Abstract The genus Claviceps has been known for centuries as an economically important fungal genera for pharmacology and agricultural research. Only recently have researchers begun to unravel the evolutionary history of the genus, with origins in South America and classification of four distinct sections through ecological, morphological, and metabolic features ( Claviceps sects. Citrinae, Paspalorum , Pusillae , and Claviceps ). The first three sections are additionally characterized by narrow host range, while sect. Claviceps is considered evolutionarily more successful and adaptable as it has the largest host range and biogeographical distribution. However, the reasons for this success and adaptability remain unclear. Our study elucidates factors influencing adaptability by sequencing and annotating 50 Claviceps genomes, representing 21 species, for a comprehensive comparison of genome architecture and plasticity in relation to host range potential. Our results show the trajectory from specialized one-speed genomes (sects. Citrinae and Paspalorum ) towards adaptive two-speed genomes (sects. Pusillae and Claviceps ) through co-localization of transposable elements around predicted effectors and a putative loss of repeat-induced point mutation resulting in unconstrained tandem gene duplication coinciding with increased host range potential and speciation. Alterations of genomic architecture and plasticity can substantially influence and shape the evolutionary trajectory of fungal pathogens and their adaptability. Furthermore, our study provides a large increase in available genomic resources to propel future studies of Claviceps in pharmacology and agricultural research, as well as, research into deeper understanding of the evolution of adaptable plant pathogens.

ABSTRACT Bacteriophage-encoded depolymerases are responsible for degrading capsular polysaccharides (CPS), lipopolysaccharides (LPS) and exopolysachcharides (EPS) of the host bacteria during phage invasion. They have been considered as promising antivirulence agents in controlling bacterial infections, including those caused by drug-resistant bacteria. This feature inspires a hope of utilizing these enzymes to disarm the polysaccharide capsid of the bacterial cells, which then strengthens the action of antibiotics. Here we have identified, cloned, and expressed a depolymerase Dpo71 from a bacteriophage specific for the gram-negative (G-ve) bacterium Acinetobacter baumannii in the heterologous host E. coli . Dpo71 sensitizes the multidrug-resistant (MDR) A. baumannii to the host immune attack, and also acts as an adjuvant to assist or boost the action of antibiotics, for example colistin. Specifically, Dpo71 at 10 µg/ml enables a complete bacterial eradication by human serum at 50% volume ratio. Dpo71 inhibits biofilm formation and disrupts the pre-formed biofilm. Combination of Dpo71 could significantly enhance the antibiofilm activity of colistin, and improve the survival rate of A. baumannii infected Galleria mellonella . Dpo71 retains the strain-specificity of the parent phage from which Dpo71 is derived: the phage-sensitive A. baumannii strains respond to Dpo71 treatment, whereas the phage-insensitive strains do not. This indicates that Dpo71 indeed is responsible for the host specificity of bacteriophages. In summary, our work demonstrates the feasibility of using recombinant depolymerases as an antibiotic adjuvants to supplement the development of new antibacterials and to battle against MDR pathogens.

Abstract Pangenome analyses are increasingly being utilized to study the evolution of eukaryotic organisms, which is often governed by variable gene content. While pangenomes can provide insight into polymorphic gene content, inferences about the ecological and adaptive potential of such organisms also need to be accompanied by additional supportive genomic analyses. In this study we constructed a pangenome of Claviceps purpurea from 24 genomes and examined the positive selection and recombination landscape of an economically important fungal organism for pharmacology and agricultural research. Together, these analyses revealed that C. purpurea has a relatively large accessory genome (∼ 38%) that is likely maintained by high recombination rates (ρ = 0.044) and transposon mediated gene duplication. However, due to observations of relatively low transposable element (TE) content (8.8%) and a lack of variability in genome sizes, prolific TE expansion is likely controlled by these high recombination rates, which may additionally be influencing the overall trend of purifying selection across the genome. Despite this trend, we observed a strong positive selection pressure on secondary metabolite genes, particularly within the ergoline biosynthetic cluster where we also revealed that the lpsA1 and lpsA2 genes were the result of a recombination event. These results indicate that secondary metabolites are primary factors affecting the diversification of the species into new ecological niches and help maintain its global distribution and broad host range. These results showcase the use of selection and recombination landscapes to identify mechanisms contributing to pangenome structure and primary factors influencing the evolution of an organism. Author Summary The use of genomic data to better understand the lifestyle of a pathogen and its relationship with its host has expanded our ability to investigate the evolutionary history of these organisms. This in turn has allowed us to decipher and understand the ambiguity surrounding the true nature of the fungal plant pathogen Claviceps purpurea . By combining three different types of broad genomic analyses we identified primary factors affecting the evolution and adaptive potential of this pathogen; particularly a large accessory genome, high recombination rates, and positive selection of genes associated with stress tolerance. These factors likely contribute to the pathogen’s global distribution and broad host range. Furthermore, these findings will influence the direction of future research into optimal control methods.

