We show that the cytotoxicity of water-soluble fullerene species is a sensitive function of surface derivatization; in two different human cell lines, the lethal dose of fullerene changed over 7 orders of magnitude with relatively minor alterations in fullerene structure. In particular, an aggregated form of C60, the least derivatized of the four materials, was substantially more toxic than highly soluble derivatives such as C3, Na+2-3[C60O7-9(OH)12-15](2-3)-, and C60(OH)24. Oxidative damage to the cell membranes was observed in all cases where fullerene exposure led to cell death. We show that under ambient conditions in water fullerenes can generate superoxide anions and postulate that these oxygen radicals are responsible for membrane damage and subsequent cell death. This work demonstrates both a strategy for enhancing the toxicity of fullerenes for certain applications such as cancer therapeutics or bactericides, as well as a remediation for the possible unwarranted biological effects of pristine fullerenes.

Upon contact with water, under a variety of conditions, C60 spontaneously forms a stable aggregate with nanoscale dimensions (d = 25−500 nm), termed here "nano-C60". The color, hydrophobicity, and reactivity of individual C60 are substantially altered in this aggregate form. Herein, we provide conclusive lines of evidence demonstrating that in solution these aggregates are crystalline in order and remain as underivatized C60 throughout the formation/stabilization process that can later be chemically reversed. Particle size can be affected by formation parameters such as rates and the pH of the water addition. Once formed, nano-C60 remains stable in solution at or below ionic strengths of 0.05 I for months. In addition to demonstrating aggregate formation and stability over a wide range of conditions, results suggest that prokaryotic exposure to nano-C60 at relatively low concentrations is inhibitory, indicated by lack of growth (≥0.4 ppm) and decreased aerobic respiration rates (4 ppm). This work demonstrates the fact that the environmental fate, distribution, and biological risk associated with this important class of engineered nanomaterials will require a model that addresses not only the properties of bulk C60 but also that of the aggregate form generated in aqueous media.

Motors generating mechanical force, powered by the hydrolysis of ATP, translocate double-stranded DNA into preformed capsids (proheads) of bacterial viruses and certain animal viruses. Here we describe the motor that packages the double-stranded DNA of the Bacillus subtilis bacteriophage phi29 into a precursor capsid. We determined the structure of the head-tail connector--the central component of the phi29 DNA packaging motor--to 3.2 A resolution by means of X-ray crystallography. We then fitted the connector into the electron densities of the prohead and of the partially packaged prohead as determined using cryo-electron microscopy and image reconstruction analysis. Our results suggest that the prohead plus dodecameric connector, prohead RNA, viral ATPase and DNA comprise a rotary motor with the head-prohead RNA-ATPase complex acting as a stator, the DNA acting as a spindle, and the connector as a ball-race. The helical nature of the DNA converts the rotary action of the connector into translation of the DNA.

The histone acetyl transferase KAT2A (also known as GCN5) can also catalyse histone succinylation, with the α-KGDH complex providing a local source of succinyl-CoA. Succinylation of lysines has been identified as a post-translational modification of histones, but the enzymes that deposit it and its functional consequences are unknown. Here, Zhimin Lu and colleagues find that GCN5, a known histone acetyl transferase, can also catalyse histone succinylation. GCN5 interacts with nuclear succinyl-CoA and with the enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase (α-KGDH), which generates a local source of succinyl-CoA. The complex of GCN5 and α-KGDH can regulate histone H3K79 succinylation around transcription start sites and affect gene expression. The authors also show that a reduction in H3K79 succinylation is associated with inhibited proliferation of tumour cells in mice. Histone modifications, such as the frequently occurring lysine succinylation1,2, are central to the regulation of chromatin-based processes. However, the mechanism and functional consequences of histone succinylation are unknown. Here we show that the α-ketoglutarate dehydrogenase (α-KGDH) complex is localized in the nucleus in human cell lines and binds to lysine acetyltransferase 2A (KAT2A, also known as GCN5) in the promoter regions of genes. We show that succinyl-coenzyme A (succinyl-CoA) binds to KAT2A. The crystal structure of the catalytic domain of KAT2A in complex with succinyl-CoA at 2.3 Å resolution shows that succinyl-CoA binds to a deep cleft of KAT2A with the succinyl moiety pointing towards the end of a flexible loop 3, which adopts different structural conformations in succinyl-CoA-bound and acetyl-CoA-bound forms. Site-directed mutagenesis indicates that tyrosine 645 in this loop has an important role in the selective binding of succinyl-CoA over acetyl-CoA. KAT2A acts as a succinyltransferase and succinylates histone H3 on lysine 79, with a maximum frequency around the transcription start sites of genes. Preventing the α-KGDH complex from entering the nucleus, or expression of KAT2A(Tyr645Ala), reduces gene expression and inhibits tumour cell proliferation and tumour growth. These findings reveal an important mechanism of histone modification and demonstrate that local generation of succinyl-CoA by the nuclear α-KGDH complex coupled with the succinyltransferase activity of KAT2A is instrumental in histone succinylation, tumour cell proliferation, and tumour development.

