Alcoholism is a complex disease with both genetic and environmental risk factors. To identify genes that affect the risk for alcoholism, we systematically ascertained and carefully assessed individuals in families with multiple alcoholics. Linkage and association analyses suggested that a region of chromosome 4p contained genes affecting a quantitative endophenotype, brain oscillations in the beta frequency range (13–28 Hz), and the risk for alcoholism. To identify the individual genes that affect these phenotypes, we performed linkage disequilibrium analyses of 69 single-nucleotide polymorphism (SNPs) within a cluster of four GABAA receptor genes, GABRG1, GABRA2, GABRA4, and GABRB1, at the center of the linked region. GABAA receptors mediate important effects of alcohol and also modulate beta frequencies. Thirty-one SNPs in GABRA2, but only 1 of the 20 SNPs in the flanking genes, showed significant association with alcoholism. Twenty-five of the GABRA2 SNPs, but only one of the SNPs in the flanking genes, were associated with the brain oscillations in the beta frequency. The region of strongest association with alcohol dependence extended from intron 3 past the 3′ end of GABRA2; all 43 of the consecutive three-SNP haplotypes in this region of GABRA2 were highly significant. A three-SNP haplotype was associated with alcoholism, with P=.000000022. No coding differences were found between the high-risk and low-risk haplotypes, suggesting that the effect is mediated through gene regulation. The very strong association of GABRA2 with both alcohol dependence and the beta frequency of the electroencephalogram, combined with biological evidence for a role of this gene in both phenotypes, suggest that GABRA2 might influence susceptibility to alcohol dependence by modulating the level of neural excitation. Alcoholism is a complex disease with both genetic and environmental risk factors. To identify genes that affect the risk for alcoholism, we systematically ascertained and carefully assessed individuals in families with multiple alcoholics. Linkage and association analyses suggested that a region of chromosome 4p contained genes affecting a quantitative endophenotype, brain oscillations in the beta frequency range (13–28 Hz), and the risk for alcoholism. To identify the individual genes that affect these phenotypes, we performed linkage disequilibrium analyses of 69 single-nucleotide polymorphism (SNPs) within a cluster of four GABAA receptor genes, GABRG1, GABRA2, GABRA4, and GABRB1, at the center of the linked region. GABAA receptors mediate important effects of alcohol and also modulate beta frequencies. Thirty-one SNPs in GABRA2, but only 1 of the 20 SNPs in the flanking genes, showed significant association with alcoholism. Twenty-five of the GABRA2 SNPs, but only one of the SNPs in the flanking genes, were associated with the brain oscillations in the beta frequency. The region of strongest association with alcohol dependence extended from intron 3 past the 3′ end of GABRA2; all 43 of the consecutive three-SNP haplotypes in this region of GABRA2 were highly significant. A three-SNP haplotype was associated with alcoholism, with P=.000000022. No coding differences were found between the high-risk and low-risk haplotypes, suggesting that the effect is mediated through gene regulation. The very strong association of GABRA2 with both alcohol dependence and the beta frequency of the electroencephalogram, combined with biological evidence for a role of this gene in both phenotypes, suggest that GABRA2 might influence susceptibility to alcohol dependence by modulating the level of neural excitation.

Objective: A recent study provisionally identified numerous genetic variants as risk factors for the transition from smoking to the development of nicotine dependence, including an amino acid change in the α5 nicotinic cholinergic receptor ( CHRNA5 ). The purpose of this study was to replicate these findings in an independent data set and more thoroughly investigate the role of genetic variation in the cluster of physically linked nicotinic receptors, CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4 , and the risk of smoking. Method: Individuals from 219 European American families (N=2,284) were genotyped across this gene cluster to test the genetic association with smoking. The frequency of the amino acid variant (rs16969968) was studied in 995 individuals from diverse ethnic populations. In vitro studies were performed to directly test whether the amino acid variant in the CHRNA5 influences receptor function. Results: A genetic variant marking an amino acid change showed association with the smoking phenotype (p=0.007). This variant is within a highly conserved region across nonhuman species, but its frequency varied across human populations (0% in African populations to 37% in European populations). Furthermore, functional studies demonstrated that the risk allele decreased response to a nicotine agonist. A second independent finding was seen at rs578776 (p=0.003), and the functional significance of this association remains unknown. Conclusions: This study confirms that at least two independent variants in this nicotinic receptor gene cluster contribute to the development of habitual smoking in some populations, and it underscores the importance of multiple genetic variants contributing to the development of common diseases in various populations.

