A mosaic of cross-phylum chemical interactions occurs between all metazoans and their microbiomes. A number of molecular families that are known to be produced by the microbiome have a marked effect on the balance between health and disease1–9. Considering the diversity of the human microbiome (which numbers over 40,000 operational taxonomic units10), the effect of the microbiome on the chemistry of an entire animal remains underexplored. Here we use mass spectrometry informatics and data visualization approaches11–13 to provide an assessment of the effects of the microbiome on the chemistry of an entire mammal by comparing metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice. We found that the microbiota affects the chemistry of all organs. This included the amino acid conjugations of host bile acids that were used to produce phenylalanocholic acid, tyrosocholic acid and leucocholic acid, which have not previously been characterized despite extensive research on bile-acid chemistry14. These bile-acid conjugates were also found in humans, and were enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis. These compounds agonized the farnesoid X receptor in vitro, and mice gavaged with the compounds showed reduced expression of bile-acid synthesis genes in vivo. Further studies are required to confirm whether these compounds have a physiological role in the host, and whether they contribute to gut diseases that are associated with microbiome dysbiosis. Metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice reveal effects of the microbiome on host chemistry, identifying conjugations of bile acids that are also enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis.

Summary The targeted deletion, replacement, integration, or inversion of DNA sequences at specified locations in the genome could be used to study or treat many human genetic diseases. Here, we describe twin prime editing (twinPE), a method for the programmable replacement or excision of DNA sequence at endogenous human genomic sites without requiring double-strand DNA breaks. TwinPE uses a prime editor (PE) protein and two prime editing guide RNAs (pegRNAs) that template the synthesis of complementary DNA flaps on opposing strands of genomic DNA, resulting in the replacement of endogenous DNA sequence between the PE-induced nick sites with pegRNA-encoded sequences. We show that twinPE in human cells can perform precise deletions of at least 780 bp and precise replacements of genomic DNA sequence with new sequences of at least 108 bp. By combining single or multiplexed twinPE with site-specific serine recombinases either in separate steps or in a single step, we demonstrate targeted integration of gene-sized DNA plasmids (>5,000 bp) into safe-harbor loci including AAVS1 , CCR5, and ALB in human cells. To our knowledge, these results represent the first RNA-programmable insertion of gene-sized DNA sequences into targeted genomic sites of unmodified human cells without requiring double-strand breaks or homology-directed repair. Twin PE combined with recombinases also mediated a 40,167-bp inversion at IDS that corrects a common Hunter syndrome allele. TwinPE expands the capabilities of precision gene editing without requiring double-strand DNA breaks and synergizes with other tools to enable the correction or complementation of large or complex pathogenic alleles in human cells.

Prime editing brings immense promise to correct a large number of human pathogenic mutations and enact diverse edit types without introducing widespread undesired editing events. Delivery of prime editors in vivo would enable such edits to be introduced in a clinical setting. The coding sequence for prime editor, however, is too large to fit within the size-constrained adeno-associated virus (AAV) genome. Herein, we describe a split Staphylococcus aureus prime editor capable of being delivered by dual AAVs. We characterize the editing ability of plasmid-based versions of an S. aureus prime editor in vitro at a variety of loci with diverse edit types. We investigate various split prime editor architectures and alternative dimerization domains. Finally, we demonstrate the capacity of prime editor to be co-delivered by dual AAVs in vitro. While editing rates are lower than desired, this approach presents an important step to translate prime editing for in vivo delivery.

Conditional protein degradation tags (degrons) are usually >100 amino acids long or are triggered by small molecules with substantial off-target effects, thwarting their use as specific modulators of endogenous protein levels. We developed a phage-assisted continuous evolution platform for molecular glue complexes (MG-PACE) and evolved a 36-amino acid zinc finger (ZF) degron (SD40) that binds the ubiquitin ligase substrate receptor cereblon in complex with PT-179, an orthogonal thalidomide derivative. Endogenous proteins tagged in-frame with SD40 using prime editing are degraded by otherwise inert PT-179. Cryo-electron microscopy structures of SD40 in complex with ligand-bound cereblon revealed mechanistic insights into the molecular basis of SD40's activity and specificity. Our efforts establish a system for continuous evolution of molecular glue complexes and provide ZF tags that overcome shortcomings associated with existing degrons.

Abstract Concentration of neurotransmitter inside synaptic vesicles (SVs) underlies the quantal nature of synaptic transmission. In contrast to many transporters, SV uptake of the principal excitatory neurotransmitter glutamate is driven by membrane potential. To prevent nonquantal efflux of glutamate after SV exocytosis, the vesicular glutamate transporters (VGLUTs) are allosterically inhibited by the neutral pH of the synaptic cleft. We have now determined high-resolution structures of VGLUT2 with a cyclic analog of glutamate bound that defines the mechanism of substrate recognition, a positively charged cytoplasmic vestibule that electrostatically attracts the negatively charged substrate, and modification by palmitoylation that promotes retrieval of the transporter after exocytosis. The structure also incorporates an extensive, cytoplasmic network of electrostatic interactions that acts as a gate. Functional analysis shows how this cytoplasmic gate confers the allosteric requirement for lumenal H + required to restrict VGLUT activity to SVs.

Abstract Replication initiator proteins (Reps) from the HUH-endonuclease superfamily process specific single-stranded DNA (ssDNA) sequences to initiate rolling circle/hairpin replication in viruses, such as crop ravaging geminiviruses and human disease causing parvoviruses. In biotechnology contexts, Reps are the basis for HUH-tag bioconjugation and a critical adeno-associated virus genome integration tool. We solved the first co-crystal structures of Reps complexed to ssDNA, revealing a key motif for conferring sequence specificity and for anchoring a bent DNA architecture. In combination, we developed a deep sequencing cleavage assay, termed HUH-seq, to interrogate subtleties in Rep specificity and demonstrate how differences can be exploited for multiplexed HUH-tagging. Together, our insights allowed engineering of only four amino acids in a Rep chimera to predictably alter sequence specificity. These results have important implications for modulating viral infections, developing Rep-based genomic integration tools, and enabling massively parallel HUH-tag barcoding and bioconjugation applications.

