How disease-associated mutations impair protein activities in the context of biological networks remains mostly undetermined. Although a few renowned alleles are well characterized, functional information is missing for over 100,000 disease-associated variants. Here we functionally profile several thousand missense mutations across a spectrum of Mendelian disorders using various interaction assays. The majority of disease-associated alleles exhibit wild-type chaperone binding profiles, suggesting they preserve protein folding or stability. While common variants from healthy individuals rarely affect interactions, two-thirds of disease-associated alleles perturb protein-protein interactions, with half corresponding to “edgetic” alleles affecting only a subset of interactions while leaving most other interactions unperturbed. With transcription factors, many alleles that leave protein-protein interactions intact affect DNA binding. Different mutations in the same gene leading to different interaction profiles often result in distinct disease phenotypes. Thus disease-associated alleles that perturb distinct protein activities rather than grossly affecting folding and stability are relatively widespread.

Abstract Treatment of the cytokine release syndrome (CRS) has become an important part of rescuing hospitalized COVID-19 patients. Here, we systematically explored the transcriptional regulators of inflammatory cytokines involved in the COVID-19 CRS to identify candidate transcription factors (TFs) for therapeutic targeting using approved drugs. We integrated a resource of TF-cytokine gene interactions with single-cell RNA-seq expression data from bronchoalveolar lavage fluid cells of COVID-19 patients. We found 581 significantly correlated interactions, between 95 TFs and 16 cytokines upregulated in the COVID-19 patients, that may contribute to pathogenesis of the disease. Among these, we identified 19 TFs that are targets of FDA approved drugs. We investigated the potential therapeutic effect of 10 drugs and 25 drug combinations on inflammatory cytokine production in peripheral blood mononuclear cells, which revealed two drugs that inhibited cytokine production and numerous combinations that show synergistic efficacy in downregulating cytokine production. Further studies of these candidate repurposable drugs could lead to a therapeutic regimen to treat the CRS in COVID-19 patients.

Most human Transcription factors (TFs) genes encode multiple protein isoforms differing in DNA binding domains, effector domains, or other protein regions. The global extent to which this results in functional differences between isoforms remains unknown. Here, we systematically compared 693 isoforms of 246 TF genes, assessing DNA binding, protein binding, transcriptional activation, subcellular localization, and condensate formation. Relative to reference isoforms, two-thirds of alternative TF isoforms exhibit differences in one or more molecular activities, which often could not be predicted from sequence. We observed two primary categories of alternative TF isoforms: "rewirers" and "negative regulators", both of which were associated with differentiation and cancer. Our results support a model wherein the relative expression levels of, and interactions involving, TF isoforms add an understudied layer of complexity to gene regulatory networks, demonstrating the importance of isoform-aware characterization of TF functions and providing a rich resource for further studies.

ABSTRACT Variable Number Tandem Repeats (VNTRs) are tandem repeat (TR) loci that vary in copy number across a population. Using our program, VNTRseek, we analyzed human whole genome sequencing datasets from 2,770 individuals in order to detect minisatellite VNTRs, i.e., those with pattern sizes ≥7 bp. We detected 35,638 VNTR loci and classified 5,676 as commonly polymorphic (i.e., with non-reference alleles occurring in >5% of the population). Commonly polymorphic VNTR loci were found to be enriched in genomic regions with regulatory function, i.e., transcription start sites and enhancers. Investigation of the commonly polymorphic VNTRs in the context of population ancestry revealed that 1,096 loci contained population-specific alleles and that those could be used to classify individuals into super-populations with near-perfect accuracy. Search for quantitative trait loci (eQTLs), among the VNTRs proximal to genes, indicated that in 187 genes expression differences correlated with VNTR genotype. We validated our predictions in several ways, including experimentally, through the identification of predicted alleles in long reads, and by comparisons showing consistency between sequencing platforms. This study is the most comprehensive analysis of minisatellite VNTRs in the human population to date.

