We report a comprehensive proteogenomics analysis, including whole-genome sequencing, RNA sequencing, and proteomics and phosphoproteomics profiling, of 218 tumors across 7 histological types of childhood brain cancer: low-grade glioma (n = 93), ependymoma (32), high-grade glioma (25), medulloblastoma (22), ganglioglioma (18), craniopharyngioma (16), and atypical teratoid rhabdoid tumor (12). Proteomics data identify common biological themes that span histological boundaries, suggesting that treatments used for one histological type may be applied effectively to other tumors sharing similar proteomics features. Immune landscape characterization reveals diverse tumor microenvironments across and within diagnoses. Proteomics data further reveal functional effects of somatic mutations and copy number variations (CNVs) not evident in transcriptomics data. Kinase-substrate association and co-expression network analysis identify important biological mechanisms of tumorigenesis. This is the first large-scale proteogenomics analysis across traditional histological boundaries to uncover foundational pediatric brain tumor biology and inform rational treatment selection.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the etiological agent of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). There is a dire need for novel effective antivirals to treat COVID-19, as the only approved direct-acting antiviral to date is remdesivir, targeting the viral polymerase complex. A potential alternate target in the viral life cycle is the main SARS-CoV-2 protease 3CL pro (M pro ). The drug candidate PF-00835231 is the active compound of the first anti-3CL pro regimen in clinical trials. Here, we perform a comparative analysis of PF-00835231, the pre-clinical 3CL pro inhibitor GC-376, and the polymerase inhibitor remdesivir, in alveolar basal epithelial cells modified to express ACE2 (A549 +ACE2 cells). We find PF-00835231 with at least similar or higher potency than remdesivir or GC-376. A time-of-drug-addition approach delineates the timing of early SARS-CoV-2 life cycle steps in A549 +ACE2 cells and validates PF-00835231’s early time of action. In a model of the human polarized airway epithelium, both PF-00835231 and remdesivir potently inhibit SARS-CoV-2 at low micromolar concentrations. Finally, we show that the efflux transporter P-glycoprotein, which was previously suggested to diminish PF-00835231’s efficacy based on experiments in monkey kidney Vero E6 cells, does not negatively impact PF-00835231 efficacy in either A549 +ACE2 cells or human polarized airway epithelial cultures. Thus, our study provides in vitro evidence for the potential of PF-00835231 as an effective SARS-CoV-2 antiviral and addresses concerns that emerged based on prior studies in non-human in vitro models. Importance The arsenal of SARS-CoV-2 specific antiviral drugs is extremely limited. Only one direct-acting antiviral drug is currently approved, the viral polymerase inhibitor remdesivir, and it has limited efficacy. Thus, there is a substantial need to develop additional antiviral compounds with minimal side effects and alternate viral targets. One such alternate target is its main protease, 3CL pro (M pro ), an essential component of the SARS-CoV-2 life cycle processing the viral polyprotein into the components of the viral polymerase complex. In this study, we characterize a novel antiviral drug, PF-00835231, which is the active component of the first-in-class 3CL pro -targeting regimen in clinical trials. Using 3D in vitro models of the human airway epithelium, we demonstrate the antiviral potential of PF-00835231 for inhibition of SARS-CoV-2.

We have established experimental systems to assess the effects of early-life exposures to antibiotics on the intestinal microbiota and gene expression in the brain. This model system is highly relevant to human exposure and may be developed into a preclinical model of neurodevelopmental disorders in which the gut-brain axis is perturbed, leading to organizational effects that permanently alter the structure and function of the brain. Exposing newborn mice to low-dose penicillin led to substantial changes in intestinal microbiota population structure and composition. Transcriptomic alterations implicate pathways perturbed in neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders. There also were substantial effects on frontal cortex and amygdala gene expression by bioinformatic interrogation, affecting multiple pathways underlying neurodevelopment. Informatic analyses established linkages between specific intestinal microbial populations and the early-life expression of particular affected genes. These studies provide translational models to explore intestinal microbiome roles in the normal and abnormal maturation of the vulnerable central nervous system.