Abstract Oncofetal protein SALL4 is critical for tumor cell survival, making it a promising target in cancer therapy. However, it is detectable only in a subset of cancer patients, which limits the therapeutic impact of a SALL4 targeted therapy. Here we report that SALL4 can be activated and/or upregulated pharmacologically by hypomethylating agents, such as 5-Aza-2’-deoxycytidine (DAC), which are used clinically, and that SALL4 negative cancer cells become SALL4 dependent following exogenous expression of SALL4. In addition, the histone deacetylase inhibitor Entinostat (ENT) negatively regulates SALL4 expression by upregulating miR-205. Both ENT and miR-205 treatment induced cell apoptosis, rescuable by SALL4 expression or miR-205 inhibition. Finally, DAC pre-treatment sensitizes SALL4 negative cancer cell lines to ENT both in culture and in vivo by upregulating SALL4. Overall, we propose a framework whereby the scope of targeted therapy can be expanded by sensitizing cancer cells to treatment by target induction and engineered dependency. Significance This proof of concept study demonstrates that targeted cancer therapy can be achieved by inducing a targetable gene establishing a survival-dependency for cancer cells. For SALL4, sequential treatment of DAC and ENT could expand the scope of SALL4 targeted cancer therapy.

Abstract PLATZ transcription factors play important roles in plant growth, development, and biotic and abiotic stress responses. However, how PLATZ regulates plant drought tolerance and ABA sensitivity remains largely unknown. Here, we show that PLATZ4 increases drought tolerance and ABA sensitivity in Arabidopsis thaliana by suppressing the expression of PIP2;8, DEG3 , At1g33840 and At3g01345, while upregulating the expression of PR1, ABI3, ABI4 and ABI5 . Moreover, PLATZ4 directly binds A/T-rich sequences within the PIP2;8 promoter but not ABI3, ABI4 and ABI5 promoters. Consistent with this, PIP2;8 acts epistatically to PLATZ4 . Furthermore, the aquaporin activity of PIP2;8 was confirmed in Xenopus laevis oocytes and yeast cells in response to osmotic stress. Analysis of water loss of seedlings overexpressing PIP2;8 or lacking PIP2;8 function indicated that PIP2;8-mediated water flow is particularly active in response to drought stress in planta . Accordingly, stomatal closure was enhanced in pip2;8 mutants but reduced in PIP2;8 -overexpressing plants. In platz4 mutant and PLATZ 4-overexpressing plants, water loss and stomatal closure changed oppositely to those in pip2;8 mutants and PIP2;8- overexpressing plants, respectively. In addition, the interaction between PLATZ4 and AITR6 was confirmed by several assays, and the binding of PIP2;8 promoter by PLATZ4 was strengthened by an interaction with AITR6. Collectively, our findings reveal that PLATZ4 interacts with AITR6 to increase ABA sensitivity and drought tolerance in Arabidopsis by upregulating expression of PR1, ABI3, ABI4 and ABI5 while inhibiting the expression of PIP2;8 and associated genes. One sentence summary PLATZ4 interacted with AITR6 to increase drought tolerance and ABA sensitivity in Arabidopsis thaliana by directly bind A/T-rich sequences within the plasma membrane aquaporin (PIP) 2;8 promoter.

