Microglia are resident inflammatory cells of the CNS and have important roles in development, homeostasis and a variety of neurologic and psychiatric diseases. Difficulties in procuring human microglia have limited their study and hampered the clinical translation of microglia-based treatments shown to be effective in animal disease models. Here we report the differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSC) into microglia-like cells by exposure to defined factors and co-culture with astrocytes. These iPSC-derived microglia have the phenotype, gene expression profile and functional properties of brain-isolated microglia. Murine iPSC-derived microglia generated using a similar protocol have equivalent efficacy to primary brain-isolated microglia in treatment of murine syngeneic intracranial malignant gliomas. The ability to generate human microglia facilitates the further study of this important CNS cell type and raises the possibility of their use in personalized medicine applications.

Purpose Despite initial treatment with surgical resection, radiotherapy, and chemotherapy, glioblastoma multiforme (GBM) virtually always recurs. Surgery is sometimes recommended to treat recurrence. In this study, we sought to devise a preoperative scale that predicts survival after surgery for recurrent glioblastoma multiforme. Patients and Methods The preoperative clinical and radiographic data of 34 patients who underwent re-operation of recurrent GBM tumors were analyzed using Kaplan-Meier survival analysis and Cox proportional hazards regression modeling. The factors associated with decreased postoperative survival (P < .05) were used to devise a prognostic scale which was validated with a separate cohort of 109 patients. Results The factors associated with poor postoperative survival were: tumor involvement of prespecified eloquent/critical brain regions (P = .021), Karnofsky performance status (KPS) ≤ 80 (P = .030), and tumor volume ≥ 50 cm 3 (P = .048). An additive scale (range, 0 to 3 points) comprised of these three variables distinguishes patients with good (0 points), intermediate (1 to 2 points), and poor (3 points) postoperative survival (median survival, 10.8, 4.5, and 1.0 months, respectively; P < .001). The scale identified three statistically distinct groups within the validation cohort as well (median survival, 9.2, 6.3, and 1.9 months, respectively; P < .001). Conclusion We devised and validated a preoperative scale that identifies patients likely to have poor, intermediate, and good relative outcomes after surgical resection of a recurrent GBM tumor. Application of this simple scale may be useful in counseling patients regarding their treatment options and in designing clinical trials.

Summary Whether synthetic genomes can power life has attracted broad interest in the synthetic biology field, especially when the synthetic genomes are extensively modified with thousands of designer features. Here we report de novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome thus far, synIV , a 1,454,621-bp Saccharomyces cerevisiae chromosome resulting from extensive genome streamlining and modification. During the construction of synIV , we developed megachunk assembly combined with a hierarchical integration strategy, which significantly increased the accuracy and flexibility of synthetic chromosome construction and facilitated chromosome debugging. In addition to the drastic sequence changes made to synIV by rewriting it, we further manipulated the three-dimensional structure of synIV in the yeast nucleus to explore spatial gene regulation within the nuclear space. Surprisingly, we found few gene expression changes, suggesting that positioning inside the yeast nucleoplasm plays a minor role in gene regulation. Lastly, we tethered synIV to the inner nuclear membrane via its hundreds of loxPsym sites and observed transcriptional repression of the entire chromosome, demonstrating chromosome-wide transcription manipulation without changing the DNA sequences. Our manipulation of the spatial structure of the largest synthetic yeast chromosome shed light on higher-order architectural design of the synthetic genomes. Graphical abstract Highlights De novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome, synIV SynIV shows similar 3D structure to wild-type IV, despite thousands of changes made to it “Inside-out” repositioning of synIV in nucleus shows minor transcriptional changes Multipoint tethering synIV to inner nuclear membrane represses transcription of whole chromosome

Major genomic deletions in independent eukaryotic lineages have led to repeated ancestral loss of biosynthesis pathways for nine of the twenty canonical amino acids 1 . While the evolutionary forces driving these polyphyletic deletion events are not well understood, the consequence is that extant metazoans are unable to produce nine essential amino acids (EAAs). Previous studies have highlighted that EAA biosynthesis tends to be more energetically costly 2,3 , raising the possibility that these pathways were lost from organisms with access to abundant EAAs in the environment 4,5 . It is unclear whether present-day metazoans can reaccept these pathways to resurrect biosynthetic capabilities that were lost long ago or whether evolution has rendered EAA pathways incompatible with metazoan metabolism. Here, we report progress on a large-scale synthetic genomics effort to reestablish EAA biosynthetic functionality in a mammalian cell. We designed codon-optimized biosynthesis pathways based on genes mined from Escherichia coli . These pathways were de novo synthesized in 3 kilobase chunks, assembled in yeasto and genomically integrated into a Chinese Hamster Ovary (CHO) cell line. One synthetic pathway produced valine at a sufficient level for cell viability and proliferation, and thus represents a successful example of metazoan EAA biosynthesis restoration. This prototrophic CHO line grows in valine-free medium, and metabolomics using labeled precursors verified de novo biosynthesis of valine. RNA-seq profiling of the valine prototrophic CHO line showed that the synthetic pathway minimally disrupted the cellular transcriptome. Furthermore, valine prototrophic cells exhibited transcriptional signatures associated with rescue from nutritional starvation. This work demonstrates that mammalian metabolism is amenable to restoration of ancient core pathways, thus paving a path for genome-scale efforts to synthetically restore metabolic functions to the metazoan lineage.