ABSTRACT Advances in mass-spectrometry have generated increasingly large-scale proteomics datasets containing tens of thousands of phosphorylation sites (phosphosites) that require prioritization. We develop a bioinformatics tool called HotPho and systematically discover 3D co-clustering of phosphosites and cancer mutations on protein structures. HotPho identifies 474 such hybrid clusters containing 1,255 co-clustering phosphosites, including RET p.S904/Y928, the conserved HRAS/KRAS p.Y96, and IDH1 p.Y139/IDH2 p.Y179 that are adjacent to recurrent mutations on protein structures not found by linear proximity approaches. Hybrid clusters, enriched in histone and kinase domains, frequently include expression-associated mutations experimentally shown as activating and conferring genetic dependency. Approximately 300 co-clustering phosphosites are verified in patient samples of 5 cancer types or previously implicated in cancer, including CTNNB1 p.S29/Y30, EGFR p.S720, MAPK1 p.S142, and PTPN12 p.S275. In summary, systematic 3D clustering analysis highlights nearly 3,000 likely functional mutations and over 1,000 cancer phosphosites for downstream investigation and evaluation of potential clinical relevance.

Within the last decade, numerous studies have demonstrated changes in the gut microbiome associated with specific autoimmune diseases. Due to differences in study design, data quality control, analysis and statistical methods, the results of these studies are inconsistent and incomparable. To better understand the relationship between the intestinal microbiome and autoimmunity, we have completed a comprehensive re-analysis of 29 studies focusing on the gut microbiome in nine autoimmune diseases to identify a specific microbial signature predictive of autoimmune disease using both 16S rRNA sequencing data and shotgun metagenomics data. Despite the heterogeneity of our data set, our approach has allowed us to build robust predictive models for general autoimmunity, as well as models for individual autoimmune diseases. Through this, we identified a number of common features predictive of autoimmune diseases including deficiency in Alistipes and Lachnobacterium, in addition to 9 inflammatory bowel disease, 7 multiple sclerosis and 7 rheumatoid disease predictive taxa consistently identified across multiple cohort comparison machine learning models. Lastly, we assessed potential metabolomic alterations based on metagenomic/metabolomic correlation analysis, identifying 114 metabolites associated with autoimmunity-predictive taxa.

The relative contributions of genetic and environmental factors to variation in immune responses are still poorly understood. Here, we performed a deep phenotypic analysis of immunological parameters of laboratory mice released into an outdoor enclosure, carrying susceptibility genes ( Nod2 and Atg16l1 ) implicated in the development of inflammatory bowel diseases. Variations of immune cell populations were largely driven by environment, whereas cytokine production in response to stimulation was affected more by genetic mutations. Multi-omic models identified transcriptional signatures associated with differences in T cell populations. Subnetworks associated with responses against Clostridium perfringens, Candida albicans and Bacteroides vulgatus were also coupled with rewilding. Hence, exposing laboratory mice carrying different genetic mutations to a natural environment uncovered important contributors to immune variation.One sentence summary Natural environment exposure in laboratory mice primarily promotes variation in population frequencies of immune cells, whereas cytokine responses to stimulation are affected more by genetic susceptibility to inflammatory bowel disease.

The immune systems of free-living mammals such as humans and wild mice display a heightened degree of activation compared with laboratory mice maintained under artificial conditions. Here, we demonstrate that releasing inbred laboratory mice into an outdoor enclosure to mimic life in a natural environment alters the state of immunity. In addition to enhancing the differentiation of T cell populations previously associated with pathogen exposure, we found that outdoor release of mice led to an increase in circulating granulocytes. However, rewilded mice were not infected by pathogens previously implicated in immune activation. Rather, changes to the immune system were associated with an altered composition of the microbiota, and fungi isolated from rewilded mice were sufficient to increase circulating granulocytes. These findings establish an experimental procedure to investigate the impact of the natural environment on immune development and identify a role for sustained fungal exposure in determining granulocyte numbers.

