Abstract Antibody neutralization is an important prognostic factor in many viral diseases. To easily and rapidly measure titers of neutralizing antibodies in serum or plasma, we developed pseudovirion particles composed of the spike glycoprotein of SARS-CoV-2 incorporated onto murine leukemia virus capsids and a modified minimal MLV genome encoding firefly luciferase. These pseudovirions provide a practical means of assessing immune responses under laboratory conditions consistent with biocontainment level 2.

Massively parallel sequencing (MPS) on DNA nanoarrays provides billions of reads at relatively low cost and enables a multitude of genomic applications. Further improvement in read length, sequence quality and cost reduction will enable more affordable and accurate comprehensive health monitoring tests. Currently the most efficient MPS uses dye-labeled reversibly terminated nucleotides (RTs) that are expensive to make and challenging to incorporate. Furthermore, a part of the dye-linker (scar) remains on the nucleobase after cleavage and interferes with subsequent sequencing cycles. We describe here the development of a novel MPS chemistry (CoolMPS™) utilizing unlabeled RTs and four natural nucleobase-specific fluorescently labeled antibodies with fast (30 sec) binding. We implemented CoolMPS™ on MGI′s PCR-free DNBSEQ MPS platform using arrays of 200nm DNA nanoballs (DNBs) generated by rolling circle replication and demonstrate 3-fold improvement in signal intensity and elimination of scar interference. Single-end 100-400 base and pair-end 2x150 base reads with high quality were readily generated with low out-of-phase incorporation. Furthermore, DNBs with less than 50 template copies were successfully sequenced by strong-signal CoolMPS ™ with 3-times higher accuracy than in standard MPS. CoolMPS™ chemistry based on natural nucleobases has potential to provide longer, more accurate and less expensive MPS reads, including highly accurate ″4-color sequencing″ on the most efficient dye-crosstalk-free 2-color imagers with an estimated sequencing error rate of 0.00058% (one error in 170,000 base calls) in a proof-of-concept demonstration.

Engineering improved B-family DNA polymerases to incorporate 3′-O-modified nucleotide reversible terminators is limited by an insufficient understanding of the structural determinants that define polymerization efficiency. To explore the key mechanism for unnatural nucleotide incorporation, we engineered a B-family DNA polymerase from Thermococcus Kodakaraenis (KOD pol) by using semi-rational design strategies. We first scanned the active pocket of KOD pol through site-directed saturation mutagenesis and combinatorial mutations and identified a variant Mut_C2 containing five mutation sites (D141A, E143A, L408I, Y409A, A485E) using a high-throughput microwell-based screening method. Mut_C2 demonstrated high catalytic efficiency in incorporating 3'-O-azidomethyl-dATP labeled with a Cy3 dye, whereas the wild-type KOD pol failed to incorporate it. Computational simulations were then conducted towards the DNA binding region of KOD pol to predict additional mutations with enhanced catalytic activity, which were subsequently experimentally verified. By a stepwise combinatorial mutagenesis approach, we obtained an eleven-mutation variant, named Mut_E10 by introducing additional mutations to the Mut_C2 variant. Mut_E10, which carried six specific mutations (S383T, Y384F, V389I, V589H, T676K, and V680M) within the DNA-binding region, demonstrated over 20-fold improvement in kinetic efficiency as compared to Mut_C2. In addition, Mut_E10 demonstrated satisfactory performance in two different sequencing platforms (BGISEQ-500 and MGISEQ-2000), indicating its potential for commercialization. Our study demonstrates that an effective enhancement in its catalytic efficiency towards modified nucleotides can be achieved efficiently through combinatorial mutagenesis of residues in the active site and DNA binding region of DNA polymerase. These findings contribute to a comprehensive understanding of the mechanisms that underlie the incorporation of modified nucleotides by DNA polymerase. The beneficial mutation sites, as well as the nucleotide incorporation mechanism identified in this study, can provide valuable guidance for the engineering of other B-family DNA polymerases.

Transcriptional circuit architectures can be evolutionarily selected to precisely dictate a given response. Unlike these cellular systems, HIV is regulated through a complex circuit composed of two successive phases (host and viral), which create a positive feedback loop facilitating viral replication. However, it has long remained unclear whether both phases operate identically and to what extent the host phase influences the entire circuit. Here we report that while the host phase is regulated by a checkpoint whereby KAP1 mediates transcription activation, the virus evolved a minimalist system bypassing KAP1. Given the complex circuit architecture, cell-to-cell KAP1 fluctuations impart heterogeneity in the host transcriptional responses thus affecting the feedback loop. Mathematical modeling of a complete circuit reveals how these oscillations ultimately influence homogeneous reactivation potential of a latent virus. Thus, while HIV drives molecular innovation to fuel robust gene activation, it experiences transcriptional fragility thereby influencing viral fate and cure efforts.

