Abstract The maintenance of gene expression patterns during metazoan development is achieved by the actions of Polycomb group (PcG) complexes. An essential modification marking silenced genes is monoubiquitination of histone H2A lysine 119 (H2AK119Ub) deposited by the E3 ubiquitin ligase activity of the non-canonical Polycomb Repressive Complex 1. The Polycomb Repressive Deubiquitinase (PR-DUB) complex cleaves monoubiquitin from histone H2A lysine 119 (H2AK119Ub) to restrict focal H2AK119Ub at Polycomb target sites and to protect active genes from aberrant silencing. BAP1 and ASXL1, subunits that form active PR-DUB, are among the most frequently mutated epigenetic factors in human cancers, underscoring their biological importance. How PR-DUB achieves specificity for H2AK119Ub to regulate Polycomb silencing is unknown, and the mechanisms of most of the mutations in BAP1 and ASXL1 found in cancer have not been established. Here we determine a cryo-EM structure of human BAP1 bound to the ASXL1 DEUBAD domain in complex with a H2AK119Ub nucleosome. Our structural, biochemical, and cellular data reveal the molecular interactions of BAP1 and ASXL1 with histones and DNA that are critical for remodeling the nucleosome and thus establishing specificity for H2AK119Ub. These results further provide a molecular explanation for how >50 mutations in BAP1 and ASXL1 found in cancer can dysregulate H2AK119Ub deubiquitination, providing new insight into understanding cancer etiology. One Sentence Summary We reveal the molecular mechanism of nucleosomal H2AK119Ub deubiquitination by human BAP1/ASXL1.

ABSTRACT Human Natural Killer (NK) cells are heterogeneous lymphocytes regulated by variegated arrays of germline-encoded activating and inhibitory receptors. They acquire the ability to detect polymorphic self-antigen via NKG2A/HLA-E or KIR/HLA-I ligand interactions through an education process. Correlations among HLA/KIR genes, kidney transplantation pathology and outcomes suggest that NK cells participate in allograft injury, but mechanisms linking NK HLA/KIR education to antibody-independent pathological functions remain unclear. We used CyTOF to characterize pre- and post-transplant peripheral blood NK cell phenotypes/functions before and after stimulation with allogeneic donor cells. Unsupervised clustering identified unique NK cell subpopulations present in varying proportions across patients, each of which responded heterogeneously to donor cells based on donor ligand expression patterns. Analyses of pre-transplant blood showed that educated, NKG2A/KIR-expressing NK cells responded greater than non-educated subsets to donor stimulators, and this heightened alloreactivity persisted > 6 months post-transplant despite immunosuppression. In distinct test and validation sets of patients participating in two clinical trials, pre-transplant donor-induced release of NK cell Ksp37, a cytotoxicity mediator, correlated with 2-year and 5-year eGFR. The findings explain previously reported associations between NK cell genotypes and transplant outcomes and suggest that pre-transplant NK cell analysis could function as a risk-assessment biomarker for transplant outcomes.

The tumor microenvironment and wound healing after injury, both contain extremely high concentrations of the extracellular signaling molecule, adenosine triphosphate (ATP) compared to normal tissue. P2Y2 receptor, an ATP-activated purinergic receptor, is typically associated with pulmonary, endothelial, and neurological cell signaling. Here we report its role and importance in breast epithelial cell signaling and how it’s altered in metastatic breast cancer. In response to ATP activation, P2Y2 receptor signaling causes an increase of intracellular Ca 2+ in non-tumorigenic breast epithelial cells, while their tumorigenic and metastatic counterparts have significantly reduced Ca 2+ responses. The non-tumorigenic cells respond to increased Ca 2+ with actin polymerization and localization to cellular junctions, while the metastatic cells remained unaffected. The increase in intracellular Ca 2+ after ATP stimulation could be blunted using a P2Y2 antagonist, which also prevented actin mobilization in non-tumorigenic breast epithelial cells. Furthermore, the lack of Ca 2+ concentration changes and actin mobilization in the metastatic breast cancer cells could be due to reduced P2Y2 expression, which correlates with poorer overall survival in breast cancer patients. This study elucidates rapid changes that occur after elevated intracellular Ca 2+ in breast epithelial cells and how metastatic cancer cells have adapted to evade this cellular response.This work shows non-tumorigenic breast epithelial cells increase intracellular Ca 2+ after ATP-P2Y2 signaling and re-localize actin, while metastatic cells lack this response, due to decreased P2Y2 expression, which correlates with poorer survival.

