Abstract In brown adipose tissue (BAT), short-term cold exposure induces the activating transcription factor 4 (ATF4), and its downstream target fibroblast growth factor 21 (FGF21). Induction of ATF4 in BAT in response to mitochondrial stress is required for thermoregulation, partially via upregulation of FGF21. In the present study, we tested the hypothesis that Atf4 and Fgf21 induction in BAT are both required for BAT thermogenesis by generating mice selectively lacking either Atf4 ( ATF4 BKO ) or Fgf21 (FGF21 BKO) in UCP1-expressing adipocytes. After 3 days of cold exposure, core body temperature was significantly reduced in ad-libitum -fed ATF4 BKO mice, which correlated with Fgf21 downregulation in brown and beige adipocytes, and impaired browning of white adipose tissue (WAT). Conversely, despite having reduced browning, FGF21 BKO mice had preserved core body temperature after cold exposure. Mechanistically, ATF4, but not FGF21, regulates amino acid import and metabolism in response to cold, likely contributing to BAT thermogenic capacity under ad libitum -fed conditions. Importantly, under fasting conditions, both ATF4 and FGF21 were required for thermogenesis in cold-exposed mice. Thus, ATF4 regulates BAT thermogenesis by activating amino acid metabolism in BAT in a FGF21-independent manner. Graphical Abstract

Abstract Nuclear blebs are herniations of the nucleus that occur in diseased nuclei that cause nuclear rupture leading to cellular dysfunction. Chromatin and lamins are two of the major structural components of the nucleus that maintain its shape and function, but their relative roles in nuclear blebbing remain elusive. Lamin B is reported to be lost in blebs by qualitative data while quantitative studies reveal a spectrum of lamin B levels in nuclear blebs dependent on perturbation and cell type. Chromatin has been reported to be decreased or de-compacted in nuclear blebs, but again the data are not conclusive. To determine the composition of nuclear blebs, we compared the immunofluorescence intensity of lamin B and DNA in the main nucleus body and nuclear bleb across cell types and perturbations. Lamin B nuclear bleb levels varied drastically across MEF wild type and chromatin or lamins perturbations, HCT116 lamin B1-GFP imaging, and human disease model cells of progeria and prostate cancer. However, DNA concentration was consistently decreased to about half that of the main nucleus body across all measured conditions. Using Partial Wave Spectroscopic (PWS) microscopy to measure chromatin density in the nuclear bleb vs body we find similar results that DNA is consistently less dense in nuclear blebs. Thus, our data spanning many different cell types and perturbations supports that decreased DNA is a better marker of a nuclear bleb than lamin B levels that vary widely.

The large hexanucleotide (GGGGCC) repeat expansion in the non-coding promoter region of C9orf72 is the leading cause of Frontotemporal Dementia (FTD) and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). Mechanisms underlying neurodegeneration are not clear, and both a C9orf72 loss of function and a gain of toxicity, in the form of RNA foci or dipeptide repeat deposition, are implicated. CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas9-mediated genome editing is an attractive strategy for disease modeling and therapeutic intervention. Here we show that this system can be utilized to completely remove the large repeat expansion mutation within C9orf72 in patient-derived induced pluripotent stem (iPS) cells. Removal of the mutation prevented RNA foci formation and promoter hypermethylation, two phenotypes of the C9orf72 mutation. Interestingly, these changes did not significantly alter C9orf72 expression at the mRNA or protein level. This work provides a proof-of-principle for the use of CRISPR-Cas9-mediated excision of the pathogenic C9orf72 repeat expansion as a therapeutic strategy in FTD/ALS.

Genome engineering in human induced pluripotent stem cells (iPSCs) represent an opportunity to examine the contribution of pathogenic and disease modifying alleles to molecular and cellular phenotypes. However, the practical application of genome-editing approaches in human iPSCs has been challenging. We have developed a precise and efficient genome-editing platform that relies on allele-specific guideRNAs (gRNAs) paired with a robust method for culturing and screening the modified iPSC clones. By applying an allele-specific gRNA design strategy, we have demonstrated greatly improved editing efficiency without the introduction of additional modifications of unknown consequence in the genome. Using this approach, we have modified nine independent iPSC lines at five loci associated with neurodegeneration. This genome-editing platform allows for efficient and precise production of isogenic cell lines for disease modeling. Because the impact of CRISPR/Cas9 on off-target sites remains poorly understood, we went on to perform thorough off-target profiling by comparing the mutational burden in edited iPSC lines using whole genome sequencing. The bioinformatically predicted off-target sites were unmodified in all edited iPSC lines. We also found that the numbers of de novo genetic variants detected in the edited and unedited iPSC lines were similar. Thus, our CRISPR/Cas9 strategy does not specifically increase the mutational burden. Furthermore, our analyses of the de novo genetic variants that occur during iPSC culture and genome-editing indicate an enrichment of de novo variants at sites identified in dbSNP. Taken together, we propose that this enrichment represents regions of the genome more susceptible to mutation. Herein, we present an efficient and precise method for allele-specific genome-editing in iPSC and an analyses pipeline to distinguish off-target events from de novo mutations occurring with culture.

Tourette syndrome (TS) is highly heritable, although identification of its underlying genetic cause(s) has remained elusive. We examined a European ancestry sample composed of 2,435 TS cases and 4,100 controls for copy-number variants (CNVs) using SNP microarrays and identified two genome-wide significant loci that confer a substantial increase in risk for TS (NRXN1, OR=20.3, 95%CI [2.6-156.2], p=6.0 × 10-6; CNTN6, OR=10.1, 95% CI [2.3-45.4], p=3.7 × 10-5). Approximately 1% of TS cases carried one of these CNVs, indicating that rare structural variation contributes significantly to the genetic architecture of TS.

Abstract Previously we showed that mice lacking the protein optic atrophy 1 (OPA1 BKO) in brown adipose tissue (BAT) have induction of the activating transcription factor 4 (ATF4), which promotes fibroblast growth factor 21 (FGF21) secretion as a batokine. FGF21 increases metabolic rates at baseline conditions but is dispensable for the resistance to diet-induced obesity (DIO) reported in OPA1 BKO mice [1]. To determine alternative mediators of this phenotype, we performed transcriptome analysis, which revealed increased levels of growth differentiation factor 15 (GDF15) in BAT. To determine if ATF4 induction was mediated by the protein kinase R (PKR)-like endoplasmic reticulum kinase (PERK), and to evaluate the contribution of GDF15 to the resistance to DIO, we selectively deleted PERK or GDF15 in OPA1 BKO mice. Mice lacking both OPA1 and PERK in BAT had preserved induction of ATF4. Importantly, simultaneous deletion of OPA1 and GDF15 partially reversed the resistance to diet-induced obesity and abrogated the improvements in glucose tolerance. Furthermore, GDF15 mediated cold-induced thermogenesis, likely via sympathetic activation of iWAT. Taken together, our data indicate that PERK is dispensable for ATF4 induction, but GDF15 contributes to the resistance to DIO, and is required for glucose homeostasis and thermoregulation in OPA1 BKO mice.