ABSTRACT A set of increasingly powerful approaches are enabling spatially resolved measurements of growing numbers of molecular features in biological samples. While important insights can be derived from the two-dimensional data that many of these technologies generate, it is clear that extending these approaches into the third and fourth dimensions will magnify their impact. Realizing biological insights from datasets where thousands to millions of cells are annotated with tens to hundreds of parameters in space will require the development of new computational and visualization strategies. Here, we describe Theia, a virtual reality-based platform, which enables exploration and analysis of either volumetric or segmented, molecularly-annotated, three-dimensional datasets, with the option to extend the analysis to time-series data. We also describe our pipeline for generating annotated 3D models of breast cancer and supply several datasets to enable users to explore the utility of Theia for understanding cancer biology in three dimensions.

Summary

 PIWI-interacting RNAs (piRNAs) are small RNAs bound by PIWI-clade Argonaute proteins that function to silence transposable elements (TEs). Following mouse primordial germ cell (mPGC) specification around E6.25, fetal piRNAs emerge in male gonocytes from E13.5 onward. The in vitro differentiation of mPGC-like cells (mPGCLCs) has raised the possibility of studying the fetal piRNA pathway in greater depth. However, using single-cell RNA-seq and RT-qPCR along mPGCLC differentiation, we find that piRNA pathway factors are not fully expressed in Day 6 mPGCLCs. Moreover, we do not detect piRNAs across a panel of Day 6 mPGCLC lines using small RNA-seq. Our combined efforts highlight that in vitro differentiated Day 6 mPGCLCs do not yet resemble E13.5 or later mouse gonocytes where the piRNA pathway is active. This Matters Arising paper is in response to von Meyenn et al. (2016), published in Developmental Cell. See also the correction by von Meyenn et al. published in this issue.

Abstract With the aim of producing a 3D representation of tumours, IMAXT uses a large variety of modalities in order to acquire tumour samples and produce a map of every cell in the tumour and its host environment. With the large volume and variety of data produced in the project we develop automatic data workflows and analysis pipelines and introduce a research methodology where scientists connect to a cloud environment to perform analysis close to where data are located instead of bringing data to their local computers. Here we present the data and analysis infrastructure, discuss the unique computational challenges and describe the analysis chains developed and deployed to generate molecularly annotated tumour models. Registration is achieved by use of a novel technique involving spherical fiducial marks that are visible in all imaging modalities used within IMAXT.

SUMMARY The PIWI-interacting RNA (piRNA) pathway prevents endogenous genomic parasites, transposable elements, from damaging the genetic material of animal gonadal cells. Specific regions in the genome, called piRNA clusters, are thought to define each species’ piRNA repertoire and therefore its capacity to recognize and silence specific transposon families. The unistrand cluster flamenco ( flam ) is essential in the somatic compartment of the Drosophila ovary to restrict Gypsy -family transposons from infecting the neighbouring germ cells. Disruption of flam results in transposon derepression and sterility, yet it remains unknown whether this silencing mechanism is present more widely. Here, we systematically characterised 119 Drosophila species and identify five additional flam -like clusters separated by up to 45 million years. Small RNA-sequencing validated these as bona-fide unistrand piRNA clusters expressed in somatic cells of the ovary, where they selectively target transposons of the Gypsy family. Together, our study provides compelling evidence of a widely conserved transposon silencing mechanism that co-evolved with virus-like Gypsy -family transposons.

SUMMARY PIWI-interacting RNAs (piRNAs) are small RNAs required to recognize and silence transposable elements. The 5’ ends of mature piRNAs are defined through cleavage of long precursor transcripts, primarily by Zucchini (Zuc). Zuc-dependent cleavage typically occurs immediately upstream of a uridine. However, Zuc lacks sequence preference in vitro , pointing towards additional unknown specificity factors. We examined murine piRNAs and revealed a strong and specific enrichment of three sequences (UAA, UAG, UGA)— corresponding to stop codons—at piRNA 5’ ends. Stop codon sequences were also enriched immediately after piRNA processing intermediates, reflecting their Zuc-dependent tail-to-head arrangement. Further analyses revealed that a Zuc in vivo cleavage preference at four sequences (UAA, UAG, UGA, UAC) promotes 5’ end stop codons. This observation was conserved across mammals and possibly further. Our work provides new insights into Zuc-dependent cleavage and may point to a previously unrecognized connection between piRNA biogenesis and the translational machinery.

Animal germ cells deploy a specialized small RNA-based silencing system, called the PIWI-interacting RNA (piRNA) pathway, to prevent unwanted expression of transposable elements and maintain genome integrity. In Drosophila germ cells, the majority of piRNA populations originate from dual-strand piRNA clusters, genomic regions highly enriched in transposon fragments, via an elaborate protein machinery centred on the heterochromatin protein 1 homolog, Rhino. Although Rhino binds to peptides carrying trimethylated H3K9 in vitro, it is not fully understood why in vivo only a fraction of H3K9me3-decorated heterochromatin is occupied by Rhino. Recent work uncovered that Rhino is recruited to a subset of piRNA clusters by the zinc finger protein Kipferl. Here we identify a Kipferl-independent mode of Rhino targeting that is dependent on the histone H3 lysine 27 methyltransferase Enhancer of Zeste and the presence of H3K9me3 and H3K27me3 marks. At Kipferl-independent sites, we find that Rhino, through its dimeric chromodomain, specifically binds to loci marked by both H3K9me3 and H3K27me3. These results expand our understanding of the characteristic binding profile of the heterochromatin protein Rhino. Our work reveals a role for dual histone modifications in defining the binding specificity of a chromatin protein.

