Abstract The RAG1 and RAG2 proteins introduce double-strand DNA breaks at antigen-receptor loci in developing lymphocytes to initiate V(D)J recombination. How RAG proteins find the correct target locus in a vast excess of non-specific chromatin is not known. Here we measured dynamics of RAG1/RAG2 interactions with chromatin in living pro-B cells. We found that the majority of RAG1 or RAG1/RAG2 complex is in a fast 3D diffusive state, and the residual slow diffusive (bound) fraction was determined by a non-core portion of RAG1, and the PHD domain of RAG2. The RAG proteins exhibited distinct dynamics at the IgH locus. In particular, RAG2 increased the probability of RAG1 binding to IgH , a property that likely explains its non-catalytic role in V(D)J recombination. Our observations reveal how RAG finds its targets in developing B cells. One Sentence Summary Single-molecule imaging of the RAG recombinase reveals its search strategy for chromatin, H3K4me3 and antibody gene loci in living cells.

Abstract Microbial exposures are crucial environmental factors that impact healthspan by sculpting the immune system and microbiota. Antibody profiling via programmable Phage ImmunoPrecipitation Sequencing (PhIP-Seq) provides a high-throughput, costeffective approach for multiplexed detection of exposure and response to thousands of microbial protein products. Here we designed and constructed a library of 95,601 56 amino acid peptide tiles spanning a subset of environmental proteins more likely to be associated with immune responses: those with “toxin” or “virulence factor” keyword annotations. PhIP-Seq was used to profile the circulating antibodies of ~1,000 individuals against this “ToxScan” library of 14,430 toxins and virulence factors from 1,312 genera of organisms. In addition to a detailed analysis of six commonly encountered human commensals and pathogens, we study the age-dependent stability of the ToxScan profile and use a genome-wide association study (GWAS) to find that the MHC-II locus modulates the selection of bacterial epitopes. We detect previously described anti-flagellin antibody responses in a Crohn’s disease cohort and identify a novel association between anti-flagellin antibodies and juvenile dermatomyositis (JDM). PhIP-Seq with the ToxScan library provides a new window into exposure and immune responses to environmental protein toxins and virulence factors, which can be used to study human health and disease at cohort scale.

ABSTRACT Age-associated DNA methylation in blood cells convey information on health status. However, the mechanisms that drive these changes in circulating cells and their relationships to gene regulation are unknown. We identified age-associated DNA methylation sites in six purified blood borne immune cell types (naïve B, naïve CD4 + and CD8 + T cells, granulocytes, monocytes and NK cells) collected from healthy individuals interspersed over a wide age range. Of the thousand of age-associated sites, only 350 sites were differentially methylated in the same direction in all cell types and validated in an independent longitudinal cohort. Genes close to age-associated hypomethylated sites were enriched for collagen biosynthesis and complement cascade pathways, while genes close to hypermethylated sites mapped to neuronal pathways. In-silico analyses showed that in most cell types, the age-associated hypo- and hypermethylated sites were enriched for ARNT (HIF1β) and REST transcription factor motifs respectively, which are both master regulators of hypoxia response. To conclude, despite spatial heterogeneity, there is a commonality in the putative regulatory role with respect to transcription factor motifs and histone modifications at and around these sites. These features suggest that DNA methylation changes in healthy aging may be adaptive responses to fluctuations of oxygen availability.

Expression of T Cell Factor-1 (TCF1), encoded by Tcf7, regulates lineage fate decisions during T cell development. Here we demonstrate that E-proteins control the threshold of TCF1 expression required for development of T cells. E-proteins bind to five elements (EPEs) in the Tcf7 locus. The third element, EPE3, interacts directly with Tcf7 promoter in Hi-ChIP analyses, suggesting it is an active enhancer. CRISPR-ablation of EPE3 reduces TCF1 protein expression in precursor thymocytes by 2-fold and dramatically impairs development of αβ and γδ T cells. Single cell gene expression analysis identified differentiation blocks at multiple CD4-CD8- stages and subsequent transition to CD4+CD8+ stage. These data identify E-proteins and EPE3 as critical for the optimal TCF1 expression required for T cell development.

A progressive decline of skeletal muscle strength with aging is a primary cause of mobility loss and frailty in older persons, but the molecular mechanisms of such decline are not fully understood. Here, using quantitative discovery proteomic data from skeletal muscle specimens collected from 58 healthy persons aged 20 to 87 years show that ribosomal proteins and proteins related to energetic metabolism, including those related to the TCA cycle, mitochondria respiration, and glycolysis were underrepresented in older persons. Proteins with important roles in innate and adaptive immunity, involved in proteostasis and regulation of alternative splicing were all overrepresented in muscle from older persons. Changes with aging of alternative splicing were confirmed by RNA-seq. Overall, older muscle has a profound deficit of energetic metabolism, a pro-inflammatory environment and increased proteostasis. Upregulation of the splicing machinery maybe an attempt to compensate for these changes and this could be tested in future studies.

