Abstract Histone monoaminylation ( i . e ., serotonylation and dopaminylation) is an emerging category of epigenetic mark occurring on the fifth glutamine (Q5) residue of H3 N-terminal tail, which plays significant roles in gene transcription. Current analysis of histone monoaminylation is mainly based on site-specific antibodies and mass spectrometry, which either lacks high resolution or is time-consuming. In this study, we report the development of chemical probes for bioorthogonal labeling and enrichment of histone serotonylation and dopaminylation. These probes were successfully applied for the monoaminylation analysis of in vitro biochemical assays, cells, and tissue samples. The enrichment of monoaminylated histones by the probes further confirmed the crosstalk between H3Q5 monoaminylation and H3K4 methylation. Finally, combining the ex vivo and in vitro analyses based on the developed probes, we have shown that both histone serotonylation and dopaminylation are highly enriched in tumor tissues that overexpress transglutaminase 2 (TGM2) and regulate the three-dimensional architecture of cellular chromatin. TOC

Abstract B- and T-cell receptor (immune) repertoires can represent an individual’s immune history. While current repertoire analysis methods aim to discriminate between health and disease states, they are typically based on only a limited number of parameters (e.g., clonal diversity, germline usage). Here, we introduce immuneREF: a quantitative multi-dimensional measure of adaptive immune repertoire (and transcriptome) similarity that allows interpretation of immune repertoire variation by relying on both repertoire features and cross-referencing of simulated and experimental datasets. immuneREF is implemented in an R package and was validated based on detection sensitivity of immune repertoires with known similarities and dissimilarities. To quantify immune repertoire similarity landscapes across health and disease, we applied immuneREF to >2400 datasets from individuals with varying immune states (healthy, [autoimmune] disease and infection [Covid-19], immune cell population). Importantly we discovered, in contrast to the current paradigm, that blood-derived immune repertoires of healthy and diseased individuals are highly similar for certain immune states, suggesting that repertoire changes to immune perturbations are less pronounced than previously thought. In conclusion, immuneREF implements population-wide analysis of immune repertoire similarity and thus enables the study of the adaptive immune response across health and disease states.

Serotonylation has been identified as a novel protein post-translational modification (PTM) for decades, where an isopeptide bond is formed between the glutamine residue and serotonin through transamination. Transglutaminase 2 (also known as TGM2 or TGase2) was proven to act as the main writer enzyme for this PTM and a number of key regulatory proteins (including small GTPases, fibronectin, fibrinogen, serotonin transporter, and histone H3) have been characterized as the substrates of serotonylation. However, due to the lack of pan-specific antibody for serotonylated glutamine, the precise enrichment and proteomic profiling of serotonylation still remain challenging. In our previous research, we developed an aryldiazonium probe to label protein serotonylation in a bioorthogonal manner. This chemical biology tool can be utilized alternatively for the antibody-free enrichment of serotonylated proteins, which depends on a pH-controlled chemoselective rapid azo-coupling reaction (CRACR). Here, we report the application of a photoactive aryldiazonium-biotin probe for the global profiling of serotonylation proteome in cancer cells. Thus, over 500 serotonylated proteins were identified from HCT 116 cells. Importantly, a number of modification sites of these serotonylated proteins were determine, attributed to the successful application of our chemical proteomic approach. Overall, these findings provided new insights into the significant association between cellular protein serotonylation and cancer development, further suggesting that to target TGM2-mediated monoaminylation may serve as a promising strategy for cancer therapeutics.

ABSTRACT Histone dopaminylation is a newly identified epigenetic mark that plays a role in the regulation of gene transcription, where an isopeptide bond is formed between the fifth amino acid residue of H3 ( i.e. , glutamine) and dopamine. In our previous studies, we discovered that the dynamics of this post-translational modification (including installation, removal, and replacement) were regulated by a single enzyme, transglutaminase 2 (TGM2), through reversible transamination. Recently, we developed a chemical probe to specifically label and enrich histone dopaminylation via bioorthogonal chemistry. Given this powerful tool, we found that histone H3 glutamine 5 dopaminylation (H3Q5dop) was highly enriched in colorectal tumors, which could be attributed to the high expression level of TGM2 in colon cancer cells. Due to the enzyme promiscuity of TGM2, non-histone proteins have also been identified as targets of dopaminylation on glutamine residues, however, the dopaminylated proteome in cancer cells still remains elusive. Here, we utilized our chemical probe to enrich dopaminylated proteins from colorectal cancer cells in a bioorthogonal manner and performed the chemical proteomics analysis. Therefore, 425 dopaminylated proteins were identified, many of which are involved in nucleic acid metabolism and transcription pathways. More importantly, a number of modification sites of these dopaminylated proteins were identified, attributed to the successful application of our chemical probe. Overall, these findings shed light on the significant association between cellular protein dopaminylation and cancer development, further suggesting that to block the installation of protein dopaminylation may become a promising anti-cancer strategy. TOC

Motivation T and B cell receptors (TCRs and BCRs) play a pivotal role in the adaptive immune system by recognizing an enormous variety of external and internal antigens. Understanding these receptors is critical for exploring the process of immunoreaction and exploiting potential applications in immunotherapy and antibody drug design. Although a large number of samples have had their TCR and BCR repertoires sequenced using high-throughput sequencing in recent years, very few databases have been constructed to store these kinds of data. To resolve this issue, we developed a database.Results We developed a database, the Pan Immune Repertoire Database (PIRD), located in China National GeneBank (CNGBdb), to collect and store annotated TCR and BCR sequencing data, including from Homo sapiens and other species. In addition to data storage, PIRD also provides functions of data visualisation and interactive online analysis. Additionally, a manually curated database of TCRs and BCRs targeting known antigens (TBAdb) was also deposited in PIRD.Availability and Implementation PIRD can be freely accessed at .