Abstract Despite important advances in studying experimental and clinical acute kidney injury (AKI), the pathogenesis of this disease remains incompletely understood. Single cell sequencing studies have closed this knowledge gap by characterizing the transcriptomic signature of different cell types within the kidney. However, the spatial distribution of injury can be regional and affect cells heterogeneously. We first optimized coordination of spatial transcriptomics and single nuclear sequencing datasets, mapping 30 dominant cell types to a human nephrectomy sample. The predicted cell type spots corresponded with the underlying hematoxylin and eosin histopathology. To study the implications of acute kidney injury on the distribution of transcript expression, we then characterized the spatial transcriptomic signature of two murine AKI models: ischemia reperfusion injury (IRI) and cecal ligation puncture (CLP). Localized regions of reduced overall expression were found associated with tissue injury pathways. Using single cell sequencing, we deconvoluted the signature of each spatial transcriptomic spot, identifying patterns of colocalization between immune and epithelial cells. As expected, neutrophils infiltrated the renal medullary outer stripe in the ischemia model. Atf3 was identified as a chemotactic factor in S3 proximal tubule cells. In the CLP model, infiltrating macrophages dominated the outer cortical signature and Mdk was identified as a corresponding chemotactic factor. The regional distribution of these immune cells was validated with multiplexed CO-Detection by inDEXing (CODEX) immunofluorescence. Spatial transcriptomic sequencing can aid in uncovering the mechanisms driving immune cell infiltration and allow detection of relevant subpopulations in single cell sequencing. The complementarity of these technologies facilitates the development of a transcriptomic kidney atlas in health and disease.

Abstract Alcohol use disorder (AUD) is likely associated with complex transcriptional alterations in addiction-relevant brain regions. We characterize AUD-associated differences in cell type-specific gene expression and chromatin accessibility in the caudate nucleus by conducting a single-nucleus RNA-seq assay and a single-nucleus RNA-seq + ATAC-seq (multiome) assay on caudate tissue from 143 human postmortem brains (74 with AUD). We identified 17 cell types. AUD was associated with a higher proportion of microglia in an activated state and more astrocytes in a reactive state. There was widespread evidence for differentially expressed genes across cell types with the most identified in oligodendrocytes and astrocytes, including genes involved in immune response and synaptic regulation, many of which appeared to be regulated in part by JUND and OLIG2 . Microglia-astrocyte communication via interleukin-1 beta, and microglia-astrocyte-oligodendrocyte interaction via transforming growth factor beta 1 were increased in individuals with AUD. Expression quantitative trait loci analysis revealed potential driver genes of AUD, including ADAL, that may protect against AUD in medium spiny neurons and interneurons. This work provides a thorough profile of the effects of AUD in the human brain and identifies several promising genes for further study.

Abstract Clinical sepsis is a highly dynamic state that progresses at variable rates and has life-threatening consequences. Staging patients along the sepsis timeline requires a thorough knowledge of the evolution of cellular and molecular events at the tissue level. Here, we investigated the kidney, an organ central to the pathophysiology of sepsis. Single cell RNA sequencing revealed the involvement of various cell populations in injury and repair to be temporally organized and highly orchestrated. We identified key changes in gene expression that altered cellular functions and can explain features of clinical sepsis. These changes converged towards a remarkable global cell-cell communication failure and organ shutdown at a well-defined point in the sepsis timeline. Importantly, this time point was also a transition towards the emergence of recovery pathways. This rigorous spatial and temporal definition of murine sepsis will uncover precise biomarkers and targets that can help stage and treat human sepsis.

