GlycoRNA consists of RNAs modified with secretory N-glycans that are presented on the cell surface. Although previous work supported a covalent linkage between RNA and glycans, the direct chemical nature of the RNA-glycan connection was not described. Here, we develop a sensitive and scalable protocol to detect and characterize native glycoRNAs. Leveraging RNA-optimized periodate oxidation and aldehyde ligation (rPAL) and sequential window acquisition of all theoretical mass spectra (SWATH-MS), we identified the modified RNA base 3-(3-amino-3-carboxypropyl)uridine (acp

Abstract Modulation of the cervix by steroid hormones and commensal microbiome play a central role in the health of the female reproductive tract. Here we describe organ-on-a-chip (Organ Chip) models that recreate the human cervical epithelial-stromal interface with a functional epithelial barrier and production of mucus with biochemical and hormone-responsive properties similar to living cervix. When Cervix Chips are populated with optimal healthy versus dysbiotic microbial communities (dominated by Lactobacillus crispatus and Gardnerella vaginalis , respectively), significant differences in tissue innate immune responses, barrier function, cell viability, proteome, and mucus composition are observed that are similar to those seen in vivo. Thus, human Cervix Organ Chips represent physiologically relevant in vitro models to study cervix physiology and host-microbiome interactions, and hence may be used as a preclinical testbed for development of therapeutic interventions to enhance women’s health.

ABSTRACT Modulation of mucus production by the human endo– and ecto-cervical epithelium by steroid hormones and associated interactions with commensal microbiome play a central role in the physiology and pathophysiology of the female reproductive tract. However, most of our knowledge about these interactions is based on results from animal studies or in vitro models that fail to faithfully mimic the mucosal environment of the human cervix. Here we describe microfluidic organ-on-a-chip (Organ Chip) models of the human cervical mucosa that recreate the cervical epithelial-stromal interface with a functional epithelial barrier and produce abundant mucus that has compositional, biophysical, and hormone-responsive properties similar to the living cervix. Application of continuous fluid flow to chips lined with primary human cervical epithelial cells from a commercial source that contained a mixture of primary human ecto– and endo-cervical epithelial cells promoted preferential expression of the ecto-cervical phenotype, whereas use of periodic flow including periods of stasis induced endo-cervical specialization. When the periodic flow Cervix Chips were co-cultured with living Lactobacillus crispatus and Gardnerella vaginalis bacterial communities to respectively mimic the effects of human host interactions with optimal (healthy) or non-optimal (dysbiotic) microbiome associated with an ascending infection in the female reproductive tract, significant differences in tissue innate immune responses, barrier function, cell viability and protein profile, and mucus composition were detected reminiscent of those observed in vivo . Thus, these Organ Chip models of human cervix provide a physiologically relevant experimental in vitro model to study cervical mucus physiology and its role in human host-microbiome interactions as well as a potential preclinical testbed for development of therapeutic interventions to enhance women’s health.

Abstract Chemical modifications of RNA are associated with fundamental biological processes such as RNA splicing, export, translation, degradation, as well as human disease states such as cancer. However, the analysis of ribonucleoside modifications is impeded due to the hydrophilicity of the ribonucleoside molecules. In this research, we used solid-phase permethylation to derivatize the ribonucleosides, and the permethylated ribonucleosides, which were then quantitively analyzed using a liquid chromatography−tandem mass spectrometry (LC−MS/MS)-based method. The solid-phase permethylation efficiently derivatized the ribonucleosides, and more than 60 RNA modifications were simultaneously monitored using ultrahigh-performance liquid chromatography coupled with triple quadrupole mass spectrometry (UHPLC-QqQ-MS) performed in the dynamic multiple reaction monitoring (dMRM) mode. Because of the increased hydrophobicity of permethylated ribonucleosides, this method enhanced retention, separation, and ionization efficiency, resulting in improved detection and quantification when compared to existing analytical strategies of RNA modifications. We applied this new approach to measure the extent of cytosine methylation and hydroxymethylation in RNA obtained from mouse embryonic stem cells with genetic deficiencies in ten-eleven translocation (TET) enzymes. The results matched previously performed analyses and highlighted the sensitivity, efficacy, and robustness of the new method. The advantage of this method enables comprehensive analysis of RNA modifications in biological samples. Abstract Figure

Abstract Glycans modify protein, lipid, and even RNA molecules to form the regulatory outer coat on cells called the glycocalyx. The changes in glycosylation have been linked to the initiation and progression of many diseases. Thus, while the significance of glycosylation is well established, a lack of accessible methods to characterize glycans has hindered the ability to understand their biological functions. Mass spectrometry (MS)-based methods have generally been at the core of most glycan profiling efforts; however, modern data-independent acquisition (DIA), which could increase sensitivity and simplify workflows, has not been benchmarked for analyzing glycans. Herein, we developed a DIA-based glycomic workflow, termed GlycanDIA, to identify and quantify glycans with high sensitivity and accuracy. The GlycanDIA workflow combined higher energy collisional dissociation (HCD)-MS/MS and staggered windows for glycomic analysis, which facilitates the sensitivity in identification and the accuracy in quantification compared to conventional data-dependent acquisition (DDA)-based glycomics. To facilitate its use, we also developed a generic search engine, GlycanDIA Finder, incorporating an iterative decoy searching for confident glycan identification and quantification from DIA data. The results showed that GlycanDIA can distinguish glycan composition and isomers from N -glycans, O -glycans, and human milk oligosaccharides (HMOs), while it also reveals information on low-abundant modified glycans. With the improved sensitivity, we performed experiments to profile N -glycans from RNA samples, which have been underrepresented due to their low abundance. Using this integrative workflow to unravel the N -glycan profile in cellular and tissue glycoRNA samples, we found that RNA-glycans have specific forms as compared to protein-glycans and are also tissue-specific differences, suggesting distinct functions in biological processes. Overall, GlycanDIA can provide comprehensive information for glycan identification and quantification, enabling researchers to obtain in-depth and refined details on the biological roles of glycosylation. Graphical Abstract