The canonical view of the cell cycle posits that G1 progression signals are essential after each mitosis to enter S phase. A subset of tumor cells bypass this requirement and progress to the next cell division in the absence of continued signaling. B and T lymphocytes of the adaptive immune system undergo a proliferative burst, termed clonal expansion, to generate pools of antigen specific cells for effective immunity. There is evidence that rules for lymphocyte cell division digress from the canonical model. Here we show that B lymphocytes sustain several rounds of mitogenindependent cell division following the first mitosis. Such division is driven by unique characteristics of the post mitotic G1 phase and limited by extensive cell death that can be circumvented by appropriate anti-apoptotic signals. An essential component for continued cell division is Birc5 (survivin), a protein associated with chromosome segregation in G2/M. Our observation provides direct evidence for Pardee hypothesis that retention of features of G2M in post-mitotic cells could trigger further cell cycle progression. The partially active G1 phase and propensity for apoptosis that is inherited after each division may permit rapid burst of proliferation and cell death that are hallmarks of immune responses.

Abstract The ubiquitously expressed transcription factor TFII-I is a multifunctional protein with pleiotropic roles in gene regulation. TFII-I associated polymorphisms are implicated in Sjögren’s syndrome and Lupus in humans and, germline deletion of the Gtf2i gene in mice leads to embryonic lethality. Here we report a unique role for TFII-I in homeostasis of innate properties of B lymphocytes. Loss of Gtf2i in murine B lineage cells leads to a change in transcriptome and chromatin landscape, which resembles myeloid-like features and coincides with enhanced sensitivity to LPS induced transcription. TFII-I deficient B cells also show increased switching to IgG3, a phenotype associated with inflammation. These results demonstrate a role for TFII-I in maintaining immune homeostasis and provide clues for GTF2I polymorphisms associated with B cell dominated autoimmune diseases in humans.

Mice with cardiac-specific overexpression of adenylyl cyclase (AC) type 8 (TG AC8 ) are under a constant state of severe myocardial stress and have been shown to have a remarkable ability to adapt to this stress. However, they eventually develop accelerated cardiac aging and cardiac fibrosis, and experience reduced longevity. Here we show that young (3-month-old) TG AC8 animals are characterized by a broad and extensive inflammatory state, that precedes the development of cardiac fibrosis. We demonstrate that activation of ACVIII in the cardiomyocytes results in cell-autonomous RelA-mediated NF-κB signaling. This is associated with non-cell-autonomous activation of proinflammatory and age-associated signaling in myocardial endothelial cells, increases in serum levels of inflammatory cytokines, changes in myocardial immune cells, and changes in the size or composition of lymphoid organs. Finally, we provide evidence suggesting that ACVIII-driven RelA activation in cardiomyocytes might be mediated by calcium-Protein Kinase A (PKA) signaling. Our findings highlight a novel mechanistic connection between cardiomyocyte stress, myocardial para-inflammation, systemic inflammation, and aging, and therefore point to novel potential therapeutic targets to reduce age-associated myocardial deterioration.

The bacterial transcription terminator Rho is a hexameric ATP-dependent RNA helicase that dislodges elongating RNA polymerases. It has an N-terminal primary RNA binding site (PBS) on each subunit and a C-terminal secondary RNA binding site at the central channel. Here, we show that Rho also binds to linear longer double-stranded DNAs (dsDNA) and the circular plasmids non-specifically using its PBS. However, this interaction could be competed efficiently by single-stranded DNA, dC34. Long dsDNA (3.5 kb) at the PBS activates short oligoC RNA-mediated ATPase activity at the secondary binding site (SBS). The pre-bound Rho to this long DNA reduces the rate and efficiency of its transcription termination activities in vitro. Elevated concentrations of Rho reduced the in vivo transcription level suggesting that Rho might also function as a non-specific repressor of gene expression under certain conditions. In the mid-log phase culture, Rho molecules were concentrated at the poles and along the membrane. In contrast, the Rho hexamers were observed to be distributed over the bacterial chromosome in the stationary phase likely in a hyper-oligomeric state composed of oligomers of hexamers. We propose that Rho molecules not engaged in the transcription termination process could use the bacterial chromosome as a “resting surface”. This way the “idle” DNA-bound Rho molecules could be kept away from accidentally loading onto the nascent RNA and initiating unwanted transcription termination.