In addition to replicative histones, eukaryotic genomes encode a repertoire of non-replicative variant histones providing additional layers of structural and epigenetic regulation. Here, we systematically replaced individual replicative human histones with non-replicative human variant histones using a histone replacement system in yeast. Variants H2A.J, TsH2B, and H3.5 complemented for their respective replicative counterparts. However, macroH2A1 failed to complement and its expression was toxic in yeast, negatively interacting with native yeast histones and kinetochore genes. To isolate yeast with "macroH2A1 chromatin" we decoupled the effects of its macro and histone fold domains, which revealed that both domains sufficed to override native yeast nucleosome positioning. Furthermore, both modified constructs of macroH2A1 exhibited lower nucleosome occupancy that correlated with decreased short-range chromatin interactions (<20 Kb), disrupted centromeric clustering, and increased chromosome instability. While supporting viability, macroH2A1 dramatically alters chromatin organization in yeast, leading to genome instability and massive fitness defects.

High telomerase activity is restricted to the blastocyst stage of embryonic development when telomere length is reset, and is characteristic of embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs). However, the pathways involved in telomerase regulation as a function of pluripotency remain unknown. To explore hTERT transcriptional control, we compare genome-wide interactions (4C-seq) and chromatin accessibility (ATAC-seq) between human ESCs and epithelial cells and identify several putative hTERT cis-regulatory elements. CRISPR/Cas9-mediated deletion of candidate elements in ESCs reduces the levels of hTERT mRNA but does not abolish telomerase expression, thus implicating post-transcriptional processes in telomerase regulation. In agreement with this hypothesis, we find an hTERT splice variant lacking exon-2 and prone to degradation, to be enriched in differentiated cells but absent from ESCs. In addition, we show that forced retention of exon-2 prevents telomerase silencing during differentiation. Lastly, we highlight a role for the splicing co-factor SON in hTERT exon-2 inclusion and identify a SON mutation in a Dyskeratosis congenita patient with short telomeres and decreased telomerase activity. Altogether, our data uncover a novel alternative splice switch that is critical for telomerase activity during development.

Abstract Microbial metabolism of bile acids (BAs) is crucial for maintaining homeostasis in vertebrate hosts and environments. Although certain organisms involved in BA metabolism have been identified, a global, comprehensive elucidation of the microbes, metabolic enzymes, and BA remains incomplete. To bridge this gap, we employed hidden Markov models to systematically search in a large-scale and high-quality search library comprising 28,813 RefSeq multi-kingdom microbial complete genomes, which enabled us to construct a secondary bile acid (SBA)-production gene catalog. This catalog greatly expanded the distribution of SBA-production genes across 11 phyla, encompassing bacteria, archaea and fungi, and extended to 14 habitats spanning hosts and environmental contexts. Furthermore, we highlighted the associations between SBAs and gastrointestinal and hepatic disorders, including inflammatory bowel disease, colorectal cancer and nonalcoholic fatty liver disease, further elucidating disease-specific alterations in SBA-production genes. Additionally, we proposed the pig as a particularly suitable animal model for investigating SBA production in humans, given its closely aligned SBA-production gene composition. This gene catalog provides a comprehensive and reliable foundation on microbial BA metabolism for future studies, offering new insights into the microbial contributions to health and disease.

The accurate determination of protein-protein interactions is an important goal of molecular biology and much progress has been made with modern methods emerging in the past decade. However, current methods have limitations, including scale and restriction to high affinity interactions. This has limited our understanding of the large subset of protein-motif interactions. Here we describe a modified bacterial-hybrid assay that employs a combined selectable and scalable reporter system that allows the screen of large protein-peptide libraries and their sort by relative strength. We have applied this tool to characterize a set of human and E. coli PDZ domains. Our results are consistent with prior characterization of these proteins and the improved sensitivity increases our ability to predict known and novel in vivo binding partners. This approach allows for the recovery of a wide range of affinities with a high throughput method that does not sacrifice the scale of the screen.