Abstract To determine how nuclease deactivated Cas9 (dCas9) or sgRNA expression level affects the knockdown efficiency of CRISPRi, K562 cell clones expressing KRAB-dCas9 protein either with the inducible Tet-on system or with the constitutive SFFV promotor were created by lentiviral transduction, and single clones were selected by fluorescence-activated cell sorting (FACS) for further study. Six genes with various expression levels were targeted using lentiviral sgRNA from two libraries in four cell clones with various KRAB-dCas9 expression levels. We determined the knockdown efficiency and the expression level of the dCas9 protein /sgRNA level by flow cytometry. The cell clone with the highest KRAB-dCas9 expression level achieved effective CRISPRi knockdown, and is statistically different from other clones, indicating enough KRAB-dCas9 expression might be a prerequisite for CRISPRi. Utilizing this clone, we modified the expression level of sgRNA by adopting different multiplicity of infection (MOI)in lentiviral transduction and found that the knockdown efficiency was neither affected by the target gene expression level nor does it correlate with KRAB-dCas9 level, which remained relatively constant (CV=2.2%) across knockdown experiments. 74.72%, 72.28%, 39.08% knockdown of mmadhc, rpia, znf148 genes were achieved, and the knockdown efficiency correlated well with the sgRNA expression level. Linear regression modeling of the data revealed that the knockdown efficiency is significantly affected by both KRAB-dCas9 and sgRNA level, and the sgRNA level has a greater impact, based on the standardized coefficient (0.525 for KRAB-dCas9, 0.981 for sgRNA), indicating that sgRNA level is a major factor affecting CRISPRi efficiency.

We recently identified glycoRNA-a previously undescribed glycoconjugate-which consists of RNAs modified with secretory N-glycans and presented on the cell surface. While previous work supported a covalent linkage between RNA and glycans, the direct chemical nature of the RNA-glycan connection was not described. Here we develop a sensitive and scalable protocol to detect and characterize native glycoRNAs. Leveraging periodate oxidation and aldehyde ligation (rPAL) and Sequential Window Acquisition of all Theoretical Mass Spectra (SWATH-MS), we identified the modified RNA base 3-(3-amino-3-carboxypropyl)uridine (acp3U) as a site of attachment of N-glycans in glycoRNA. The sensitivity and robustness of rPAL provided the first evidence of a direct glycan-RNA linkage, and its flexibility will enable further characterization of glycoRNA biology.

Abstract Hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) that establish and maintain the blood system in adult vertebrates arise from the transdifferentiation of hemogenic endothelial cells (hemECs) during embryogenesis. This endothelial-to-hematopoietic transition (EHT) is tightly regulated, but the mechanisms are poorly understood. Here, we show that microRNA (miR)-223-mediated regulation of N-glycan biosynthesis in endothelial cells (ECs) regulates EHT. Single cell RNA-sequencing revealed that miR-223 is enriched in hemECs and in oligopotent nascent HSPCs. miR-223 restricts the EHT of lymphoid/myeloid lineages by suppressing the expression of mannosyltransferase alg2 and sialyltransferase st3gal2 , two enzymes involved in N-linked protein glycosylation. High-throughput glycomics of ECs lacking miR-223 showed a decrease of high mannose versus sialylated complex/hybrid sugars on N-glycoproteins involved in EHT such as the metalloprotease Adam10. Endothelial-specific expression of an N-glycan Adam10 mutant or of the N-glycoenzymes phenocopied the aberrant HSPC production of miR-223 mutants. Thus, the N-glycome plays a previously unappreciated role as an intrinsic regulator of EHT, with specific mannose and sialic acid modifications serving as key endothelial determinants of their hematopoietic fate. One Sentence Summary The N-glycan “sugar code” governs the hematopoietic fate of endothelial cells and regulates blood stem cell production in vivo.

Abstract There is an increasing appreciation for the role of cell surface glycans in modulating interactions with extracellular ligands and participating in intercellular communication. We recently reported the existence of sialoglycoRNAs, where mammalian small RNAs are covalently linked to N-glycans through the modified base acp 3 U and trafficked to the cell surface. However, little is currently known about the role for O-glycosylation, another major class of carbohydrate polymer modifications. Here, we use parallel genetic, enzymatic, and mass spectrometry approaches to demonstrate that O-linked glycan biosynthesis is responsible for the majority of sialoglycoRNA levels. By examining the O-glycans associated with RNA from cell lines and colon organoids we find known and previously unreported O-linked glycan structures. Further, we find that O-linked glycans released from small RNA from organoids derived from ulcerative colitis patients exhibit higher levels of sialylation than glycans from healthy organoids. Together, our work provides flexible tools to interrogate O-linked glycoRNAs (O-glycoRNA) and suggests that they may be modulated in human disease.