Myeloid cells are a vital component of innate immunity and comprise of monocytes, macrophages, dendritic cells and granulocytes. How myeloid cell lineage affects activation states in response to cytokines remains poorly understood. The cytokine environment and cellular infiltrate during an inflammatory response may contain prognostic features that could predict disease outcome. Here we analyzed the transcriptional responses of human monocytes, macrophages, dendritic cells and neutrophils in response to stimulation by IFN-γ, IFN-β, IFN-λ, IL-4, IL-13 and IL-10 cytokines, to better understand the heterogeneity of activation states in inflammatory conditions. This generated a myeloid cell cytokine specific response matrix that can infer representation of myeloid cells and the cytokine environment they encounter during infection and in tumors. Neutrophils were highly responsive to type 1 and type 2 cytokine stimulation but did not respond to IL-10. We identified transcripts specific to IFN-β stimulation, whereas other IFN signature genes were upregulated by both IFN-γ and IFN-β, When we used our matrix to deconvolute blood profiles from tuberculosis patients, the IFN-β specific neutrophil signature was reduced in TB patients with active disease whereas the shared response to IFN-γ and IFN-β in neutrophils was increased. When applied to glioma patients, transcripts of neutrophils exposed to IL-4 or IL-13 and monocyte responses to IFN-γ or IFN-β emerged as opposing predictors of patient survival. Hence, by dissecting how different myeloid cells respond to cytokine activation, we can delineate biological roles for myeloid cells in different cytokine environments during disease processes, especially during infection and tumor progression.

ABSTRACT How the human intestinal immune system is distinctly organized to respond to inflammation is still poorly understood. Here, we used single-cell RNA-sequencing to examine lamina propria CD45+ hematopoietic cells from patients with inflammatory bowel disease that have undergone ileal pouch-anal anastomosis, or the colon mucosa of ulcerative colitis patients. We identified a population of IL1B + antimicrobial macrophages and FOXP3 /+ BATF + T cells that are associated and expanded in inflamed tissues, which we further validated in other scRNA-seq datasets from IBD patients. CD8+ T cells were unexpectedly more abundant in the pouch than colon. Cell type specific markers obtained from single-cell RNA-sequencing was used to infer representation from bulk RNA sequencing datasets, which further implicated antimicrobial macrophages expressing IL1B with S100A8/A9 calprotectin as being associated with inflammation, as well as Bacteroides and Escherichia bacterial species. Finally, we find that non-responsiveness to anti-integrin biologic therapies in UC patients is associated with the signature of this antimicrobial macrophage population in a subset of patients. This study identified conserved and distinct features of intestinal inflammation between parts of the small and large intestine undergoing similar inflammation conditions.

Brain metastasis is a significant cause of morbidity and mortality in multiple cancer types and represents an unmet clinical need. The mechanisms that mediate metastatic cancer growth in the brain parenchyma are largely unknown. Melanoma, which has the highest rate of brain metastasis among common cancer types, is an ideal model to study how cancer cells adapt to the brain parenchyma. We performed unbiased proteomics analysis of melanoma short-term cultures, a novel model for the study of brain metastasis. Intriguingly, we found that proteins implicated in neurodegenerative pathologies are differentially expressed in melanoma cells explanted from brain metastases compared to those derived from extracranial metastases. This raised the exciting hypothesis that molecular pathways implicated in neurodegenerative disorders are critical for metastatic adaptation to the brain. Here, we show that melanoma cells require amyloid beta (Aβ), a polypeptide heavily implicated in Alzheimer's disease, for growth and survival in the brain parenchyma. Melanoma cells produce and secrete Aβ, which activates surrounding astrocytes to a pro-metastatic, anti-inflammatory phenotype. Furthermore, we show that pharmacological inhibition of Aβ decreases brain metastatic burden. Our results reveal a mechanistic connection between brain metastasis and Alzheimer's disease - two previously unrelated pathologies, establish Aβ as a promising therapeutic target for brain metastasis, and demonstrate suppression of neuroinflammation as a critical feature of metastatic adaptation to the brain parenchyma.