Abstract Mitochondrial stress and dysfunction play important roles in many pathologies. However, how cells respond to mitochondrial stress is not fully understood. Here, we examined the translational response to electron transport chain (ETC) inhibition and arsenite induced mitochondrial stresses. Our analysis revealed that during mitochondrial stress, tRNA modifications (namely f5C, hm5C, queuosine and its derivatives, and mcm5U) dynamically change to fine tune codon decoding, usage, and optimality. These changes in codon optimality drive the translation of many pathways and gene sets, such as the ATF4 pathway and selenoproteins, involved in the cellular response to mitochondrial stress. We further examined several of these modifications using targeted approaches. ALKBH1 knockout (KO) abrogated f5C and hm5C levels and led to mitochondrial dysfunction, reduced proliferation, and impacted mRNA translation rates. Our analysis revealed that tRNA queuosine (tRNA-Q) is a master regulator of the mitochondrial stress response. KO of QTRT1 or QTRT2, the enzymes responsible for tRNA-Q synthesis, led to mitochondrial dysfunction, translational dysregulation, and metabolic alterations in mitochondria-related pathways, without altering cellular proliferation. In addition, our analysis revealed that tRNA-Q loss led to a domino effect on various tRNA modifications. Some of these changes could be explained by metabolic profiling. Our analysis also revealed that utilizing serum deprivation or alteration with Queuine supplementation to study tRNA-Q or stress response can introduce various confounding factors by altering many other tRNA modifications. In summary, our data show that tRNA modifications are master regulators of the mitochondrial stress response by driving changes in codon decoding.

Abstract The study for the pathophysiology study of Alzheimer’s disease (AD) has been hampered by lack animal models that recapitulate the major AD pathologies, including extracellular β-amyloid (Aβ) deposition, intracellular aggregation of microtubule associated protein tau (MAPT), inflammation and neurodegeneration. We now report on a double transgenic APP NL-G-F MAPT P301S mouse that at 6 months of age exhibits robust Aβ plaque accumulation, intense MAPT pathology, strong inflammation and extensive neurodegeneration. The presence of Aβ pathology potentiated the other major pathologies, including MAPT pathology, inflammation and neurodegeneration. However, MAPT pathology neither changed levels of amyloid precursor protein nor potentiated Aβ accumulation. The APP NL-G-F /MAPT P301S mouse model also showed strong accumulation of N 6 -methyladenosine (m 6 A), which was recently shown to be elevated in the AD brain. M6A primarily accumulated in neuronal soma, but also co-localized with a subset of astrocytes and microglia. The accumulation of m6A corresponded with increases in METTL3 and decreases in ALKBH5, which are enzymes that add or remove m 6 A from mRNA, respectively. Thus, the APP NL- G-F /MAPT P301S mouse recapitulates many features of AD pathology beginning at 6 months of aging.

The tRNA epitranscriptome has been recognized as an important player in mRNA translation regulation. Our knowledge of the role of tRNA epitranscriptome in fine-tuning translation codon decoding at tissue or cell levels remains incomplete. Here, we analyzed seven tissues from mice for the expression of tRNA modifications and mature tRNAs as well as mRNA translation, using Ribo-seq. Our analysis revealed distinct enrichment patterns of tRNA modifications in tissues. Using three different metrics for codon analysis; isoacceptors frequencies, total codon frequencies, and A-site pausing, we revealed a strong A/T vs G/C ending codons bias in most tissues. The brain was the least biased tissue and was unique compared to all other tissues. Using this observation, we synthesized codon mutated EGFP that was delivered In vivo via adenoviral vectors. The protein levels of mutant EGFP were downregulated in liver, which is poor in queuosine, when NAC codons were exchanged for NAU codons, while in brain, which is rich in queuosine, EGFP levels did not change. This data is proof of concept that understanding tRNA modifications changes and codon optimality patterns can be utilized for optimizing gene and mRNA therapeutics to be more tissue, cell, or condition specific.

