Abstract Coinfection by unrelated viruses in the respiratory tract is common and can result in changes in disease severity compared to infection by individual virus strains. We have previously shown that inoculation of mice with rhinovirus (RV) two days prior to inoculation with a lethal dose of influenza A virus (PR8), provides complete protection against mortality and reduces morbidity. In this study, we extended that finding to a second lethal respiratory virus, pneumonia virus of mice (PVM) and analyzed potential mechanisms whereby RV reduces lethal viral pneumonia caused by PR8 and PVM. RV prevented mortality and weight loss associated with PVM infection, suggesting that RV-mediated protection is more effective against PVM than PR8. Major changes in host gene expression upon PVM infection were delayed compared to PR8, which likely provides a larger time frame for RV-induced gene expression to alter the course of disease. Overall, RV induced earlier recruitment of inflammatory cells, while these populations were reduced at later times in RV-inoculated mice. Findings common to both virus pairs included upregulated expression of mucin-associated genes and dampening of inflammation-related genes in mice that were inoculated with RV prior to lethal virus infection. However, type I IFN signaling was required for RV-mediated protection against PR8, but not PVM. IFN signaling had minor effects on PR8 replication and contributed to controlling neutrophilic inflammation and subsequent hemorrhagic lung pathology in RV/PR8 infected mice. These findings, combined with differences in virus replication levels and disease severity, suggest that the suppression of inflammation in RV/PVM infected mice may be due to early, IFN-independent suppression of viral replication, while in RV/PR8 infected mice may be due to IFN-dependent modulation of immune responses. Thus, a mild upper respiratory viral infection can reduce the severity of a subsequent severe viral infection in the lungs through virus-dependent mechanisms. Author Summary Respiratory viruses from diverse families co-circulate in human populations and are frequently detected within the same host. Though clinical studies suggest that infection by more than one unrelated respiratory virus may alter disease severity, animal models in which we can control the doses, timing, and strains of coinfecting viruses are critical to understand how coinfection affects disease severity. In this study, we compared gene expression and immune cell recruitment between two pairs of viruses (RV/PR8 and RV/PVM) inoculated sequentially in mice that both result in reduced severity compared to lethal infection by PR8 or PVM alone. Reduced disease severity was associated with suppression of inflammatory responses in the lungs. However, differences in disease kinetics and host and viral gene expression suggest that protection by coinfection with RV may be due to distinct molecular mechanisms. Indeed, we found that antiviral cytokine signaling was required for RV-mediated protection against lethal infection by PR8, but not PVM.

Abstract Chromatin immunoprecipitation followed by massively parallel, high throughput sequencing (ChIP-seq) is the method of choice for identifying, on a genome-wide scale, the segments of DNA bound by specific transcription factors (TFs) or in chromatin with particular histone modifications. However, the quality of ChIP-seq datasets vary over a wide range, with a substantial fraction being of intermediate to poor quality. Such experimental variability can lead to many false positives or false negatives, impairing the ability to interpret the data. Thus, it is important to discern and control the factors that contribute to variation in ChIP-seq. In this study, we focus on the sonication step to produce sheared chromatin, a variable controllable by the user and applicable to all ChIP-seq protocols. We systematically varied the amount of shearing of fixed chromatin from a mouse erythroid cell line, carefully measured the distribution of resultant fragment lengths using the Agilent Bioanalzyer 2100, and then immunoprecipitated these batches of chromatin using highly specific antibodies against either TAL1 or CTCF. We found that the level of sonication, which was affected by both the number of sonication cycles, as well as the starting cell number, had a pronounced impact on the quality of resulting ChIP-seq signals. Specifically, over-sonication led to degradation of quality (e.g. increased background and reduction in signal), while the impact of under-sonication of chromatin differed between the two transcription factors, leading to the loss of sites occupied by TAL1 but not those bound by CTCF. We leveraged these findings to produce a set of CTCF ChIP-seq datasets in primary hematopoietic progenitor cells, including several rare cell types. Together, these results suggest that the amount of sonication is a key variable in success of ChIP-seq experiments, and that carefully monitoring the level of chromatin sonication is one way to improve ChIP-seq quality and reproducibility, which in turn facilitates low input ChIP-seq in rare cell types.

Knowledge of locations and activities of cis-regulatory elements (CREs) is needed to decipher basic mechanisms of gene regulation and to understand the impact of genetic variants on complex traits. Previous studies identified candidate CREs (cCREs) using epigenetic features in one species, making comparisons difficult across species. In contrast, we conducted a cross-species study defining epigenetic states and identifying cCREs in blood cell types to generate regulatory maps that are comparable across species. This study used integrative modeling of eight epigenetic features jointly in human and mouse in our Validated Systematic Integration (VISION) Project. The contribution of each epigenetic state in cCREs to gene regulation was estimated from a multivariate regression against gene expression across cell types. We used these values to estimate epigenetic state Regulatory Potential (esRP) scores for each cCRE in each cell type, which are useful for visualizing and categorizing dynamic changes in cCREs. Groups of cCREs displaying similar patterns of regulatory activity in human and mouse cell types, obtained by joint clustering on esRP scores, harbored distinctive transcription factor binding motifs that were similar across species. Genetic variants associated with blood cell phenotypes were highly and specifically enriched in the catalog of human VISION cCREs, supporting its utility for understanding impacts of noncoding genetic variants on blood cell-related traits. A cross-species comparison of cCREs, based on the joint modeling, revealed both conserved and lineage-specific patterns of epigenetic evolution, even in the absence of genomic sequence alignment. We provide these resources through tools and browsers at http://usevision.org.

