Summary The CRISPR-Cas13 system is an RNA-guided RNA-targeting system, and has been widely used in transcriptome engineering with potentially important clinical applications. However, it is still controversial whether Cas13 exhibits collateral activity in mammalian cells. Here, we found that knocking down gene expression using RfxCas13d in the adult brain neurons caused death of mice, which was not resulted from the loss of target gene function or off-target effects. Mechanistically, we showed that RfxCas13d exhibited collateral activity in mammalian cells, which is positively correlated with the abundance of target RNA. The collateral activity of RfxCas13d could cleave 28s rRNA into two fragments, leading to translation attenuation and activation of the ZAKα-JNK/p38-immediate early gene (IEG) pathway. These results provide new mechanistic insights into the collateral activity of RfxCas13d and warn that the biosafety of CRISPR-Cas13 system needs further evaluation before applying it to clinical treatments.

Abstract RNA-protein interactions play essential roles in tuning gene expression at RNA level and modulating the function of proteins. Abnormal RNA-protein interactions lead to cell dysfunction and human diseases. Therefore, mapping networks of RNA-protein interactions is crucial for understanding cellular mechanism and pathogenesis of diseases. Different practical protein-centric methods for studying RNA-protein interactions has been reported, but few RNA-centric methods exist. Here, we developed CRISPR-based RNA proximity proteomics (CBRPP), a new RNA-centric method to identify proteins associated with the target RNA in native cellular context without cross-linking or RNA manipulation in vitro. CBRPP is based on a fusion of dCas13 and proximity-based labeling (PBL) enzyme. dCas13 can deliver PBL enzyme to the target RNA with high specificity, while PBL enzyme labels the surrounding proteins of the target RNA, which are then identified by mass spectrometry.

Abstract Nodal, as a morphogen, plays important roles in cell fate decision, pattern formation and organizer function. But because of the complex context in vivo and technology limitations, systematic studying of genes, cell types and patterns induced by Nodal alone is still missing. Here, by using a relatively simplified model, the zebrafish blastula animal pole explant avoiding additional instructive signals and prepatterns, we constructed a single cell response landscape of graded Nodal signaling, identified 105 Nodal immediate targets and depicted their expression patterns. Our results show that Nodal signaling is sufficient to induce anterior-posterior patterned axial mesoderm and head structure. Surprisingly, the endoderm induced by Nodal alone is mainly the anterior endoderm which gives rise to the pharyngeal pouch only, but not internal organs. Among the 105 Nodal targets, we identified 14 genes carrying varying levels of axis induction capability. Overall, our work provides new insights for understanding of the Nodal function and a valuable resource for future studies of patterning and morphogenesis induced by it.

Abstract SARS-CoV-2, a positive single-stranded RNA virus, caused the COVID-19 pandemic. During the viral replication and transcription, the RNA dependent RNA polymerase (RdRp) “jumps” along the genome template, resulting in discontinuous negative-stranded transcripts. In other coronaviruses, the negative strand RNA was found functionally relevant to the activation of host innate immune responses. Although the sense-mRNA architectures of SARS-CoV-2 were reported, its negative strand was unexplored. Here, we deeply sequenced both strands of RNA and found SARS-CoV-2 transcription is strongly biased to form the sense strand. During negative strand synthesis, apart from canonical sub-genomic ORFs, numerous non-canonical fusion transcripts are formed, driven by 3-15 nt sequence homology scattered along the genome but more prone to be inhibited by SARS-CoV-2 RNA polymerase inhibitor Remdesivir. The drug also represses more of the negative than the positive strand synthesis as supported by a mathematic simulation model and experimental quantifications. Overall, this study opens new sights into SARS-CoV-2 biogenesis and may facilitate the anti-viral vaccine development and drug design. One Sentence Summary Strand-biased transcription of SARS-CoV-2.