Abstract Flow cytometry is a vital tool in biomedical research and laboratory medicine. However, its accuracy is often compromised by undesired fluctuations in fluorescence intensity. While fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) bypasses this challenge as fluorescence lifetime remains unaffected by such fluctuations, the full integration of FLIM into flow cytometry has yet to be demonstrated due to speed limitations. Here we overcome the speed limitations in FLIM, thereby enabling high-throughput FLIM flow cytometry at a high rate of over 10,000 cells per second. This is made possible by using dual intensity-modulated continuous-wave beam arrays with complementary modulation frequency pairs for fluorophore excitation and acquiring fluorescence lifetime images of rapidly flowing cells. Moreover, our FLIM system distinguishes subpopulations in male rat glioma and captures dynamic changes in the cell nucleus induced by an anti-cancer drug. FLIM flow cytometry significantly enhances cellular analysis capabilities, providing detailed insights into cellular functions, interactions, and environments.

tiRNAs are small non-coding RNAs produced when tRNA is cleaved under stress. tRNA methylation modifications has emerged in recent years as important regulators for tRNA structural stability and sensitivity to cleavage and tiRNA generation during stress, however, the specificity and higher regulation of such a process is not fully understood. Alkbh1 is a m1A demethylase that leads to destabilization of tRNA and enhanced tRNA cleavage. We examined the impact of Alkbh1 targeting via gene knockdown or overexpression on B35 rat neuroblastoma cell line fate following stresses and on tRNA cleavage. We show that Alkbh1 impact on cell fate and tRNA cleavage is a stress specific process that is impacted by the demethylating capacity of the cellular stress in question. We also show that not all tRNAs are cleaved equally following Alkbh1 manipulation and stress, and that Alkbh1 KD fails to rescue tRNAs from cleavage following demethylating stresses. These findings shed a light on the specificity and higher regulation of tRNA cleavage and should act as a guide for future work exploring the utility of Alkbh1 as a therapeutic target for cancers or ischemic insult.

The steady state levels of mRNA are outcomes of a finely tuned interplay between RNA transcription and decay. Therefore, the modulation of RNA stability is generally assumed to influence RNA abundance in a positive direction. However, the correlation between mRNA transcription, translation and stability remains elusive. Here, we employed a newly developed simplified mRNA stability profiling technique to explore the role of mRNA stability in SH-SY5Y neuronal differentiation model. Transcriptome-wide mRNA stability analysis revealed neural-specific RNA stability kinetics, including stabilization of transcripts encoding regulators of neuronal morphogenesis and function and destabilization of mitochondrial electron transport and redox homeostasis. When we further examined the relationship between transcription, translation and mRNA stability, a bidirectional regulation of RNA stability was revealed, wherein mRNA stability could either exert the buffering effect on gene products or change in a same direction as transcription. Motif analysis unveiled SAMD4A as a major regulator of the dynamic changes in mRNA stability observed during differentiation. Knockdown of SAMD4A impaired neuronal differentiation and influenced the response to oxidative stress. Mechanistically, SAMD4A was found to alter the stability of several mRNAs to which it binds. Meanwhile, a dimorphic pattern of the correlation between gene expression and SAMD4A-regulated mRNA stability was observed, suggesting dynamic regulation mRNA stability during the neuronal differentiation guided by SAMD4A. The novel insights into the interplay between mRNA stability and cellular behaviors provide a foundation for understanding neurodevelopmental processes and neurodegenerative disorders and highlights dynamic mRNA stability as an important layer of gene expression regulation.

Abstract Alternative splicing (AS) plays important roles in neuronal development, function, and diseases. Efforts to analyze AS transcriptome-wide in neurons remain limited. We characterized the transcriptome-wide AS changes in SH-SY5Y neuronal differentiation model, which is widely used to study neuronal function and disorders. Our analysis revealed global changes in five AS programs that drive neuronal differentiation. Motif analysis revealed the contribution of RNA binding proteins (RBPs) to the regulation of AS during neuronal development. We focused on the predominant AS program during differentiation, exon skipping (SE) events. Motif analysis revealed motifs for PTB and HuR/ELAVL1 to be the top enriched in SE events, and their protein levels were downregulated after differentiation. shRNA Knockdown of either PTB and HuR were associated with enhanced neuronal differentiation and transcriptome-wide exon skipping events driving the process of differentiation. At the level of gene expression, we observed only modest changes, indicating predominant post-transcriptional effects of PTB and HuR. We also observed that both RBPs altered cellular responses to oxidative stress, in line with the differentiated phenotype observed after KD. Our work characterizes the AS changes in a widely used and important model of neuronal development and neuroscience research and reveals intricate post-transcriptional regulation of neuronal differentiation.