Periodic surface topographies with feature sizes comparable to those of in vivo collagen fibers are used to measure and compare actin dynamics for two representative cell types that have markedly different migratory modes and physiological purposes: slowly migrating epithelial MCF10A cells and polarizing, fast migrating, neutrophil-like HL60 cells. Both cell types exhibit reproducible guidance of actin waves (esotaxis) on these topographies, enabling quantitative comparisons of actin dynamics. We adapt a computer-vision algorithm, optical flow, to measure the directions of actin waves at the submicron scale. Clustering the optical flow into regions that move in similar directions enables micron-scale measurements of actin-wave speed and direction. Although the speed and morphology of actin waves differ between MCF10A and HL60 cells, the underlying actin guidance by nanotopography is similar in both cell types at the micron and sub-micron scales.

Summary Directional migration initiated at the wound edge leads epithelial sheets to migrate in wound healing. How such coherent migration is achieved is not well understood. Here we used electric fields to induce robust migration of sheets of human keratinocytes and developed an in silico model to characterize initiation and propagation of epithelial collective migration. Electric fields initiate increase in migrations directionality and speed at the leading edge. The increases propagate across the epithelial sheets, resulting in directional migration of cell sheets as coherent units. Both the experimental and in silico models demonstrated vector-like integration of the electric and default directional cues at the free edge in space and time. The resultant collective migration is remarkably consistent in experiments and modeling, both qualitatively and quantitatively. The keratinocyte model thus faithfully reflects key features of epithelial migration as a coherent tissue in vivo , e.g. that leading cells lead, and that epithelium maintains cell- cell junction.

The intricate regulation of chromatin plays a key role in controlling genome architecture and accessibility. Histone lysine methyltransferases regulate chromatin by catalyzing the methylation of specific histone residues but are also hypothesized to have equally important non-catalytic roles. SUV420H1 di- and tri-methylates histone H4 lysine 20 (H4K20me2/me3) and plays crucial roles in DNA replication, repair, and heterochromatin formation, and is dysregulated in several cancers. Many of these processes were linked to its catalytic activity. However, deletion and inhibition of SUV420H1 have shown distinct phenotypes suggesting the enzyme likely has uncharacterized non-catalytic activities. To characterize the catalytic and non-catalytic mechanisms SUV420H1 uses to modify chromatin, we determined cryo- EM structures of SUV420H1 complexes with nucleosomes containing histone H2A or its variant H2A.Z. Our structural, biochemical, biophysical, and cellular analyses reveal how both SUV420H1 recognizes its substrate and H2A.Z stimulates its activity, and show that SUV420H1 binding to nucleosomes causes a dramatic detachment of nucleosomal DNA from histone octamer. We hypothesize that this detachment increases DNA accessibility to large macromolecular complexes, a prerequisite for DNA replication and repair. We also show that SUV420H1 can promote chromatin condensates, another non-catalytic role that we speculate is needed for its heterochromatin functions. Together, our studies uncover and characterize the catalytic and non-catalytic mechanisms of SUV420H1, a key histone methyltransferase that plays an essential role in genomic stability.

Summary Collective cell migration is an umbrella term for a rich variety of cell behaviors, whose distinct character is essential for biological function, notably for cancer metastasis. One essential feature of collective behavior is the motion of cells relative to their immediate neighbors. We introduce an AI-based pipeline to segment and track cell nuclei from phase contrast images. Nuclei segmentation is based on a U-Net convolutional neural network trained on images with nucleus staining. Tracking, based on the Crocker-Grier algorithm, quantifies nuclei movement and allows for robust downstream analysis of collective motion. Since the AI algorithm required no new training data, our approach promises to be applicable to and yield new insights for vast libraries of existing collective motion images. In a systematic analysis of a cell line panel with oncogenic mutations, we find that the collective rearrangement metric, D 2 min, which reflects non-affine motion, shows promise as an indicator of metastatic potential. Graphical Abstract Highlights Versatile AI-based algorithm can robustly identify individual cells and track their motion from phase contrast images. Analysis of motion of cells relative to nearby neighbors distinguishes weakly tumorigenic (KRas) and metastatic (KRas/PTEN -/- ) cell lines.

Abstract During tumor development, promoter CpG islands (CGIs) that are normally silenced by Polycomb repressive complexes (PRCs) become DNA hypermethylated. The molecular mechanism by which de novo DNA methyltransferase(s) catalyze CpG methylation at PRC-regulated regions remains unclear. Here we report a cryo-EM structure of the DNMT3A long isoform (DNMT3A1) N-terminal region in complex with a nucleosome carrying PRC1-mediated histone H2A lysine 119 monoubiquitination (H2AK119Ub). We identify regions within the DNMT3A1 N-terminus that bind H2AK119Ub and the nucleosome acidic patch. This bidentate interaction is required for effective DNMT3A1 engagement with H2AK119Ub-modified chromatin in cells. Furthermore, aberrant redistribution of DNMT3A1 to Polycomb target genes inhibits their transcriptional activation during cell differentiation and recapitulates the cancer-associated DNA hypermethylation signature. This effect is rescued by disruption of the DNMT3A1-acidic patch interaction. Together, our analyses reveal a binding interface critical for countering promoter CGI DNA hypermethylation, a major molecular hallmark of cancer.