Abstract Innate immune suppression and high blood fatty acid levels are the pathological basis of multiple metabolic diseases. Neutrophil vacuolation is an indicator of the immune status of patients, which is associated with autophagy-dependent granule degradation. Vacuolated neutrophils are observed in ethanol toxicity and septicemia patients due to the changes in their blood constituents, but how about the neutrophils in nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) patient is unknown. Here, we confirmed that an adhesion deficiency and an increased autophagy level existed in NAFLD neutrophils, and the three neutrophil granule subunits, namely, the azurophil granules, specific granules and gelatinase granules, could be engulfed by autophagosomes for degradation, and these autophagy-triggered granule degradation events were associated with vacuolation in palmitic acid (PA)-treated and NAFLD neutrophils. Concordantly, the adhesion-associated molecules CD11a, CD11b, CD18 and Rap1 on the three granule subunits were degraded during PA induced autophagy. Moreover, the cytosolic CD11a, CD11b, CD18 and Rap1 were targeted by Hsc70 and then delivered to lysosomal-like granules for degradation. Notably, in vitro and ex vivo , PA induced autophagy by inhibiting the p-PKCα/PKD2 pathway. Overall, we showed that high blood PA level inhibited the p-PKCα/PKD2 pathway to induce NAFLD neutrophil autophagy, which promoted the degradation of CD11a, CD11b, CD18 and Rap1 and further decreased the adhesion of neutrophils, thereby impairing the neutrophil function of NAFLD patients. This theory provides a new therapeutic strategy to improve the immune deficiency in NAFLD patients. Visual Abstract Key Points Vacuolation and adhesion deficiency of NAFLD neutrophils are associated with autophagy-dependent granule degradation PA inhibits p-PKCα/PKD2 to induce autophagy, which induces the degradation of CD11a, CD11b, CD18 and Rap1 and decreases neutrophil adhesion

Summary Regulation of chromatin accessibility determines the transcription activities of genes, which endow the host with function-specific gene expression patterns. It remains unclear how chromatin accessibility is specifically directed, particularly, during host defense against viral infection. We previously reported that the nuclear matrix protein SAFA surveils viral RNA and regulates antiviral immune genes expression. However, how SAFA regulates the expression and what determines the specificity of antiviral immune genes remains unknown. Here, we identified that the depletion of SAFA specifically decreased the chromatin accessibility, activation and expression of virus induced genes in a genome-wide scale after VSV infection. SAFA exclusively bound with antiviral related RNAs, which mediated the specific opening of the according chromatin and robust transcription of these genes. Knockdown of these associated RNAs dampened the accessibility of corresponding genes in an extranuclear signaling pathway dependent manner. Moreover, VSV infection cleaved SAFA protein at the C-terminus which deprived its RNA binding ability for immune evasion. Thus, our results demonstrated that SAFA and the interacting RNA products during viral infection collaborate and remodel chromatin accessibility to facilitate antiviral innate immune response.

Abstract Vinigrol is a natural diterpenoid with unprecedented chemical structure, driving great efforts into its total synthesis and the chemical analogs in the past decades. Despite its pharmacological efficacies reported on anti-hypertension and anti-clot, comprehensive functional investigations on Vinigrol and the underlying molecular mechanisms are entirely missing. In this study, we carried out a complete functional prediction of Vinigrol using a transcriptome-based strategy, Connectivity Map, and identified “anti-cancer” as the most prominent biofunction ahead of anti-hypertension and anti-depression/psychosis. A broad cytotoxicity was subsequently confirmed on multiple cancer types. Further mechanistic investigation on MCF7 cells revealed that its anti-cancer effect is mainly through activating PERK/eIF2α arm of unfolded protein response (UPR) and subsequent upregulation of p53/p21 to halt the cell cycle. The other two branches of UPR, IRE1α and ATF6, are functionally irrelevant to Vinigrol-induced cell death. CRISPR/Cas9-based gene activation, repression, and knockout systems identified essential contribution of ATF4/DDIT3 not ATF6 to the death process. This study unraveled a broad anti-cancer function of Vinigrol and its underlying targets and regulatory mechanisms, and also paved the way for further inspection on the structure-efficacy relationship of the whole compound family, making them a novel cluster of chemical hits for cancer therapy.

