ABSTRACT Genotype imputation is a fundamental step in genomic data analysis such as GWAS, where missing variant genotypes are predicted using the existing genotypes of nearby ‘tag’ variants. Imputation greatly decreases the genotyping cost and provides high-quality estimates of common variant genotypes. As population panels increase, e.g., the TOPMED Project, genotype imputation is becoming more accurate, but it requires high computational power. Although researchers can outsource genotype imputation, privacy concerns may prohibit genetic data sharing with an untrusted imputation service. To address this problem, we developed the first fully secure genotype imputation by utilizing ultra-fast homomorphic encryption (HE) techniques that can evaluate millions of imputation models in seconds. In HE-based methods, the genotype data is end-to-end encrypted, i.e., encrypted in transit, at rest, and, most importantly, in analysis, and can be decrypted only by the data owner. We compared secure imputation with three other state-of-the-art non-secure methods under different settings. We found that HE-based methods provide full genetic data security with comparable or slightly lower accuracy. In addition, HE-based methods have time and memory requirements that are comparable and even lower than the non-secure methods. We provide five different implementations and workflows that make use of three cutting-edge HE schemes (BFV, CKKS, TFHE) developed by the top contestants of the iDASH19 Genome Privacy Challenge. Our results provide strong evidence that HE-based methods can practically perform resource-intensive computations for high throughput genetic data analysis. In addition, the publicly available codebases provide a reference for the development of secure genomic data analysis methods.

Female fertility is the capacity to produce oocytes and achieve fertilization and pregnancy, and these outcomes are impaired by age, diseases, environment and social pressure. However, there is no effective therapy that preserves female reproductive ability. Mesenchymal stromal cells (MSCs) can exhibit multidirectional differentiation potential, and they have gained great attention as a tool for preserving female fertility. Therefore, this study uses human umbilical cords-MSCs (Huc-MSCs) to preserve and restore fertility in aging female mice and chemotherapy-damaged mice through the rescue of ovarian function and the reconstruction of the fallopian tubes and uterus. In our study, 2 mouse models were generated: aging mice (37 weeks old) and chemotherapy-damaged mice. Then, we injected Huc-MSCs into mice through the tail vein. After treatment, the effect of MSCs on the ovary, fallopian tubes and uterus was evaluated by analyzing gonadal hormone levels and by performing morphological analysis and statistical analysis. The levels of E2 and FSH exhibited a significant recovery after HUC-MSC transplantation both in aging mice and mice treated with chemotherapy. Huc-MSC treatment also increased the numbers of primordial, developing and preovulatory follicles in the ovaries of mice. Meanwhile, MSCs have been shown to rescue the morphology of the fallopian tubes and uterus through mechanisms such as regenerating the cilia in fallopian tubes and reforming glands and chorionic villi in the uterus. Therefore, it is suggested that Huc-MSCs may represent an effective potential treatment for preserving female fertility through recovery from chemotherapy damage and rescuing female reproductive organs from the effects of aging.

FBXW7 is a tumor suppressive E3 ubiquitin ligase, whereas the RAS/ERK and mTORC1 are two major oncogenic pathways. Whether and how FBXW7 regulates these two oncogenic pathways are unknown. While SHOC2 is a scaffold protein that activates RAS/ERK signal, whether and how SHOC2 regulates mTORC1 is unknown. Here we showed that SHOC2 is a novel substrate of FBXW7. Upon phosphorylation on Thr507 by ATR, SHOC2 is recognized by FBXW7 for targeted ubiquitylation and degradation. Consistently, SHOC2-induced RAS/ERK activation and cell growth are inhibited by FBXW7. Furthermore, SHOC2 selectively binds to Raptor to competitively inhibit the Raptor-mTOR binding to inactivate mTORC1 and induce autophagy, whereas Raptor binding of SHOC2 inhibits the SHOC2-RAS binding to block MAPK pathway and proliferation. Finally, SHOC2 is overexpressed in human pancreatic cancer, which correlated with poor patient survival, and multiple SHOC2 mutations were found in human lung cancer tissues with the gain-of-function activity. Collectively, our study established that SHOC2-Raptor interaction triggers negative cross-talk between the RAS-ERK and mTORC1 pathways, whereas FBXW7 regulates both pathways via targeting SHOC2 for ubiquitylation and degradation.

