereas PFKFB3 deficiency impaired tip cell formation upon Notch blockade, implying that glycolysis regulates vessel branching.

Strategies targeting pathological angiogenesis have focused primarily on blocking vascular endothelial growth factor (VEGF), but resistance and insufficient efficacy limit their success, mandating alternative antiangiogenic strategies. We recently provided genetic evidence that the glycolytic activator phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase 3 (PFKFB3) promotes vessel formation but did not explore the antiangiogenic therapeutic potential of PFKFB3 blockade. Here, we show that blockade of PFKFB3 by the small molecule 3-(3-pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one (3PO) reduced vessel sprouting in endothelial cell (EC) spheroids, zebrafish embryos, and the postnatal mouse retina by inhibiting EC proliferation and migration. 3PO also suppressed vascular hyperbranching induced by inhibition of Notch or VEGF receptor 1 (VEGFR1) and amplified the antiangiogenic effect of VEGF blockade. Although 3PO reduced glycolysis only partially and transiently in vivo, this sufficed to decrease pathological neovascularization in ocular and inflammatory models. These insights may offer therapeutic antiangiogenic opportunities.

Chloroquine (CQ) has been evaluated as an autophagy blocker for cancer treatment, but it is unknown if it acts solely by inhibiting cancer cell autophagy. We report that CQ reduced tumor growth but improved the tumor milieu. By normalizing tumor vessel structure and function and increasing perfusion, CQ reduced hypoxia, cancer cell invasion, and metastasis, while improving chemotherapy delivery and response. Inhibiting autophagy in cancer cells or endothelial cells (ECs) failed to induce such effects. CQ’s vessel normalization activity relied mainly on alterations of endosomal Notch1 trafficking and signaling in ECs and was abrogated by Notch1 deletion in ECs in vivo. Thus, autophagy-independent vessel normalization by CQ restrains tumor invasion and metastasis while improving chemotherapy, supporting the use of CQ for anticancer treatment.

Abstract The genetic mechanisms underlying the expansion in size and complexity of the human brain remains poorly understood. L1 retrotransposons are a source of divergent genetic information in hominoid genomes, but their importance in physiological functions and their contribution to human brain evolution is largely unknown. Using multi-omic profiling we here demonstrate that L1-promoters are dynamically active in the developing and adult human brain. L1s generate hundreds of developmentally regulated and cell-type specific transcripts, many which are co-opted as chimeric transcripts or regulatory RNAs. One L1-derived lncRNA, LINC01876, is a human-specific transcript expressed exclusively during brain development. CRISPRi-silencing of LINC01876 results in reduced size of cerebral organoids and premature differentiation of neural progenitors, implicating L1s in human-specific developmental processes. In summary, our results demonstrate that L1-derived transcripts provide a previously undescribed layer of primate- and human-specific transcriptome complexity that contributes to the functional diversification of the human brain.

ABSTRACT The human genome contains numerous duplicated regions, such as parent-pseudogene pairs, causing sequencing reads to align equally well to either gene. The extent to which this ambiguity complicates transcriptomic analyses is currently unknown. This is concerning as many parent genes have been linked to disease, including GBA1, causally linked to both Parkinson’s and Gaucher disease. We find that most of the short sequencing reads that map to GBA1 , also map to its pseudogene, GBAP1 . Using long-read RNA-sequencing in human brain, where all reads mapped uniquely, we demonstrate significant differences in expression compared to short-read data. We identify novel transcripts from both GBA1 and GBAP1 , including protein-coding transcripts that are translated in vitro and detected in proteomic data, but that lack GCase activity. By combining long-read with single-nuclear RNA-sequencing to analyse brain-relevant cell types we demonstrate that transcript expression varies by brain region with cell-type-selectivity. Taken together, these results suggest a non-lysosomal function for both GBA1 and GBAP1 in brain. Finally, we demonstrate that inaccuracies in annotation are widespread among parent genes, with implications for many human diseases.