Abstract During gastrulation, the mesendoderm is firstly specified by morphogens such as Nodal, and then segregates into endoderm and mesoderm in a Nodal concentration-dependent manner. However, so far, the underlying mechanism of this segregation remains unclear. Here, taking zebrafish prechordal plate (PP) and endoderm (Endo) as research model, using single cell multi-omics and live imaging analyses, we show that anterior endodermal progenitors originate directly from prechordal plate. Deconvolution analysis for bulk RNA-seq datasets of Nodal-injected explants reveals that the specification of anterior endoderm from PP was determined by a relatively lower Nodal signaling. And a single-cell transcriptomic trajectory analysis of wild-type, ndr1 knockdown and lefty1 knockout Nodal explants confirms the diversification of Endo fate from PP progenitors. Genstoe Ontology (GO) enrichment analysis indicates that chromatin organization potentially underlies the segregation of endodermal cell fate from PP. A further single-cell ATAC and RNA sequencing analysis suggests a positive correlation between Nodal activity and chromatin openness. We then identify two transcriptional regulators, gsc and ripply1 , which are differentially activated in PP and Endo, and manipulation of their expression levels tilts the cell fate decision between these two lineages. Collectively, our study suggests that different levels of Nodal activity promote transcriptional diversification between PP and Endo potentially through modulation of chromatin states, which eventually leads to diversification in cell fate decisions.

Abstract Feingold syndrome type 1, caused by loss-of-function of MYCN, is characterized by varied phenotypes including esophageal and duodenal atresia. However, no adequate model exists for studying the syndrome’s pathological or molecular mechanisms, nor is there a treatment strategy. Here, we developed a zebrafish Feingold syndrome type 1 model with nonfunctional mycn , which had severe intestinal atresia. Single-cell RNA-seq identified a subcluster of intestinal cells was highly sensitive to Mycn, and impaired cell proliferation decreased the overall number of intestinal cells in the mycn mutant fish. Bulk RNA-seq and metabolomic analysis showed that expression of ribosomal genes was downregulated and amino acid metabolism was abnormal. Ribosomal profiling analysis showed decreases in free 40S, 60S, and 80S ribosome particles, which led to impaired translation in the mutant. Further, both L-leucine and Rheb, which can elevate translation via TOR pathway, rescued the intestinal phenotype of mycn mutant. In summary, by this zebrafish Feingold syndrome type 1 model, we found that disturbance of ribosomal biogenesis and blockage of protein synthesis during development are primary causes of the intestinal defect in Feingold syndrome type 1. Importantly, our work suggests that leucine supplementation may be a feasible and easy treatment option for this disease.

Abstract Sample multiplexing facilitates single cell sequencing by reducing costs, revealing subtle difference between similar samples, and identifying artifacts such as cell doublets. However, universal and cost-effective strategies are rather limited. Here, we reported a Concanavalin A-based Sample Barcoding strategy (CASB), which could be followed by both single-cell mRNA and ATAC (assay for transposase accessible chromatin) sequencing techniques. The method involves minimal sample processing, thereby preserving intact transcriptomic or epigenomic patterns. We demonstrated its high labeling efficiency, high accuracy in assigning cells/nuclei to samples regardless of cell type and genetic background, as well as high sensitivity in detecting doublets by two applications: 1) CASB followed by scRNA-seq to track the transcriptomic dynamics of a cancer cell line perturbed by multiple drugs, which revealed compound-specific heterogeneous response; 2) CASB together with both snATAC-seq and scRNA-seq to illustrate the IFN-γ-mediated dynamic changes on epigenome and transcriptome profile, which identified the transcription factor underlying heterogeneous IFN-γ response.