SUMMARY It is not known whether hematopoietic stem cells (HSCs) undergo symmetric or asymmetric cell divisions in the unperturbed bone marrow. Here, we integrate data from HSC fate mapping and cell-cycle-dependent labeling through mathematical inference and thus gain insight into how HSCs coordinate self-renewal with differentiation. We find that most HSC divisions in adult mice are symmetric self-renewing, replacing HSCs lost by direct differentiation and death, and slowly expanding the HSC population. This expansion maintains constant HSC output to multipotent progenitors (MPPs), despite declining HSC differentiation rate with age. We identify a linear hierarchy of differentiation states between tip HSCs and MPPs, where Tie2 -driven HSC fate mapping fully covers the progression of the differentiating cells. A turning point from self-renewal to accelerated cell differentiation occurs between early-stage and late-stage MPPs, just before lineage differentiation becomes manifest in single-cell transcriptomes. This stem cell hierarchy precedes lineage differentiation and may limit mutation accumulation in the hematopoietic system.

SUMMARY T helper 1 (Th1) cell identity is defined by the expression of the lineage-defining transcription factor T-bet. Here, we examine the influence of T-bet expression heterogeneity on subset plasticity by leveraging cell sorting of distinct in vivo -differentiated Th1 cells based on their quantitative expression of T-bet and interferon-γ. Heterogeneous T-bet expression states were regulated by virus-induced type-I interferons and were stably maintained even after secondary viral infection. Exposed to Th2-polarizing conditions, the sorted subpopulations exhibited graded levels of plasticity: T-bet quantities were inversely correlated with the ability to express the Th2 lineage-specifying transcription factor GATA-3 and Th2 cytokines. Reprogramed Th1 cells acquired graded, but stable mixed Th1+2 phenotypes with a hybrid epigenetic landscape. Continuous presence of T-bet in differentiated Th1 cells was essential to ensure Th1 cell stability. Thus, innate cytokine signals regulate Th1 cell plasticity via an individual cell-intrinsic rheostat to enable T cell subset adaptation to subsequent challenges. HIGHLIGHTS Type-I interferons triggered by infection determine T-bet expression states in Th1 cells T-bet and IFN-γ expression states indicate the plasticity of individual Th1 cells Individual T-bet expression states and plasticity persist after secondary infection Reprogramming yields stable Th1+2 phenotypes and a mixed epigenetic landscape

Abstract G protein coupled receptor 37-like 1 (GPR37L1) is an orphan GPCR and its function remains largely unknown. Here we report that GPR37L1 transcript is highly expressed compared to all known GPCRs in mouse and human dorsal root ganglia (DRGs) and selectively expressed in satellite glial cells (SGCs). Peripheral neuropathy following diabetes and chemotherapy by streptozotocin and paclitaxel resulted in downregulations of surface GPR37L1 in mouse and human DRGs. Transgenic mice with Gpr37l1 deficiency exhibited impaired resolution of neuropathic pain symptom (mechanical allodynia), whereas overexpression of Gpr37l1 in mouse DRGs can reverse neuropathic pain. Notably, GPR37L1 is co-expressed and coupled with potassium channels in SGCs. We found striking species differences in potassium channel expression in SGCs, with predominant expression of KCNJ10 and KCNJ3 in mouse and human SGCs, respectively. GPR37L1 regulates the surface expression and function of KCNJ10 and KCNJ3. We identified the pro-resolving lipid mediator maresin 1 (MaR1) as a GPR37L1 ligand. MaR1 increases KCNJ10/KCNJ3-mediated potassium influx in SGCs via GPR37L1. MaR1 protected chemotherapy-induced suppression of KCNJ13/KCNJ10 expression and function in SGCs. Finally, genetic analysis revealed that the GPR37L1-E296K variant is associated with increased chronic pain risk by destabilizing the protein. Thus, GPR37L1 in SGCs offers a new target for neuropathy protection and pain control.