Abstract Rationale Moyamoya disease (MMD) is a rare cerebrovascular occlusive disease that affects Asian population more often. The pathogenesis of MMD is related to mutation in RNF213 gene. However, why, and how RNF213 mutation leads to MMD is still not fully understood. Objective Analyze the impact of RNF213 loss of function on vascular cells and the observed changes correlate with MMD. Methods and results RNF213 KD was conducted in HUVEC and vascular smooth muscle cells (vSMCs). First, HUVEC cells showed alteration of angiogenesis, migration under LPS stimulation, Leukocyte endothelial transmigration, and endothelial-to-vSMCs communication. Transcriptome analysis revealed downregulation of genes regulating cell division and mitosis. Interestingly, Alternative splicing (AS) analysis revealed hundreds of AS events to occur after RNF213 KD in various types of AS. The alternatively spliced genes showed minimal overlap with transcriptome profiling. Pathway analysis revealed many processes and pathways to be regulated by AS events observed. Transcriptome profiling was also performed after LPS treatment and revealed the basis for increased sensitivity to LPS observed in our analysis. AS changes were also observed after LPS treatment in RNF213 KD HUVEC. Different types of AS showed different patterns of convergence or divergence in terms of the regulated pathways after LPS treatment. Finally, transcriptome and AS analysis was performed in vSMCs and showed various processes that impact vSMCs function and phenotype in RNF213 loss of function. Conclusion Our data provide a wealth of information on RNF213 gene function in vascular tissues and shed important light on different processes that contribute to MMD pathogenesis. Our results signify an immune-driven and hemodynamically linked process of MMD initiation and progression.

Abstract Mitochondrial stress and dysfunction play an important role in many diseases, such as cancer, diabetes, and neurodegenerative diseases. We previously observed that mitochondrial electron transport chain (ETC) inhibition can induce tRNA cleavage and tsRNAs (tRNA-derived small non-coding RNAs) generation. However, whether this process is mediated via Angiogenin (ANG), the canonical enzyme responsible for tRNA cleavage, and whether it has a role in regulating the mitochondrial stress response remains to be understood. ANG is linked to Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and other conditions where mitochondrial stress plays a role in pathophysiology. Here, we aimed to examine the role of ANG in regulating the translational response to mitochondrial stress. We observed that ANG protected the cells from respiratory complex III and V inhibition specifically. Furthermore, we validated that the tsRNAs generated during mitochondrial and oxidative stress are mediated by ANG, given that their production is abrogated after ANG knock-out (KO). In addition, we observed that ANG-KO altered the tRNA modification status. Namely, we observed that ANG-KO led to the downregulation of queuosine tRNA modifications (tRNA-Q). tRNA-Q itself is related to mitochondrial translation and function. Indeed, we observed that ANG-KO led to reduced mitochondrial respiration and function. ANG altered how the cells respond to mitochondrial stress by altering the dynamic tRNA modification changes occurring during the stress response. We further examined the impact of ANG-KO on stress granules (SG) assembly as well as the knockdown of G3BP1 (core protein of SGs) on tsRNAs generation. Our results indicate that ANG regulates mitochondrial function and stress via tsRNAs generation as well as altering tRNA modifications levels. Our data also indicate that there are no direct links between tRNA cleavage and SG assembly, and both could be parallel systems for translation repression during stress.

Abstract Ferroptosis is a non-apoptotic cell death mechanism characterized by the production of lipid peroxides. Ferroptosis plays important roles in many diseases such as cancer and neurodegenerative diseases. While many effectors in the ferroptosis pathway have been mapped, its epigenetic and epitranscriptional regulatory processes are not yet fully understood. Ferroptosis can be induced via system xCT inhibition (Class I) or GPX4 inhibition (Class II). Previous works have revealed important differences in cellular response to Class I and Class II ferroptosis inducers. Importantly, blocking mRNA transcription or translation appears to protect cells against Class I ferroptosis inducing agents but not Class II. Understanding these subtle differences is important in understanding ferroptosis as well as in developing therapeutics based on ferroptosis for various diseases. In this work, we examined the impact of blocking transcription (via Actinomycin D) or translation (via Cycloheximide) on Erastin (Class I) or RSL3 (Class II) induced ferroptosis. Blocking transcription or translation protected cells against Erastin but was detrimental against RSL3. Cycloheximide led to increased levels of GSH alone or when co-treated with Erastin and the activation of the reverse transsulfuration pathway. RNA sequencing analysis revealed an important and unexplored role of Alternative splicing (AS) in regulating ferroptosis stress response and mRNA translation repression. Our results indicated that translation repression is protective against Erastin but detrimental against RSL3. We tested this theory in Alkbh1 overexpressing glioma cells. Alkbh1 demethylates tRNA and represses translation and is associated with worse outcome in glioma patients. Our results showed that Alkbh1 overexpression protected glioma cells against Erastin but was detrimental against RSL3.