ABSTRACT HIV-establishes a persistent proviral reservoir by integrating into the genome of infected host cells. Current antiretroviral treatments do not target this persistent population of proviruses which include latently infected cells that upon treatment interruption can be reactivated to contribute to HIV-1 rebound. Deep sequencing of persistent HIV proviruses has revealed that greater than 90% of integrated HIV genomes are defective and unable to produce infectious virions. We hypothesized that intragenic elements in the HIV genome support transcription of aberrant HIV-1 RNAs from defective proviruses that lack long terminal repeats (LTRs). Using an intact provirus detection assay, we observed that resting CD4+ T cells and monocyte-derived macrophages (MDMs) are biased towards generating defective HIV-1 proviruses. Multiplex reverse transcription digital drop PCR identified Env and Nef transcripts which lacked 5’ untranslated regions (UTR) in acutely infected CD4+ T cells and MDMs indicating transcripts are generated that do not utilize the promoter within the LTR. 5’UTR-deficient Env transcripts were also identified in a cohort of people living with HIV (PLWH) on ART, suggesting that these aberrant RNAs are produced in vivo . Using 5’ rapid amplification of cDNA ends (RACE), we mapped the start site of these transcripts within the Env gene. This region bound several cellular transcription factors and functioned as a transcriptional regulatory element that could support transcription and translation of downstream HIV-1 RNAs. These studies provide mechanistic insights into how defective HIV-1 proviruses are persistently expressed to potentially drive inflammation in PLWH. Author Summary People living with HIV establish a persistent reservoir which includes latently infected cells that fuel viral rebound upon treatment interruption. However, the majority of HIV-1 genomes in these persistently infected cells are defective. Whether these defective HIV genomes are expressed and whether they contribute to HIV associated diseases including accelerated aging, neurodegenerative symptoms, and cardiovascular diseases are still outstanding questions. In this paper, we demonstrate that acute infection of macrophages and resting T cells is biased towards generating defective viruses which are expressed by DNA regulatory elements in the HIV genome. These studies describe an alternative mechanism for chronic expression of HIV genomes.

Abstract Multiple immunoinformatic tools have been developed to predict T-cell epitopes from protein amino acid sequences for different major histocompatibility complex (MHC) alleles. These prediction tools output hundreds of potential peptide candidates which require further processing; however, these tools are either not graphical or not friendly for non-programming users. We present Epitope-Evaluator, a web tool developed in the Shiny/R framework to interactively analyze predicted T-cell epitopes. This includes providing the distribution of epitopes across a selected set of MHC alleles, the promiscuity and conservation of epitopes, and their density and location within antigens. Epitope-Evaluator requires as input the fasta file of protein sequences and the output prediction file coming out from any predictor. By choosing different cutoffs and parameters, users can produce several interactive plots and tables that can be downloaded as JPG and text files, respectively. Epitope-Evaluator removes the programming barrier and provides intuitive tools, allowing a straightforward interpretation and graphical representations that facilitate the selection of candidate epitopes for experimental evaluation. Author Summary With the advent of the COVID-19 pandemic as well as past pandemics and epidemics, scientists have focused on immunological studies to develop better vaccines as well as understand immune responses. Many of the questions are centered on studying T-cell epitopes, and peptide sequences that can be presented to immune cells to elicit responses against pathogens. Although current software can produce hundreds of predictions, they are generally not user-friendly nor graphical. In order to remove the existing programming barrier, we developed a Web tool to allow scientists to analyze and filter T-cell epitopes in an easy, intuitive, interactive, and versatile way. We have included two biological cases identifying new biological insights and showing the importance of having this type of toolset, especially for nonprogrammer researchers in the immunology field.

Genome-Scale Metabolic Models (GSMMs) are used for numerous tasks requiring computational estimates of metabolic fluxes, from predicting novel drug targets to engineering microbes to produce valuable compounds. A key limiting step in most applications of GSMMs is ensuring their representation of the target organism's metabolism is complete and accurate. Identifying and visualizing errors in GSMMs is complicated by the fact that they contain thousands of densely interconnected reactions. Furthermore, many errors in GSMMs only become apparent when considering pathways of connected reactions collectively, as opposed to examining reactions individually.