ABSTRACT Advanced biological molecule force probing methods such as atomic force microscopy and optical tweezers used to quantify forces at the single-molecule level are expensive and require extensive training and technical knowledge. However, the technologies underlying a centrifuge force microscope (CFM) are relatively straight forward, allowing for construction by labs with relatively low budgets and minimal training. Design ideas from previously constructed CFMs served as a guide in the development of this CFM. There were two primary goals: first, to develop an inexpensive, functional CFM using off-the-shelf and 3D printed parts; and second, to do so in the context of providing an educational experience for a broad range of students. The team included high school students and undergraduates from local high schools, the University of Minnesota, and other local higher education institutions. This project created an environment for student-focused development of the CFM that fostered active learning, individual ownership, as well as excellence in research. The instrument discussed herein represents a fully functional CFM designed and built by a postdoctoral researcher and a graduate student who together mentored several high school and undergraduate students. STATEMENT OF SIGNIFICANCE The presented centrifuge force microscope (CFM) builds on features of existing designs specifically engineered for probing macromolecular force interactions at the single-molecule level. In the coming years, more versatile and modular CFM designs will be utilized in the force spectroscopy field, and the presented design is a step in that direction. In addition to constructing a functional instrument, true student ownership of the project design was equally an end goal. Students from high school through graduate school were included, and the project was structured so that everyone was seen as peers. This active learning project allowed students to acquire scientific concepts and techniques and apply them to real-life situations.

Dietary lipids play an essential role in regulating the function of the gut microbiota and gastrointestinal tract, and these luminal interactions contribute to mediating host metabolism. PAHSAs are a class of lipids with anti-diabetic and anti-inflammatory properties, but whether the gut microbiota contributes to their beneficial effects on host metabolism is unknown. Here, we report that treating high fat diet (HFD)-fed germ-free mice with PAHSAs does not improve insulin sensitivity. However, transfer of feces from PAHSA-treated, but not Vehicle-treated, chow-fed mice increases insulin-sensitivity in HFD-fed germ free mice. Thus, the gut microbiota is necessary for and can transmit the insulin-sensitizing effects of PAHSAs in HFD-fed germ-free mice. Functional analyses of the cecal metagenome and lipidome of PAHSA-treated mice identified multiple lipid species that associate with the gut commensal Bacteroides thetaiotaomicron ( Bt ) and with insulin sensitivity resulting from PAHSA treatment. Bt supplementation in HFD-fed female mice prevented weight gain, reduced adiposity, improved glucose tolerance, fortified the colonic mucus barrier and reduced systemic inflammation versus chow-fed controls, effects that were not observed in HFD-fed male mice. Furthermore, ovariectomy partially reversed the beneficial Bt effects on host metabolism, indicating a role for sex hormones in mediating probiotic effects. Altogether, these studies highlight the fact that lipids can modulate the gut microbiota resulting in improvement in host metabolism and that PAHSA-induced changes in the microbiota result in at least some of their insulin-sensitizing effects in female mice.

Abstract Targeting glutamine metabolism has emerged as a novel therapeutic strategy for several human cancers, including ovarian cancer. The primary target of this approach is the kidney isoform of glutaminase, glutaminase 1 (GLS1), a key enzyme in glutamine metabolism that is overexpressed in several human cancers. A first-in-class inhibitor of GLS1, called CB839 (Telaglenastat), has been investigated in several clinical trials, with promising results. The first clinical trial of CB839 in platinum-resistant ovarian cancer patients is forthcoming. ARID1A -mutated ovarian clear cell carcinoma (OCCC) is a relatively indolent and chemoresistant ovarian cancer histotype. In OCCC-derived cells in vitro and mouse models, loss of ARID1A leads to upregulation of GLS1. Thus, targeting of GLS1 with CB839 has been suggested as a targeted approach for OCCC patients with tumors harboring ARID1A -mutations. Here, we investigated whether GLS1 is differentially expressed between OCCC patients whose tumors are ARID1A positive and patients whose tumors are ARID1A negative. In clinical specimens of OCCC, we found that GLS1 overexpression was not correlated with ARID1A loss. In addition, GLS1 overexpression was associated with better clinical outcomes. Our findings suggest that GLS1 expression in OCCC may be a protective factor and that caution should be taken when considering the use of CB839 to treat OCCC patients.

The most prevalent genetic cause of both amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia is a (GGGGCC)n nucleotide repeat expansion (NRE) occurring in the first intron of the C9orf72 gene (C9). Brain glucose hypometabolism is consistently observed in C9-NRE carriers, even at pre-symptomatic stages, although its potential role in disease pathogenesis is unknown. Here, we identified alterations in glucose metabolic pathways and ATP levels in the brain of asymptomatic C9-BAC mice. We found that, through activation of the GCN2 kinase, glucose hypometabolism drives the production of dipeptide repeat proteins (DPRs), impairs the survival of C9 patient-derived neurons, and triggers motor dysfunction in C9-BAC mice. We also found that one of the arginine-rich DPRs (PR) can directly contribute to glucose metabolism and metabolic stress. These findings provide a mechanistic link between energy imbalances and C9-ALS/FTD pathogenesis and support a feedforward loop model that opens several opportunities for therapeutic intervention.