Abstract Clinical whole-genome sequencing (WGS) has been shown to deliver potential benefits to children with cancer and to alter treatment in high-risk patient groups. It remains unknown whether offering WGS to every child with suspected cancer can change patient management. We collected WGS variant calls and clinical and diagnostic information from 281 children (282 tumors) across two English units ( n = 152 from a hematology center, n = 130 from a solid tumor center) where WGS had become a routine test. Our key finding was that variants uniquely attributable to WGS changed the management in ~7% (20 out of 282) of cases while providing additional disease-relevant findings, beyond standard-of-care molecular tests, in 108 instances for 83 (29%) cases. Furthermore, WGS faithfully reproduced every standard-of-care molecular test ( n = 738) and revealed several previously unknown genomic features of childhood tumors. We show that WGS can be delivered as part of routine clinical care to children with suspected cancer and can change clinical management by delivering unexpected genomic insights. Our experience portrays WGS as a clinically impactful assay for routine practice, providing opportunities for assay consolidation and for delivery of molecularly informed patient care.

Mutations in GBA1 cause Gaucher disease and are the most important genetic risk factor for Parkinson’s disease. However, analysis of transcription at this locus is complicated by its highly homologous pseudogene, GBAP1 . We show that >50% of short RNA-sequencing reads mapping to GBA1 also map to GBAP1 . Thus, we used long-read RNA sequencing in the human brain, which allowed us to accurately quantify expression from both GBA1 and GBAP1 . We discovered significant differences in expression compared to short-read data and identify currently unannotated transcripts of both GBA1 and GBAP1 . These included protein-coding transcripts from both genes that were translated in human brain, but without the known lysosomal function—yet accounting for almost a third of transcription. Analyzing brain-specific cell types using long-read and single-nucleus RNA sequencing revealed region-specific variations in transcript expression. Overall, these findings suggest nonlysosomal roles for GBA1 and GBAP1 with implications for our understanding of the role of GBA1 in health and disease.

Filaments made of residues 120-254 of transmembrane protein 106B (TMEM106B) form in an age-dependent manner and can be extracted from the brains of neurologically normal individuals and those of subjects with a variety of neurodegenerative diseases. TMEM106B filament formation requires cleavage at residue 120 of the 274 amino acid protein; at present, it is not known if residues 255-274 form the fuzzy coat of TMEM106B filaments. Here we show that a second cleavage appears likely, based on staining with an antibody raised against residues 263-274 of TMEM106B. We also show that besides the brain TMEM106B inclusions form in dorsal root ganglia and spinal cord, where they were mostly found in non-neuronal cells. We confirm that in the brain, inclusions were most abundant in astrocytes. No inclusions were detected in heart, liver, spleen or hilar lymph nodes. Based on their staining with luminescent conjugated oligothiophenes, we confirm that TMEM106B inclusions are amyloids. By in situ immunoelectron microscopy, TMEM106B assemblies were often found in structures resembling endosomes and lysosomes.

Abstract Synaptic dysfunction is one of the primary hallmarks of both Alzheimer’s and Parkinson’s disease, leading to cognitive and behavioural decline. While alpha-synuclein, beta-amyloid, and tau are involved in the physiological functioning of synapses, their pathological aggregation has been linked to synaptic dysfunction. However, the methodology for studying the small (sub-diffraction limit) and soluble aggregates -often called oligomers, formed by these proteins is limited. Here we describe SynPull, a novel method combining single-molecule pulldown, super-resolution microscopy, and advanced computational analyses, in order to reliably study the quantity and morphology of the oligomeric alpha-synuclein, beta-amyloid, and AT8-positive tau aggregates in synaptosomes harvested from post-mortem human brain samples and mouse models. Using SynPull, we show that AT8-positive tau is the predominant aggregate type in AD, with significantly more aggregates compared to the control samples, yet the aggregate size does not differ between disease and control samples. Meanwhile, the relatively smaller amount of alpha-synuclein and beta-amyloid aggregates found in the synapses are larger than the extra-synaptic ones. Collectively, these results show the utility of SynPull to study pathological aggregates in dementia, which can help further understand the disease mechanisms causing synaptic dysfunction. Abstract Figure Graphical abstract. Human post-mortem orbitofrontal cortex samples from subjects with neuropathological diagnosis of Alzheimer’s and Parkinson’s disease, as well as age-matched controls cut into ∼300 mg sections, and MI2, APP NL-G-F , P301S, and C57Bl/6J mouse brains were first homogenised in synaptosome buffer using a Dounce homogeniser and then filtered and centrifuged to separate nuclei and organelles from the synaptic fragments. Then, the isolated synaptosomes were incubated on the SiMPull surface with anti-neurexin antibody overnight, followed by fixation and permeabilisation. Imaging antibodies against beta-amyloid, alpha-synuclein, and AT8-positive tau were added to the samples and d STORM imaging was performed to super-resolve the aggregates.