Abstract Oncofetal transcription factor SALL4 is essential for cancer cell survival. 1-5 Recently, several groups reported that immunomodulatory imide drugs (IMiDs) could degrade SALL4 in a proteasome-dependent manner. 6,7 Intriguingly, we observed that IMiDs had no effect on SALL4-positive cancer cells. Further studies demonstrated that IMiDs could only degrade SALL4A, one of the SALL4 isoforms. This finding raises the possibility that SALL4B, the isoform not affected by IMiDs, may be essential for SALL4-mediated cancer cell survival. SALL4B knockdown led to an increase in apoptosis and inhibition of cancer cell growth. SALL4B gain-of-function alone led to liver tumor formation in mice. Our observation that protein degraders can possess isoform-specific effects exemplifies the importance of delineating drug action and oncogenesis at the isoform level to develop more effective cancer therapeutics.

Under hypoxia, most of glucose is converted to secretory lactate, which leads to the lack of carbon source from glucose and thus the overuse of glutamine-carbon. However, under such a condition how glutamine nitrogen is disposed to avoid releasing potentially toxic ammonia remains to be determined. Here we identify a metabolic flux of glutamine to secretory dihydroorotate under hypoxia. We found that glutamine nitrogen is indispensable to nucleotide biosynthesis, but enriched in dihyroorotate and orotate rather than processing to its downstream uridine monophosphate under hypoxia. Dihyroorotate, not orotate, is then secreted out of cells. The specific metabolic pathway occurs in vivo and is required for tumor growth. Such a metabolic pathway renders glutamine mainly to acetyl coenzyme A for lipogenesis, with the rest carbon and nitrogen being safely removed. Our results reveal how glutamine carbon and nitrogen are coordinatively metabolized under hypoxia, and provide a comprehensive understanding on glutamine metabolism.

Immunomodulatory imide drugs (IMiDs) degrade specific C2H2 zinc finger degrons in transcription factors, making them effective against certain cancers. SALL4, a cancer driver, contains seven C2H2 zinc fingers in four clusters, including an IMiD degron in zinc finger cluster two (ZFC2). Surprisingly, IMiDs do not inhibit growth of SALL4 expressing cancer cells. To overcome this limit, we focused on a non-IMiD degron, SALL4 zinc finger cluster four (ZFC4). By combining AlphaFold and the ZFC4-DNA crystal structure, we identified a potential ZFC4 drug pocket. Utilizing an in silico docking algorithm and cell viability assays, we screened chemical libraries and discovered SH6, which selectively targets SALL4-expressing cancer cells. Mechanistic studies revealed that SH6 degrades SALL4 protein through the CUL4A/CRBN pathway, while deletion of ZFC4 abolished this activity. Moreover, SH6 led to significant 62% tumor growth inhibition of SALL4+ xenografts in vivo and demonstrated good bioavailability in pharmacokinetic studies. In summary, these studies represent a new approach for IMiD independent drug discovery targeting C2H2 transcription factors in cancer.

Aerobic glycolysis, termed the Warburg Effect, supports cell proliferation, and glucose deprivation directly elicits necrosis or shifts stimuli-induced apoptosis to necrosis. However, how glucose metabolism regulates cell survival or death choice remains largely unclear. Here we use our recently developed method to monitor in real-time cellular apoptosis and necrosis, and uncover a metabolic homeostasis linked to cell death control. We show that glucose metabolism is the major source to maintain both intracellular and extracellular proton homeostasis. Glucose deficiency leads to lack of proton provision, which provokes a compensatory lysosomal proton efflux and resultant increased lysosomal pH. This lysosomal alkalinization can trigger necrosis. Furthermore, artificial proton supplement enables cells to survive glucose deprivation. Taken together, our results reveal a critical role of glucose metabolism in maintaining cellular microenvironment, and provide a better understanding of the essential requirement of aerobic glycolysis for proliferating cells whose active anabolism consumes a great many protons.