Abstract The eIF2 initiation complex is central to maintaining a functional translation machinery. Extreme stress such as life-threatening sepsis exposes vulnerabilities in this tightly regulated system, resulting in an imbalance between the opposing actions of kinases and phosphatases on the main regulatory subunit eIF2α. Here, we report that translation shutdown is a hallmark of established sepsis-induced kidney injury brought about by excessive eIF2α phosphorylation and sustained by blunted expression of the counterregulatory phosphatase subunit Ppp1r15a. We determined that the blunted Ppp1r15a expression persists because of the presence of an upstream open reading frame (uORF). Overcoming this barrier with genetic approaches enabled the derepression of Ppp1r15a, salvaged translation and improved kidney function in an endotoxemia model. We also found that the loss of this uORF has broad effects on the composition and phosphorylation status of the immunopeptidome that extended beyond the eIF2α axis. Collectively, our findings define the breath and potency of the highly conserved Ppp1r15a uORF and provide a paradigm for the design of uORF-based translation rheostat strategies. The ability to accurately control the dynamics of translation during sepsis will open new paths for the development of therapies at codon level precision.

Juvenile myelomonocytic leukemia (JMML) is a hematologic malignancy of young children caused by mutations that increase Ras signaling output. Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is a potentially curative treatment, but patients with relapsed or refractory (advanced) disease have dismal outcomes. This phase II trial evaluated the safety and efficacy of trametinib, an oral MEK1/2 inhibitor, in patients with advanced JMML. Ten infants and children were enrolled, and the objective response rate was 50%. Four patients with refractory disease proceeded to HSCT after receiving trametinib. Three additional patients completed all 12 cycles permitted on study and continue to receive off-protocol trametinib without HSCT. The remaining three patients had progressive disease with two demonstrating molecular evolution by the end of cycle 2. Transcriptomic and proteomic analyses provided novel insights into the mechanisms of response and resistance to trametinib in JMML. ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03190915. Significance: Trametinib was safe and effective in young children with relapsed or refractory JMML, a lethal disease with poor survival rates. Seven of 10 patients completed the maximum 12 cycles of therapy or used trametinib as a bridge to HSCT and are alive with a median follow-up of 24 months. See related commentary by Ben-Crentsil and Padron, p. 1574.

Abstract Synonymous and noncoding single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the KCNJ6 gene, encoding G protein-gated inwardly rectifying potassium (GIRK2) channel subunit 2, have been linked with increased electroencephalographic frontal theta event-related oscillations (ERO) in subjects diagnosed with alcohol use disorder (AUD). To identify molecular and cellular mechanisms while retaining the appropriate genetic background, we generated induced excitatory glutamatergic neurons (iN) from iPSCs derived from four AUD-diagnosed subjects with KCNJ6 variants (‘Affected: AF’) and four control subjects without variants (‘Unaffected: UN’). Neurons were analyzed for changes in gene expression, morphology, excitability and physiological properties. Single cell RNA sequencing suggests that KCNJ6 AF variant neurons have altered patterns of synaptic transmission and cell projection morphogenesis. Results confirm that AF neurons express lower levels of GIRK2, have greater neurite area, and elevated excitability. Interestingly, exposure to intoxicating concentrations of ethanol induces GIRK2 expression and reverses functional effects in AF neurons. Ectopic overexpression of GIRK2 alone mimics the effect of ethanol to normalize induced excitability. We conclude that KCNJ6 variants decrease GIRK2 expression and increase excitability and that this effect can be minimized or reduced with ethanol.

Abstract A lipid metabolism gene signature is associated with the risk of estrogen negative breast cancer (ER-BC). In vitro, lipid exposure alters histone methylation affecting gene expression and increasing flux through various metabolic reactions; but little is known about the mechanism(s) linking lipids and epigenetic reprogramming with the genesis of ER-BC. Here we show that the metabolism of the medium-chain fatty acid Octanoic Acid (OA) in preference to glucose and glutamine results in a metabolic shift toward the serine pathway increasing the production of SAM, glutathione, and 2-HG, with implications for oncogenesis: SAM production results in epigenetic fostered plasticity leading to reprogramming/selecting cells that express Neural, EMT and BC related genes. 2-HG exposure results in appearance of DNA breaks, potentially consequent to the inhibition of essential demethylases for HR repair. ROS increases shortly after OA exposure and is mitigated by antioxidant defenses, which favors/enables the survival of specific cell subtypes.