Abstract While DNA N 6 -adenine methylation (6mA) is best known in prokaryotes, its presence in eukaryotes has generated great interest recently. Biochemical and genetic evidence supports that AMT1, a MT-A70 family methyltransferase (MTase), is crucial for 6mA deposition in unicellular eukaryotes. Nonetheless, 6mA transmission mechanism remains to be elucidated. Taking advantage of Single Molecule Real-Time Circular Consensus Sequencing (SMRT CCS), here we provide definitive evidence for semi-conservative transmission of 6mA, showcased in the unicellular eukaryote Tetrahymena thermophila . In wildtype (WT) cells, 6mA occurs at the self-complementary ApT dinucleotide, mostly in full methylation (full-6mApT); hemi-methylation (hemi-6mApT) is transiently present on the parental strand of newly replicated DNA. In Δ AMT1 cells, 6mA predominantly occurs as hemi-6mApT. Hemi-to-full conversion in WT cells is fast, robust, and likely processive, while de novo 6mA deposition in Δ AMT1 cells is slow and sporadic. In Tetrahymena , regularly spaced 6mA clusters coincide with linker DNA of the canonical nucleosome arrays in the gene body. Importantly, in vitro methylation of human chromatin by reconstituted AMT1 complex recapitulates preferential targeting of hemi-6mApT sites in linker DNA, supporting AMT1’s intrinsic and autonomous role in maintenance methylation. We conclude that 6mA is transmitted by a semi-conservative mechanism: full-6mApT is split by DNA replication into hemi-6mApT, which is restored to full-6mApT by AMT1-dependent maintenance methylation. Our study dissects AMT1-dependent maintenance methylation and AMT1-independent de novo methylation, reveals a molecular pathway for 6mA transmission with striking similarity to 5-methyl cytosine (5mC) transmission at the CpG dinucleotide, and establishes 6mA as a bona fide eukaryotic epigenetic mark.

ABSTRACT Background and Aims Hexokinases (HKs), a group of enzymes catalyzing the first step of glycolysis, have been shown to play important roles in liver metabolism and tumorigenesis. Our recent studies identified HKDC1 as a top candidate associated with liver cancer metastasis. We aimed to compare its cell-type specificity with other HKs upregulated in liver cancer and investigate the molecular mechanisms underlying its involvement in liver cancer metastasis. Approach and Results We found that, compared to HK1 and HK2, the other two commonly upregulated HKs in liver cancer, HKDC1 was most strongly associated with the metastasis potential of tumors and organoids derived from two liver cancer mouse models we previously established. RNA in situ hybridization and single-cell RNA-seq analysis revealed that HKDC1 was specifically upregulated in malignant cells in hepatocellular carcinoma (HCC) and cholangiocarcinoma (CCA) patient tumors, whereas HK1 and HK2 were widespread across various tumor microenvironment lineages. An unbiased metabolomic profiling demonstrated that HKDC1 overexpression in HCC cells led to metabolic alterations distinct from those from HK1 and HK2 overexpression, with HKDC1 particularly impacting the tricarboxylic acid (TCA) cycle. HKDC1 was prometastatic in HCC orthotopic and tail vein injection mouse models and, molecularly, HKDC1 was induced by hypoxia and bound to glycogen synthase kinase 3β to stabilize β-catenin, leading to enhanced stemness of HCC cells. Conclusions Overall, our findings underscore HKDC1 as a prometastatic HK specifically expressed in the malignant compartment of primary liver tumors, thereby providing a mechanistic basis for targeting this enzyme in advanced liver cancer.

The microbiome is generally assumed to have a substantial influence on the biology of multicellular organisms. The exact functional contributions of the microbes are often unclear and cannot be inferred easily from 16S rRNA genotyping, which is commonly used for taxonomic characterization of the bacterial associates. In order to bridge this knowledge gap, we here analyzed the metabolic competences of the native microbiome of the model nematode Caenorhabditis elegans. We integrated whole genome sequences of 77 bacterial microbiome members with metabolic modelling and experimental characterization of bacterial physiology. We found that, as a community, the microbiome can synthesize all essential nutrients for C. elegans. Both metabolic models and experimental analyses further revealed that nutrient context can influence how bacteria interact within the microbiome. We identified key bacterial traits that are likely to influence the microbe's ability to colonize C. elegans (e.g., pyruvate fermentation to acetoin) and the resulting effects on nematode fitness (e.g., hydroxyproline degradation). Considering that the microbiome is usually neglected in the comprehensive research on this nematode, the resource presented here will help our understanding of C. elegans biology in a more natural context. Our integrative approach moreover provides a novel, general framework to dissect microbiome-mediated functions.