Cancer development and progression are generally associated with gene dysregulation, often resulting from changes in the transcription factor (TF) sequence or expression. Identifying key TFs involved in cancer gene regulation provides a framework for potential new therapeutics. This study presents a large-scale cancer gene TF-DNA interaction network, as well as an extensive promoter clone resource for future studies. Highly connected TFs bind to promoters of genes associated with either good or poor cancer prognosis, suggesting that strategies aimed at shifting gene expression balance between these two prognostic groups may be inherently complex. However, we identified potential for oncogene-targeted therapeutics, with half of the tested oncogenes being potentially repressed by influencing specific activators or bifunctional TFs. Finally, we investigate the role of intrinsically disordered regions within the key cancer-related TF ESR1 in DNA binding and transcriptional activity, and found that these regions can have complex trade-offs in TF function. Altogether, our study broadens our knowledge of the TFs involved in cancer gene regulation and provides a valuable resource for future studies and therapeutics.

Abstract Craniosynostosis (CS) is a common congenital defect affecting more than 1/2000 infants. Infants with CS have a premature fusion of one or multiple cranial sutures resulting in restricted brain expansion. Single gene mutations account for 15-20% of cases, largely as part of a syndrome, but the majority are nonsyndromic with complex underlying genetics. Two noncoding genomic regions contributing to CS risk were previously identified by GWAS, one near BMP2 and one within BBS9 . We hypothesized that the region within BBS9 contains distal regulatory elements controlling the neighboring gene encoding BMPER, a secreted modulator of BMP signaling. To identify regulatory sequences that might underlie disease risk, we surveyed conserved noncoding sequences from both risk loci identified from the GWAS for enhancer activity in transgenic Danio rerio . We identified enhancers from both regions that direct expression to skeletal tissues, consistent with the endogenous gene expression. Importantly, for each locus, we found a skeletal enhancer that also contains a sequence variant associated with CS risk. We examined the activity of each enhancer during craniofacial development and found that the BMPER -associated enhancer is active in the restricted region of cartilage closely associated with frontal bone initiation. We used an enhanced yeast one-hybrid assay to identify transcription factor interactions with several identified enhancers, implicating multiple signaling pathways in their regulation. In a targeted screen focused on risk-associated SNPs, we further identified differential binding to alternate and reference alleles. Additionally, we found that the risk allele of the BMPER enhancer directs significantly broader expression than the reference allele in transgenic zebrafish. Our findings support a specific genetic mechanism to explain the contribution of two risk loci to CS. More broadly, our combined in vivo approach is applicable to many complex genetic diseases to build a link between association studies and specific genetic mechanisms. Author Summary Genome–wide association studies (GWASs) provide a wealth of information implicating regions of the genome in disease risk. The great challenge is linking those regions to specific genetic mechanisms. We used complementary approaches in zebrafish and yeast to evaluate the genetic risk of craniosynostosis (CS), a craniofacial birth defect affecting 1/2000 infants where two or more skull bones are fused prematurely. Using transgenic zebrafish, we identified sequences regulating expression of two genes in the BMP signaling pathway that had been previously implicated by GWAS. These included one from each region containing a sequence variant linked to disease risk. We used an assay in cultured yeast to detect proteins binding to identified DNA sequences that could alter expression of the target genes, including changes in protein binding caused by the sequence variants. Finally, we found that transgenic fish carrying one of the variant sequences showed broader and more sustained activity throughout the skeleton. Taken together, our results support a model where variant sequences lead to increased gene expression and BMP pathway activity, contributing to aberrant skull growth in CS. Importantly, our paradigm is broadly applicable to other complex genetic diseases, potentially illuminating many connections between genome variation and disease risk.