Knowledge of locations and activities of cis -regulatory elements (CREs) is needed to decipher basic mechanisms of gene regulation and to understand the impact of genetic variants on complex traits. Previous studies identified candidate CREs (cCREs) using epigenetic features in one species, making comparisons difficult between species. In contrast, we conducted an interspecies study defining epigenetic states and identifying cCREs in blood cell types to generate regulatory maps that are comparable between species, using integrative modeling of eight epigenetic features jointly in human and mouse in our Validated Systematic Integration (VISION) Project. The resulting catalogs of cCREs are useful resources for further studies of gene regulation in blood cells, indicated by high overlap with known functional elements and strong enrichment for human genetic variants associated with blood cell phenotypes. The contribution of each epigenetic state in cCREs to gene regulation, inferred from a multivariate regression, was used to estimate epigenetic state Regulatory Potential (esRP) scores for each cCRE in each cell type, which were used to categorize dynamic changes in cCREs. Groups of cCREs displaying similar patterns of regulatory activity in human and mouse cell types, obtained by joint clustering on esRP scores, harbored distinctive transcription factor binding motifs that were similar between species. An interspecies comparison of cCREs revealed both conserved and species-specific patterns of epigenetic evolution. Finally, we showed that comparisons of the epigenetic landscape between species can reveal elements with similar roles in regulation, even in the absence of genomic sequence alignment.

Background: The pathogenesis of primary sclerosing cholangitis (PSC) is unclear, although studies implicate IL-17A as an inflammatory mediator in this disease. However, a direct assessment of IL-17 signaling in PSC cholangiocytes is lacking. In this study, we aimed to investigate and characterize the response of PSC extrahepatic cholangiocyte organoids (ECO) to IL-17A stimulation. Methods: Cholangiocytes obtained from patients with PSC and without PSC by endoscopic retrograde cholangiography were cultured as ECO. The ECO were treated with vehicle or IL-17A and assessed by transcriptomics, secretome analysis, and genome sequencing. Results: Unsupervised clustering of all integrated single-cell RNA sequencing data identified 8 cholangiocyte clusters that did not differ between PSC and non-PSC ECO. However, PSC ECO cells demonstrated a robust response to IL-17 treatment, as noted by an increased number of differentially expressed genes by transcriptomics and more abundant chemokine and cytokine expression and secretion. After rigorous filtering, genome sequencing identified candidate somatic variants shared among PSC ECO from unrelated individuals. However, no candidate rare variants in genes regulating the IL-17 pathway were identified, but rare variants regulating the MAPK signaling pathway were present in all PSC ECO. Conclusions: PSC and non-PSC patient-derived ECO respond differently to IL-17 stimulation, implicating this pathway in the pathogenesis of PSC.

Solanum sisymbriifolium, also known as "Litchi Tomato" or "Sticky Nightshade," is an undomesticated and poorly researched plant related to potato and tomato. Unlike the latter species, S. sisymbriifolium induces eggs of the cyst nematode, Globodera pallida, to hatch and migrate into its roots, but then arrests further nematode maturation. In order to provide researchers with a partial blueprint of its genetic make-up so that the mechanism of this response might be identified, we used single molecule real time (SMRT) sequencing to compile a high quality de novo transcriptome of 41,189 unigenes drawn from individually sequenced bud, root, stem, and leaf RNA populations. Functional annotation and BUSCO analysis showed that this transcriptome was surprisingly complete, even though it represented genes expressed at a single time point. By sequencing the 4 organ libraries separately, we found we could get a reliable snapshot of transcript distributions in each organ. A divergent site analysis of the merged transcriptome indicated that this species might have undergone a recent genome duplication and re-diploidization. Further analysis indicated that the plant then retained a disproportionate number of genes associated with photosynthesis and amino acid metabolism in comparison to genes with characteristics of R-proteins or involved in secondary metabolism. The former processes may have given S. sisymbriifolium a bigger competitive advantage than the latter did.

Thousands of epigenomic datasets have been generated in the past decade, but it is difficult for researchers to effectively utilize all the data relevant to their projects. Systematic integrative analysis can help meet this need, and the VISION project was established for V al I dated S ystematic I ntegrati ON of epigenomic data in hematopoiesis. Here, we systematically integrated extensive data recording epigenetic features and transcriptomes from many sources, including individual laboratories and consortia, to produce a comprehensive view of the regulatory landscape of differentiating hematopoietic cell types in mouse. By employing IDEAS as our I ntegrative and D iscriminative E pigenome A nnotation S ystem, we identified and assigned epigenetic states simultaneously along chromosomes and across cell types, precisely and comprehensively. Combining nuclease accessibility and epigenetic states produced a set of over 200,000 candidate cis -regulatory elements (cCREs) that efficiently capture enhancers and promoters. The transitions in epigenetic states of these cCREs across cell types provided insights into mechanisms of regulation, including decreases in numbers of active cCREs during differentiation of most lineages, transitions from poised to active or inactive states, and shifts in nuclease accessibility of CTCF-bound elements. Regression modeling of epigenetic states at cCREs and gene expression produced a versatile resource to improve selection of cCREs potentially regulating target genes. These resources are available from our VISION website (usevision.org) to aid research in genomics and hematopoiesis.