The ciliate protozoan Tetrahymena thermophila contains two types of structurally and functionally differentiated nuclei: the transcriptionally active somatic macronucleus (MAC) and the transcriptionally silent germ-line micronucleus (MIC). Here we demonstrate that MAC features well-positioned nucleosomes downstream of transcription start sites (TSS) likely connected with promoter proximal pausing of RNA polymerase II, as well as in exonic regions flanking both the 5′ and 3′ splice sites. In contrast, nucleosomes in MIC are more delocalized. Nucleosome occupancy in MAC and MIC are nonetheless highly correlated with each other and with predictions based upon DNA sequence features. Arrays of well-positioned nucleosomes are often correlated with GC content oscillations, suggesting significant contributions from cis-determinants. We propose that cis- and trans-determinants may coordinately accommodate some well-positioned nucleosomes with important functions, driven by a process in which positioned nucleosomes shape the mutational landscape of associated DNA sequences, while the DNA sequences in turn reinforce nucleosome positioning.

The biology of all organisms is influenced by the associated community of microorganisms. In spite of its importance, it is usually not well understood how exactly this microbiome affects host functions and what are the underlying molecular processes. To rectify this knowledge gap, we took advantage of the nematode C. elegans as a tractable, experimental model system and assessed the inducible transcriptome response after colonization with members of its native microbiome. For this study, we focused on two isolates of the genus Ochrobactrum. These bacteria are known to be abundant in the nematode's microbiome and are capable of colonizing and persisting in the nematode gut, even under stressful conditions. The transcriptome response was assessed across development and three time points of adult life, using general and C. elegans-specific enrichment analyses to identify affected functions. Our assessment revealed an influence of the microbiome members on the nematode's dietary response, development, fertility, immunity, and energy metabolism. This response is mainly regulated by a GATA transcription factor, most likely ELT-2, as indicated by the enrichment of (i) the GATA motif in the promoter regions of inducible genes and (ii) of ELT-2 targets among the differentially expressed genes. We compared our transcriptome results with a corresponding previously characterized proteome data set, highlighting a significant overlap in the differentially expressed genes and the affected functions. Our analysis further identified a core set of 86 genes that consistently responded to the microbiome members across development and adult life, including several C-type lectin-like genes and genes known to be involved in energy metabolism or fertility. We additionally assessed the consequences of induced gene expression with the help of metabolic network model analysis, using a previously established metabolic network for C. elegans. This analysis complemented the enrichment analyses by revealing an influence of the Ochrobactrum isolates on C. elegans energy metabolism and furthermore metabolism of specific amino acids, fatty acids, and also folate biosynthesis. Our findings highlight the multifaceted impact of naturally colonizing microbiome isolates on C. elegans life history and thereby provide a framework for further analysis of microbiome-mediated host functions.

Abstract 6-mercaptopurine (6-MP) is widely used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL), and its cytotoxicity is primarily mediated by thioguanine nucleotide metabolites (TGN). Recent genome-wide association study has identified germline polymorphisms (e.g., rs72846714) in the NT5C2 gene associated with 6-MP metabolism in patients with ALL. However, the full spectrum of genetic variation in NT5C2 is unclear and its impact on 6-MP drug activation has not been comprehensively examined. To this end, we performed targeted sequencing of NT5C2 in 588 children with ALL and identified 121 single nucleotide polymorphisms (SNPs) nominally associated with erythrocyte TGN during 6-MP treatment ( P < 0.05). Of these, 61 variants were validated in a replication cohort of 372 children with ALL. After considering linkage disequilibrium and multivariate analysis, we confirmed two clusters of variants, represented by rs72846714 and rs58700372, that independently affected 6-MP metabolism. Functional studies showed that rs58700372 directly altered the activity of an intronic enhancer, with the variant allele linked to higher transcription activity and reduced 6-MP metabolism (lower TGN). By contrast, rs72846714 was not located in a regulatory element and instead its association signal was explained by linkage disequilibrium with a proximal functional variant rs12256506 that activated NT5C2 transcription in- cis . Our results indicated that NT5C2 germline variation significantly contributes to inter-patient variability in thiopurine drug disposition.