The Rhesus macaque is a valuable preclinical animal model to estimate vaccine effectiveness, and is also important for understanding antibody maturation and B-cell repertoire evolution responding to vaccination; however, incomplete mapping of rhesus immunoglobulin germline genes hinders the research efforts. To address this deficiency, we sequenced B-cell receptor (BCR) repertoires of 75 India Rhesus macaques. Using a bioinformatic method that has been validated with BCR repertoire analysis of three human donors, we were able to infer rhesus Variable (V) and Joint(J) germline alleles, identifying a total of 122 V and 20 J germline alleles. Importantly, 91 V and 13 J alleles were novel, and 40 V and 13 J genes were found at a novel genome region that has not been previously recorded. The novelty of these newly identified alleles was supported by two observations. Firstly, 50 V and 5 J novel alleles were observed in whole genome sequencing data of 10 Rhesus macaques. Secondly, using alignment reference including the novel alleles, the mutation rate of rearranged repertoires was significant declined in 9 other irrelevant samples, and all our identified novel V and J alleles were 100% identity mapped by rearranged repertoire data. These newly identified novel alleles, along with previous reported alleles, provide an important reference for future investigations of rhesus immune repertoire evolution, in response to vaccination or infection. In addition, the method outlined in our study offered an example to future efforts in identifying novel immunoglobulin alleles.

T cells recognize antigens as peptides bound to major histocompatibility complex (MHC) proteins through T cell receptors (TCRs) on their surface. To recognize a wide range of pathogens, each individual possesses a substantial number of TCRs with an extremely high degree of variability. It remains controversial whether germline-encoded TCR repertoire is shaped by MHC polymorphism and, if so, what is the preference between MHC genetic variants and TCR V gene compatibility. To investigate the "net" genetic association between MHC variations and TRBV genes, we applied quantitative trait locus (QTL) mapping to test the associations between MHC polymorphism and TCR beta chain V (TRBV) genes usage using umbilical cord blood (UCB) samples of 201 Chinese newborns. We found TRBV gene and MHC loci that are predisposed to interact with one another differ from previous conclusions. The majority of MHC amino acid residues associated with the TRBV gene usage show spatial proximities in known structures of TCR-pMHC complexes. These results show for the first time that MHC variants bias TRBV gene usage in UCB of Chinese ancestry and indicate that germline-encoded contacts influence TCR-MHC interactions in intact T cell repertoires.

Umbilical cord blood (UCB) transplant is a therapeutic option for both pediatric and adult patients with a variety of hematologic diseases such as several types of blood cancers, myeloproliferative disorders, genetic diseases, and metabolic disorders. However, the level of cellular heterogeneity and diversity of nucleated cells in the UCB has not yet been assessed in an unbiased and systemic fashion. In the current study, nucleated cells from UCB were subjected to single-cell RNA sequencing, a technology enabled simultaneous profiling of the gene expression signatures of thousands of cells, generating rich resources for further functional studies. Here, we report the transcriptomic maps of 19,052 UCB cells, covering 11 major cell types. Many of these cell types are comprised of distinct subpopulations, including distinct signatures in NK and NKT cell types in the UCB. Pseudotime ordering of nucleated red blood cells (NRBC) identifies wave-like activation and suppression of transcription regulators, leading to a polarized cellular state, which may reflect the NRBC maturation. Progenitor cells in the UBC also consist two subpopulations with divergent transcription programs activated, leading to specific cell-fate commitment. Collectively, we provide this comprehensive single-cell transcriptomic landscape and show that it can uncover previously unrecognized cell types, pathways and gene expression regulations that may contribute to the efficacy and outcome of UCB transplant, broadening the scope of research and clinical innovations.

Immunoglobulin A Nephropathy (IgAN) is the most common glomerulonephritis worldwide. In IgAN, immune complex deposite in glomerular mesangium, which induce inflammation and affect the kidney's normal functions. However, the exact pathogenesis of IgAN is still incompletely understood. Further, in current practice the clinical diagnosis relies on needle biopsy on renal tissue. Therefore, a non-invasive method for clinical diagnosis and prognosis surveillance of the disease is in high demand. In this paper, we investigated both the T cell receptor bata chain (TCRB) and immunoglobulin heavy chain (IGH) repertoire of kidney infiltrating and circulating lymphocytes of IgAN patients by immune repertoire high throughput sequencing. We found that the features of TCRB and IGH in the renal tissues were remarkably different from that in blood, including a decreased repertoire diversity and increased IgA and IgG frequency, and more activated B cells. The CDR3 length of PBMC TCRB and IGH in patients is significantly shorter than that in healthy controls, which is the result of both VDJ rearrangement and clone selection. We also found that the IgA1 frequency in the PBMC of IgAN is significant higher than that in other Nephropathy (NIgAN) and healthy control, which is consistent with the previous reports on the level of IgA1 producing B cells and serum IgA1. Significantly, we identified a set of IgAN disease related TCRB and IGH CDR3s, which can be used to distinguish IgAN from NIgAN and healthy controls from the blood with high accuracy. These results indicated that TCRB and IGH repertoire can potentially serve as non-invasive biomarkers for IgAN diagnosis. The characteristics of kidney infiltrating and circulating lymphocytes repertoire shed light on IgAN detection, treatment and surveillance.