The adenosine analogue remdesivir has emerged as a frontline antiviral treatment for SARS-CoV-2, with preliminary evidence that it reduces the duration and severity of illness 1 . Prior clinical studies have identified adverse events 1,2 , and remdesivir has been shown to inhibit mitochondrial RNA polymerase in biochemical experiments 7 , yet little is known about the specific genetic pathways involved in cellular remdesivir metabolism and cytotoxicity. Through genome-wide CRISPR-Cas9 screening and RNA sequencing, we show that remdesivir treatment leads to a repression of mitochondrial respiratory activity, and we identify five genes whose loss significantly reduces remdesivir cytotoxicity. In particular, we show that loss of the mitochondrial nucleoside transporter SLC29A3 mitigates remdesivir toxicity without a commensurate decrease in SARS-CoV-2 antiviral potency and that the mitochondrial adenylate kinase AK2 is a remdesivir kinase required for remdesivir efficacy and toxicity. This work elucidates the cellular mechanisms of remdesivir metabolism and provides a candidate gene target to reduce remdesivir cytotoxicity.

ABSTRACT Aging and type 2 diabetes mellitus (T2DM) are associated with impaired skeletal muscle function and degeneration of the skeletal muscle microenvironment. However, the origin and mechanisms underlying the degeneration are not well described in human skeletal muscle. Here we show that skeletal muscles of T2DM patients exhibit pathological degenerative remodeling of the extracellular matrix that was associated with a selective increase of a subpopulation of fibro-adipogenic progenitors (FAPs) marked by expression of THY1 (CD90) - the FAP CD90+ . We identified Platelet-derived growth factor (PDGF) signaling as key regulator of human FAP biology, as it promotes proliferation and collagen production at the expense of adipogenesis, an effect accompanied with a metabolic shift towards glycolytic lactate fermentation. FAPs CD90+ showed a PDGF-mimetic phenotype, with high proliferative activity and clonogenicity, increased production of extracellular matrix production and enhanced glycolysis. Importantly, the pathogenic phenotype of T2DM FAP CD90+ was reduced by treatment with the anti-diabetic drug Metformin. These data identify PDGF-driven conversion of a sub-population of FAPs as a key event in the pathogenic accumulation of extracellular matrix in T2DM muscles.

ABSTRACT The tumor microenvironment (TME) in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDA) restricts vascularization and, consequently, access to blood-derived nutrients and oxygen, which impacts tumor growth. Intracellular redox imbalance is another restraint on cellular proliferation, yet it is unknown if the TME contributes to the maintenance of redox homeostasis in PDA cells. Here, we demonstrate that the loss of mitochondrial glutamate-oxaloacetate transaminase 2 (GOT2), a component in the malate-aspartate shuttle, disturbs redox homeostasis and halts proliferation of PDA cells in vitro. In contrast, GOT2 inhibition has no effect on in vivo tumor growth or tumorigenesis in an autochthonous model. We propose that this discrepancy is explained by heterocellular pyruvate exchange from the TME, including from cancer associated fibroblasts. More broadly, pyruvate similarly confers resistance to inhibitors of mitochondrial respiration. Genetic or pharmacologic inhibition of pyruvate uptake or metabolism abrogated pyruvate-mediated alleviation of reductive stress from NADH buildup. In sum, this work describes a potential resistance mechanism mediated by metabolic crosstalk within the pancreatic TME. These findings have important implications for metabolic treatment strategies since several mitochondrial inhibitors are currently in clinical trials for PDA and other cancers.

Nauclea officinalis (N. officinalis), a medicinal plant of the genus Nauclea in the family Rubiaceae, is used in the treatment of fever, pneumonia, pharyngolaryngitis, and enteritis in China. Extracts of N. officinalis include alkaloids, phenolic acids, pentacyclic triterpenoids, and flavonoids, which exert all kinds of pharmacological effects, for instance anti-inflammatory, anti-tumor, antibacterial, and antiviral and therefore show good effectiveness. To gain a comprehensive and deep understanding, the medicinal chemistry and chemical biology of N. officinalis are summarized in this review to provide a theoretical basis. The pharmacological effects were reviewed to provide evidence or insights into potential opportunities for further studies and medicinal exploitation of N. officinalis.

Abstract The human brain contains an extraordinarily diverse set of neuronal and glial cell types. Recent advances in single cell transcriptomics have begun to delineate the cellular heterogeneity in different brain regions, but the transcriptional regulatory programs responsible for the identity and function of each brain cell type remain to be defined. Here, we carried out single nucleus ATAC-seq analysis to probe the open chromatin landscape from over 1.1 million cells in 42 brain regions of three neurotypical adult donors. Integrative analysis of the resulting data identified 107 distinct cell types and revealed the cell-type-specific usage of 544,735 candidate cis-regulatory DNA elements (cCREs) in the human genome. Nearly 1/3 of them displayed sequence conservation as well as chromatin accessibility in the mouse brain. On the other hand, nearly 40% cCREs were human specific, with chromatin accessibility associated with species-restricted gene expression. Interestingly, these human specific cCREs were enriched for distinct families of retrotransposable elements, which displayed cell-type-specific chromatin accessibility. We uncovered strong associations between specific brain cell types and neuropsychiatric disorders. We futher developed deep learning models to predict regulatory function of non-coding disease risk variants.