Machine learning modelling assisting function-oriented enzyme engineering is normally built on predefined protein sequence space. However, efficient defining the determinant amino acid positions upon which the combinatorial mutation library is constructed is still a challenge in protein science. Herein, we present a comprehensive investigation of modifying a recombinant DNA polymerase for efficient incorporating one unnatural nucleotide, including the identification of key sites/regions, machine learning-assisted mutants screening, and the underlying mechanism of kinetics boosting. By using hundreds of training points and only dozens of testing samples, we found that one highly engineered enzyme’s catalytic efficiency can be further improved by one order of magnitude by specific mutation on two sites, 485I and 451L. Compared to the position 485 which is known to dominate local conformation of B-family DNA polymerases, 451 is a split-new active site discovered by our approach. A novel allosteric regulation mechanism is underlying the apparent synergy of 485I and 451L on the kinetics boosting. As a result, a “half-closed” conformation of the binding pocket and a cooperative binding of both primer and template DNA strands on the protein accelerated the processes of substrate’s incorporation, molecular recognition, and releasing of incorrect nucleotides. These findings have implications in guiding the function-tuning of DNA polymerases for a broad range of biotechnological applications.

Abstract Immune stimulation fuels cell signaling-transcriptional programs inducing biological responses to eliminate virus-infected cells. Yet, retroviruses that integrate into host cell chromatin, such as HIV-1, co-opt these programs to switch between latent and reactivated states; however, the regulatory mechanisms are still unfolding. Here, we implemented a functional screen leveraging HIV-1’s dependence on CD4 + T cell signaling-transcriptional programs and discovered ADAP1 is an undescribed modulator of HIV-1 proviral fate. Specifically, we report ADAP1 (ArfGAP with dual PH domain-containing protein 1), a previously thought neuronal-restricted factor, is an amplifier of select T cell signaling programs. Using complementary biochemical and cellular assays, we demonstrate ADAP1 inducibly interacts with the immune signalosome to directly stimulate KRAS GTPase activity thereby augmenting T cell signaling through targeted activation of the ERK–AP-1 axis. Single cell transcriptomics analysis revealed loss of ADAP1 function blunts gene programs upon T cell stimulation consequently dampening latent HIV-1 reactivation. Our combined experimental approach defines ADAP1 as an unexpected tuner of T cell programs co-opted by HIV-1 for latency escape.

Abstract The hippocampus plays major roles in learning and memory. Similar to other parts of the brain, the development of hippocampus requires precise coordination of patterning, cell proliferation, differentiation, and migration, with both cell-intrinsic and extrinsic mechanisms involved. Here we genetically removed the chromatin-association capability of KDM2B - a key component of the variant Polycomb repressive complex 1 (PRC1) - in the progenitors of developing dorsal telencephalon ( Kdm2b ΔCxxC ) to surprisingly discover that the size of Kdm2b ΔCxxC hippocampus, particularly the dentate gyrus, became drastically smaller with disorganized cellular components and structure. Kdm2b ΔCxxC mice displayed prominent defects in spatial memory, motor learning and fear conditioning. The differentiation trajectory of the developing Kdm2b ΔCxxC hippocampus was greatly delayed, with a significant amount of TBR2-expressing intermediate progenitors stuck along the migratory/differentiation path. Transcriptome and chromatin immunoprecipitation studies of neonatal hippocampi and their progenitors indicated that genes implicated in stemness maintenance, especially components of canonical Wnt signaling, could not be properly silenced by PRC1 and PRC2. Activating the Wnt signaling disturbed hippocampal neurogenesis, recapitulating the effect of KDM2B loss. Together, we unveiled a previously unappreciated gene repressive program mediated by KDM2B that controls progressive fate specifications and cell migration, hence morphogenesis of hippocampus during development. Graphic Abstract Loss of KDM2B-CxxC reduces repressive histone modifications – H2AK119ub and H3K27me3 - on key Wnt signal genes, hence leading to the block of their attenuation over time. Hampered differentiation and migration of hippocampal progenitors leads to hippocampal agenesis.