Abstract Background Recently, some researchers have reported that PIgR expression is down-regulated in Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) and SIgA deficiency correlates with severity of airflow obstruction. What’ s more, some studies have demonstrated that 2 percent of hydrogen or hydrogen water is effective in treating and preventing various diseases. Objectives The aim of this study was to observe the effect of hydrogen on the expression of SIgA, PIgR, IL-4, IL-5, TGF-β1 and IL-40 in lung tissue of COPD rats, to study the relationship between lung pathology parameter and SIgA, PIgR, therefore we can understand the effect of hydrogen on the development of COPD by changing SIgA expression of airway mucosal in COPD rats. Methods A rat model of COPD was established by cigarette smoke exposure, and different concentrations of hydrogen were inhaled as intervention measures. After 4 months of cigarette smoke exposure, pathologic changes and airway wall remodeling of the lung were assessed by optical microscope. The protein expressions of SIgA, PIgR, IL-4, IL-5, TGF-β1 as well as IL-40 in the lung tissues were observed by immunohistochemistry or Western blot. The correlation between lung pathology parameter and the expression of SIgA, PIgR was analyzed. The correlation between SIgA and the expression of IL-4, IL-5, TGF-β1 and IL-40 was analyzed. Results The results showed that hydrogen inhalation significantly ameliorated lung pathology and airway wall remodeling, increased the protein expression of SIgA, PIgR, IL-4, IL-5, and IL-40, and reduced the protein expression of TGF-β1. Conclusions Inhalation of 22% and 41.6% hydrogen showed a better effect than inhalation of 2% hydrogen. Hydrogen inhalation can significantly improve the expression of SIgA on the mucosal surface of COPD rats, which may be one of the mechanisms which hydrogen works on COPD pathogenesis.

Background KRAS is one of the most frequently mutated oncogenes in human cancers, but its activating mutations have remained undruggable due to its picomolar affinity for GTP/GDP and its smooth protein structure resulting in the absence of known allosteric regulatory sites.Results With the goal of treating mutated KRAS -driven cancers, two CRISPR systems, CRISPR-SpCas9 genome-editing system and transcription-regulating system dCas9-KRAB, were developed to directly deplete KRAS mutant allele or to repress its transcription in cancer cells, respectively, through guide RNA specifically targeting the mutant but not wild-type allele. The effect of in vitro proliferation and cell cycle on cancer cells as well as in vivo tumor growth was examined after delivery of Cas9 system. SpCas9 and dCas9-KRAB systems with sgRNA targeting the mutant allele both blocked the expression of mutant KRAS gene, leading to an inhibition of cancer cell proliferation. Local adenoviral injections using SpCas9 and dCas9-KRAB systems both suppressed tumor growth in vivo . The gene-depletion system (SpCas9) performed more effectively than the transcription-suppressing system (dCas9-KRAB) on tumor inhibition. Application of both Cas9 systems to wild-type KRAS tumor cells did not affect cell proliferation in vitro and in vivo . Furthermore, through bioinformatic analysis of 31555 SNP mutations of the top 20 cancer driver genes, we showed that our mutant-specific editing strategy could be extended to a list of oncogenic mutations with high editing potentials, and this pipeline can be applied to analyze the distribution of PAM sequence in the genome to survey the best targets for other editing purpose.Conclusions We successfully developed both gene-depletion and transcription-suppressing systems to specifically target an oncogenic mutant allele of KRAS which led to significant tumor regression. It provides a promising strategy for the treatment of tumors with driver gene mutations.* PDACs : pancreatic ductal adenocarcinomas CRCs : colorectal adenocarcinomas LACs : lung adenocarcinomas CRISPR : Clustered regularly interspaced short palindromic repeats SpCas9 : S.pyogenes CRISPR associated protein 9 EGFR : epidermal growth factor receptor dCas9 : dead Cas9 KRAB : Krüppel associated box PAM : protospacer adjacent motif NGS : next generation sequencing CFA : colony formation assay DSB : double stand break IHC : immunohistochemical WB : western blot SNV : single nucleotide variation S : sense AS : anti-sense SNP : single-nucleotide polymorphism AAV : adeno-associated viral ATCC : American Type Culture Collection DMEM : Dulbecco’s modified Eagle’s medium GAPDH : glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase H&E : hematoxylin and eosin