ABSTRACT Ductal carcinoma in situ (DCIS) is considered a non-invasive precursor to breast cancer, and although associated with an increased risk of developing invasive disease, many women with DCIS will never progress beyond their in situ diagnosis. The path from normal duct to invasive disease is not well understood, and efforts to do so are hampered by the substantial heterogeneity that exists between patients and even within patients. Using gene expression analysis, we have generated a ‘Timeline’ of disease progression, utilising the variability within patients and combining >2,000 individually micro-dissected ductal lesions from 145 patients into one continuous trajectory. Using this Timeline we show there is a progressive loss in basal layer integrity, coupled with two epithelial to mesenchymal transitions (EMT), one early in the timeline and a second just prior to cells leaving the duct. We identify early processes and potential biomarkers, including CAMK2N1 , MNX1 , ADCY5 , HOXC11 and ANKRD22 , whose reduced expression is associated with the progression of DCIS to invasive breast cancer.

Abstract Introduction Vasculogenic mimicry (VM), the process of tumor cell trans-differentiation to endow endothelial-like characteristics supporting de novo vessel formation, is associated with poor prognosis in several tumor types, including small cell lung cancer (SCLC). In genetically engineered mouse models (GEMMs) of SCLC, NOTCH and MYC co-operate to drive a neuroendocrine (NE) to non-NE phenotypic switch and co-operation between NE and non-NE cells is required for metastasis. Here, we define the phenotype of VM-competent cells and molecular mechanisms underpinning SCLC VM using circulating tumor cell-derived explant (CDX) models and GEMMs. Methods We analysed perfusion within VM vessels and their association with NE and non-NE phenotypes using multiplex immunohistochemistry in CDX and GEMMs. VM-proficient cell subpopulations in ex vivo cultures were molecularly profiled by RNA sequencing and mass spectrometry. We evaluated their 3D structure and defined collagen-integrin interactions. Results We show that VM vessels are present in 23/25 CDX models and in 2 GEMMs. Perfused VM vessels support tumor growth and only Notch-active non-NE cells are VM-competent in vivo and ex vivo , expressing pseudohypoxia, blood vessel development and extracellular matrix (ECM) organization signatures. On Matrigel, VM-primed non-NE cells re-model ECM into hollow tubules in an integrin β1-dependent process. Conclusions We identify VM as an exemplar of functional heterogeneity and plasticity in SCLC and these findings take significant steps towards understanding the molecular events that enable VM. These results support therapeutic co-targeting of both NE and non-NE cells to curtail SCLC progression and to improve SCLC patient outcomes in future.

Abstract Background/Objectives Pseudo-vascular network formation in vitro is considered a key characteristic of vasculogenic mimicry. While many cancer cell lines form pseudo-vascular networks, little is known about the spatiotemporal dynamics of these formations. Methods Here, we present a framework for monitoring and characterising the dynamic formation and dissolution of pseudo-vascular networks in vitro. The framework combines time-resolved optical microscopy with open-source image analysis for network feature extraction and statistical modelling. The framework is demonstrated by comparing diverse cancer cell lines associated with vasculogenic mimicry, then in detecting response to drug compounds proposed to affect formation of vasculogenic mimics. Dynamic datasets collected were analysed morphometrically and a descriptive statistical analysis model was developed in order to measure stability and dissimilarity characteristics of the pseudo-vascular networks formed. Results Melanoma cells formed the most stable pseudo-vascular networks and were selected to evaluate the response of their pseudo-vascular networks to treatment with axitinib, brucine and tivantinib. Tivantinib has been found to inhibit the formation of the pseudo-vascular networks more effectively, even in dose an order of magnitude less than the two other agents. Conclusions Our framework is shown to enable quantitative analysis of both the capacity for network formation, linked vasculogenic mimicry, as well as dynamic responses to treatment.

Expanding the arsenal of prophylactic approaches against SARS-CoV-2 is of utmost importance, specifically those strategies that are resistant to antigenic drift in Spike. Here, we conducted a screen with over 16,000 RNAi triggers against the SARS-CoV-2 genome using a massively parallel assay to identify hyper-potent siRNAs. We selected 10 candidates for in vitro validation and found five siRNAs that exhibited hyper-potent activity with IC50<20pM and strong neutralisation in live virus experiments. We further enhanced the activity by combinatorial pairing of the siRNA candidates to develop siRNA cocktails and found that these cocktails are active against multiple types of variants of concern (VOC). We examined over 2,000 possible mutations to the siRNA target sites using saturation mutagenesis and identified broad protection against future variants. Finally, we demonstrated that intranasal administration of the siRNA cocktail effectively attenuates clinical signs and viral measures of disease in the Syrian hamster model. Our results pave the way to development of an additional layer of antiviral prophylaxis that is orthogonal to vaccines and monoclonal antibodies.