Abstract Wool traits of rabbits are important in fiber production and model organism research on hair growth, while the genetic architecture remains obscure. In this study, we focused on wool characteristics in Angora rabbits, a well-known fiber breed. Balancing genotyping cost and variant detection, we proposed low-coverage whole genome sequencing (LCS) followed by genotype imputation for genotyping. Different genotype imputation strategies, sequencing coverages and sample sizes were compared, and we found by BaseVar + STITCH, genotyping reached high accuracy (>0.97) at a depth of 1.0X and a sample size > 300. Multivariate GWAS followed by conditional GWAS and confidence interval estimation of QTLs were used to reveal the genetic architecture of wool traits. Six QTLs were detected with phenotypic variation contribution ranging from 0.42% to 7.50%. Gene-level mapping implicated FGF10 associated with fiber growth and diameter, which supported previous function research on fibroblast growth factor family in other species and provided genetic information for wool rabbit breeding. We suggest LCS as a cost-effective alternative for assessing common variants. GWAS combined with LCS can excavate QTLs and fine-map genes associated with quantitative traits. This study provides a powerful analysis mentality for investigating complex traits, which lays the foundation for genomic breeding.

Abstract Loss of α6β4-dependent hemidesmosomes has been observed during prostate cancer progression. However, the significance and underlying mechanisms by which aberrant hemidesmosome assembly may modulate tumorigenesis remain elusive. Using an extensive CRISPR/Cas9-mediated genetic engineering approaches in different prostate cancer cell lines combined with in vivo tumorigenesis studies in mice, bone marrow-on-chip assays and bioinformatics, as well as histological analysis of prostate cancer patient cohorts, we demonstrated that simultaneous loss of PTEN and hemidesmosomes induced several tumorigenic properties including proliferation, migration, resistance to anoikis, apoptosis, and drug treatment in vitro , and increased metastatic capacity in vivo . Our studies showed that these effects were driven by activation of EGFR/PI3K/Akt and FAK/Src-pathways and were abolished by plectin downregulation. Therefore, dual loss of PTEN and hemidesmosomes may have diagnostic value helping to stratify prostate cancer patients with high risk for development of aggressive disease and highlight plectin as a potential therapeutic target in prostate cancer.

SUMMARY Mammalian genomes harbor many more enhancers than genes, which greatly complicates the elucidation of cell-state-specific regulatory networks. Here, we developed a computational framework for learning enhancer-based gene networks from joint data on enhancer activity and transcript abundance. Dissecting the developmental plasticity of T helper (Th) cells with this approach, we uncovered a highly connected enhancer-gene network that supports graded Th-cell differentiation states, rather than mutual exclusivity of type-1 and type-2 immunity. Machine learning identifies a small number of regulatory enhancer types as network hubs. Hub enhancers in Th1 cells integrate as inputs the expression level of the master-regulator transcription factor, T-bet, and STAT signals governed by the cytokine environment. The quantitative balance between cell-intrinsic T-bet, driving phenotypic stability, and environmental cues enabling plasticity explains the heterogeneous reprogramming capacities of individual Th1 cells differentiating during natural infections in vivo . Moreover, we provide a framework for elucidating genome-scale regulatory networks based on enhancer activity.

Summary ZMYND11 encodes an epigenetic reader of histone methylation, functioning as a transcriptional corepressor. However, whether and how ZMYND11 contributes to cancer progression and therapy remains unclear. Here we report that ZMYND11 downregulation is prevalent in cancers and profoundly correlates with adverse prostate cancer patient outcomes. Depletion of ZMYND11 promotes tumor cell growth, migration and invasion in vitro as well as tumor formation and metastasis in vivo . Mechanistically, we find that ZMYND11 exhibits tumor suppressive roles through recognizing arginine-194-methylated HNRNPA1 dependent on its MYND domain, thereby squeezing HNRNPA1 in nucleus and inhibiting the formation of stress granules in cytoplasm. Furthermore, ZMYND11 antagonizes HNRNPA1-driven high PKM2/PKM1 ratio and counteracts PKM2-induced aggressive tumor phenotype. Remarkably, ZMYND11 recognition of HNRNPA1 could be disrupted by pharmaceutical inhibition of arginine methyltransferase PRMT5 while ZMYND11 low-expressing tumors are sensitive to the treatment of PRMT5 inhibitors. Collectively, our study unravels a novel and noncanonical function of ZMYND11 as the nonhistone methyl reader and discovers a mechanism for the requirement of arginine-methylation-mediated ZMYND11-HNRNPA1 association to restrict tumor progression and offers cancer therapeutic targets and potential biomarkers.