Abstract Millions of Norway rats ( Rattus norvegicus )inhabit New York City (NYC), presenting the potential for transmission of SARS-CoV-2 from humans to rats and other wildlife. We evaluated SARS-CoV-2 exposure among 79 rats captured from NYC during the fall of 2021. Results showed that 13 of 79 rats (16.5%) tested IgG or IgM positive, and partial genomes of SARS-CoV-2 were recovered from four rats that were qRT-PCR positive. Using a virus challenge study, we also showed that Alpha, Delta, and Omicron variants can cause robust infections in wild-type Sprague Dawley (SD) rats, including high level replications in the upper and lower respiratory tracts and induction of both innate and adaptive immune responses. Additionally, the Delta variant resulted in the highest infectivity. In summary, our results indicated that rats are susceptible to infection with Alpha, Delta, and Omicron variants, and rats in the NYC municipal sewer systems have been exposed to SARS-CoV-2. Our findings highlight the potential risk of secondary zoonotic transmission from urban rats and the need for further monitoring of SARS-CoV-2 in those populations. Importance Since its emergence causing the COVID-19 pandemic, the host tropism expansion of SARS-CoV-2 raises a potential risk for reverse-zoonotic transmission of emerging variants into rodent species, including wild rat species. In this study, we presented both genetic and serological evidence for SARS-CoV-2 exposure in wild rat population from New York City, and these viruses are potentially linked to the viruses during the early stages of the pandemic. We also demonstrated that rats are susceptible to additional variants (i.e., Alpha, Delta, and Omicron) predominant in humans and that the susceptibility to different variants vary. Our findings highlight the potential risk of secondary zoonotic transmission from urban rats and the need for further monitoring of SARS-CoV-2 in those populations.

ABSTRACT 3D chromatin organization plays a critical role in regulating gene expression, DNA replication, recombination, and repair. While initially discovered for its role in sister chromatid cohesion, emerging evidence suggests that the cohesin complex (SMC1, SMC3, RAD21, and SA1/SA2), facilitated by NIPBL, mediates topologically associating domains (TADs) and chromatin loops through DNA loop extrusion. However, information on how conformational changes of cohesin-NIPBL drive its loading onto DNA, initiation, and growth of DNA loops is still lacking. Using high-speed AFM (HS-AFM) imaging, we show that cohesin-NIPBL captures DNA through arm extension, followed by transfer of DNA to its globular domain and DNA loop initiation independent of ATPase hydrolysis. Additional shorter protrusions (feet) from cohesin-NIPBL transiently bind to DNA, facilitating its loading onto DNA. Furthermore, HS-AFM imaging reveals distinct forward and reverse DNA loop extrusion steps by cohesin-NIPBL. These results provide critical missing links in our understanding of DNA binding and loop extrusion by cohesin-NIPBL.