Abstract The CRISPR RNA-guided endonucleases Cas9, and Cas9-derived adenine/cytosine base editors (ABE/CBE), have been used in both research and therapeutic applications. However, broader use of this gene editing toolbox is hampered by the great variability of efficiency among different target sites. Here we present TRAP-seq, a versatile and scalable approach in which the CRISPR gRNA expression cassette and the corresponding surrogate site are captured by T argeted R eporter A nchored P ositional Seq uencing in cells. TRAP-seq can faithfully recapitulate the CRISPR gene editing outcomes introduced to the corresponding endogenous genome site and most importantly enables massively parallel quantification of CRISPR gene editing in cells. We demonstrate the utility of this technology for high-throughput quantification of SpCas9 editing efficiency and indel outcomes for 12,000 gRNAs in human embryonic kidney cells. Using this approach, we also showed that TRAP-seq enables high throughput quantification of both ABE and CBE efficiency at 12,000 sites in cells. This rich amount of ABE/CBE outcome data enable us to reveal several novel nucleotide features (e.g. preference of flanking bases, nucleotide motifs, STOP recoding types) affecting base editing efficiency, as well as designing improved machine learning-based prediction tools for designing SpCas9, ABE and CBE gRNAs of high efficiency and accuracy (>70%). We have integrated all the 12,000 CRISPR gene editing outcomes for SpCas9, ABE and CBE into a CRISPR-centered portal: The Human CRISPR Atlas. This study extends our knowledge on CRISPR gene and base editing, and will facilitate the application and development of CRISPR in both research and therapy.

ABSTRACT In mice, intestinal tuft cells have been described as a long-lived, post-mitotic cell type of which two distinct subsets have been identified, named tuft-1 and tuft-2 1 . By combining analysis of primary human intestinal resection material and intestinal organoids, we identify four distinct human tuft cell states, two of which overlap with their murine counterparts. We show that tuft cell development depends on the presence of Wnt ligands, and that tuft cell numbers rapidly increase upon interleukin (IL)-4 and IL-13 exposure, as reported previously in mouse 2–4 . This occurs through proliferation of pre-existing tuft cells, rather than through increased de novo generation from stem cells. Indeed, proliferative tuft cells occur in vivo both in fetal and in adult human intestine. Single mature proliferating tuft cells can form organoids that contain all intestinal epithelial cell types. Unlike stem- and progenitor cells, human tuft cells survive irradiation damage and retain the ability to generate all other epithelial cell types. Accordingly, organoids engineered to lack tuft cells fail to recover from radiation-induced damage. Thus, tuft cells represent a damage-induced reserve intestinal stem cell pool in humans.

Abstract Prime editing enables search-and-replace genome editing but is limited by low editing efficiency. We present a high-throughput approach, PepSEq, to measure how fusion of 12,000 85-amino acid peptides derived from human DNA repair-related proteins influences prime editing efficiency. We show that peptide fusion can enhance prime editing, prime-enhancing peptides combine productively, and a top dual peptide-prime editor increases prime editing significantly in multiple cell lines across dozens of target sites.

The genetic basis of craniofacial birth defects and general variation in human facial shape remains poorly understood. Distant-acting transcriptional enhancers are a major category of non-coding genome function and have been shown to control the fine-tuned spatiotemporal expression of genes during critical stages of craniofacial development1-3. However, a lack of accurate maps of the genomic location and cell type-specific in vivo activities of all craniofacial enhancers prevents their systematic exploration in human genetics studies. Here, we combined histone modification and chromatin accessibility profiling from different stages of human craniofacial development with single-cell analyses of the developing mouse face to create a comprehensive catalogue of the regulatory landscape of facial development at tissue- and single cell-resolution. In total, we identified approximately 14,000 enhancers across seven developmental stages from weeks 4 through 8 of human embryonic face development. We used transgenic mouse reporter assays to determine the in vivo activity patterns of human face enhancers predicted from these data. Across 16 in vivo validated human enhancers, we observed a rich diversity of craniofacial subregions in which these enhancers are active in vivo. To annotate the cell type specificities of human-mouse conserved enhancers, we performed single-cell RNA-seq and single-nucleus ATAC-seq of mouse craniofacial tissues from embryonic days e11.5 to e15.5. By integrating these data across species, we find that the majority (56%) of human craniofacial enhancers are functionally conserved in mice, providing cell type- and embryonic stage-resolved predictions of their in vivo activity profiles. Using retrospective analysis of known craniofacial enhancers in combination with single cell-resolved transgenic reporter assays, we demonstrate the utility of these data for predicting the in vivo cell type specificity of enhancers. Taken together, our data provide an expansive resource for genetic and developmental studies of human craniofacial development.

SUMMARY One of cannabis’ most iconic effects is the stimulation of hedonic high-calorie eating – the ‘munchies’ – yet habitual cannabis users are on average leaner than non-users. We asked whether this unexpected phenotype might result from lasting changes in energy balance established during adolescence, when habitual use of the drug often begins. We found that daily low-dose administration of cannabis’ intoxicating constituent, Δ 9 -tetrahydrocannabinol (THC), to adolescent mice causes an adult metabolic phenotype characterized by reduced fat mass, increased lean mass and utilization of fat as fuel, partial resistance to diet-induced obesity and dyslipidemia, and enhanced thermogenesis. Multi-omics analyses revealed that this phenotype is associated with multiple molecular anomalies in the adipose organ, which include ectopic overexpression of muscle-associated proteins and heightened anabolic processing. Thus, adolescent exposure to THC may promote an enduring ‘pseudo-lean’ state that superficially resembles healthy leanness but might in fact be rooted in adipose organ dysfunction.