Summary: We have developed a rapid mixed model algorithm for exhaustive genome-wide epistatic association analysis by controlling multiple polygenic effects. Our model can simultaneously handle additive by additive epistasis, dominance by dominance epistasis and additive by dominance epistasis. Our method allows examination of all pairwise interactions in a remarkably fast manner of linear with population size. Application to publicly available yeast and human data has showed that our mixed model-based method has similar performance with simple linear model-based Plink on computational efficiency. It took less than 40 hours for the pairwise analysis of 5,000 individuals genotyped with roughly 350,000 SNPs with five threads on Intel Xeon E5 2.6GHz CPU. Availability and implementation: REMMAX is available at https://github.com/chaoning/GMAT.

Abstract Genome-wide association studies have identified 270 loci conferring risk for prostate cancer (PCa), yet the underlying biology and clinical impact remain to be investigated. Here we observe an enrichment of transcription factor genes including HNF1B within PCa risk-associated regions. While focused on the 17q12/HNF1B locus, we find a strong eQTL for HNF1B and multiple potential causal variants involved in the regulation of HNF1B expression in PCa. An unbiased genome-wide co-expression analysis reveals PCa-specific somatic TMPRSS2-ERG fusion as a transcriptional mediator of this locus and the HNF1B eQTL signal is ERG fusion status dependent. We investigate the role of HNF1B and find its involvement in several pathways related to cell cycle progression and PCa severity. Furthermore, HNF1B interacts with TMPRSS2-ERG to co-occupy large proportion of genomic regions with a remarkable enrichment of additional PCa risk alleles. We finally show that HNF1B co-opts ERG fusion to mediate mechanistic and biological effects of the PCa risk-associated locus 17p13.3/VPS53/FAM57A/GEMIN4. Taken together, we report an extensive germline-somatic interaction between TMPRSS2-ERG fusion and genetic variations underpinning PCa risk association and progression.

Abstract Genetic and nonmutational epigenetic alterations are cancer hallmark characteristics. However, the role of inherited cancer predisposition alleles in co-opting lineage factor epigenetic reprogramming and contributing to tumor progression remains elusive. Here the FinnGen cohort phenome-wide analysis, along with recent multiple genome-wide association studies, has consistently identified the rs339331-RFX6/6q22 locus associated with prostate cancer (PCa) risk across diverse populations. We uncover that rs339331 resides at a reprogrammed androgen receptor (AR) binding site in PCa tumors, with the T risk allele enhancing AR chromatin occupancy under androgen signaling. We establish that RFX6 is an AR-regulated gene, intricately linked with rs339331, exhibiting synergistic prognostic value for PCa recurrence and metastasis. Through comprehensive in vitro and in vivo studies, we establish the oncogenic functions of RFX6 in promoting PCa cell proliferation and metastasis. Mechanistically, RFX6 upregulates transcription factor HOXA10 that profoundly correlates with adverse PCa outcomes and is pivotal in RFX6-mediated PCa progression, facilitating the epithelial-mesenchymal transition (EMT) process and modulating the TGFβ/SMAD signaling axis. Clinically, HOXA10 elevation is associated with increased EMT scores, tumor advancement and PCa recurrence. Remarkably, reducing RFX6 expression restores responsiveness of enzalutamide-resistant PCa cells and tumors to treatment. Our study highlights an interplay of disrupted genetic and epigenetic mechanisms converging on prostate lineage AR signaling, resulting in abnormal expression of RFX6 conferring PCa pathogenesis and enzalutamide resistance.