Abstract Migratory waterfowl, gulls, and shorebirds serve as natural reservoirs for influenza A viruses, with potential spillovers to domestic poultry and humans. The intricacies of interspecies adaptation among avian species, particularly from wild birds to domestic poultry, are not fully elucidated. In this study, we investigated the molecular mechanisms underlying avian species barriers in H7 transmission, particularly the factors responsible for the disproportionate distribution of poultry infected with A/Anhui/1/2013 (AH/13)-lineage H7N9 viruses. We hypothesized that the differential expression of N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) among avian species exerts selective pressure on H7 viruses, shaping their evolution and enabling them to replicate and transmit efficiently among gallinaceous poultry, particularly chickens. Our glycan microarray and biolayer interferometry experiments showed that AH/13-lineage H7N9 viruses exclusively bind to Neu5Ac, in contrast to wild waterbird H7 viruses that bind both Neu5Ac and Neu5Gc. Significantly, reverting the V179 amino acid in AH/13-lineage back to the I179, predominantly found in wild waterbirds, expanded the binding affinity of AH/13-lineage H7 viruses from exclusively Neu5Ac to both Neu5Ac and Neu5Gc. When cultivating H7 viruses in cell lines with varied Neu5Gc levels, we observed that Neu5Gc expression impairs the replication of Neu5Ac-specific H7 viruses and facilitates adaptive mutations. Conversely, Neu5Gc deficiency triggers adaptive changes in H7 viruses capable of binding to both Neu5Ac and Neu5Gc. Additionally, we assessed Neu5Gc expression in the respiratory and gastrointestinal tissues of seven avian species, including chickens, Canada geese, and various dabbling ducks. Neu5Gc was absent in chicken and Canada goose, but its expression varied in the duck species. In summary, our findings reveal the crucial role of Neu5Gc in shaping the host range and interspecies transmission of H7 viruses. This understanding of virus-host interactions is crucial for developing strategies to manage and prevent influenza virus outbreaks in diverse avian populations. Author Summary Migratory waterfowl, gulls, and shorebirds are natural reservoirs for influenza A viruses that can occasionally spill over to domestic poultry, and ultimately humans. The molecular mechanisms underlying interspecies transmission and adaptation, particularly between wild birds and domestic poultry, remain poorly understood. This study showed wild-type H7 influenza A viruses from waterbirds initially bind to glycan receptors terminated with N-Acetylneuraminic acid (Neu5Ac) or N-Glycolylneuraminic acid (Neu5Gc). However, after enzootic transmission in chickens, the viruses exclusively bind to Neu5Ac. The absence of Neu5Gc expression in gallinaceous poultry, particularly chickens, exerts selective pressure, shaping influenza virus populations, and promoting the acquisition of adaptive amino acid substitutions in the hemagglutinin protein of H7 influenza A viruses. This results in the loss of Neu5Gc binding and an increase in virus transmissibility in gallinaceous poultry, particularly chickens. Consequently, the transmission capability of these poultry-adapted H7 viruses in wild water birds decreases. Timely intervention, such as stamping out, may help reduce virus adaptation to domestic chicken populations and lower the risk of enzootic outbreaks, including those caused by influenza A viruses exhibiting high pathogenicity.

ABSTRACT C. elegans is a free-living nematode that is widely used as a small animal model for studying fundamental biological processes and disease mechanisms. Since the discovery of the Orsay virus in 2011, C. elegans also holds the promise of dissecting virus-host interaction networks and innate antiviral immunity pathways in an intact animal. Orsay primarily targets the worm intestine, causing enlarged intestinal lumen as well as visible changes to infected cells such as liquefaction of cytoplasm and rearrangement of the terminal web. Previous studies of Orsay identified that C. elegans is able to mount antiviral responses by DRH-1/RIG-I mediated RNA interference and Intracellular Pathogen Response, a uridylyltransferase that destabilizes viral RNAs by 3′ end uridylation, and ubiquitin protein modifications and turnover. To comprehensively search for novel antiviral pathways in C. elegans , we performed genome-wide RNAi screens by bacterial feeding using existing bacterial RNAi libraries covering 94% of the entire genome. Out of the 106 antiviral genes identified, we investigated those in three new pathways: collagens, actin remodelers, and epigenetic regulators. By characterizing Orsay infection in RNAi and mutant worms, our results indicate that collagens likely form a physical barrier in intestine cells to inhibit viral infection by preventing Orsay entry. Furthermore, evidence suggests that the intestinal actin ( act-5 ), which is regulated by actin remodeling proteins ( unc-34 , wve-1 and wsp-1 ), a Rho GTPase ( cdc-42 ) and chromatin remodelers ( nurf-1 and isw-1 ), also provides antiviral immunity against Orsay possibly through another physical barrier presented as the terminal web.