Summary

 Proliferating mammalian cells use glutamine as a source of nitrogen and as a key anaplerotic source to provide metabolites to the tricarboxylic acid cycle (TCA) for biosynthesis. Recently, mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) activation has been correlated with increased nutrient uptake and metabolism, but no molecular connection to glutaminolysis has been reported. Here, we show that mTORC1 promotes glutamine anaplerosis by activating glutamate dehydrogenase (GDH). This regulation requires transcriptional repression of SIRT4, the mitochondrial-localized sirtuin that inhibits GDH. Mechanistically, mTORC1 represses SIRT4 by promoting the proteasome-mediated destabilization of cAMP-responsive element binding 2 (CREB2). Thus, a relationship between mTORC1, SIRT4, and cancer is suggested by our findings. Indeed, SIRT4 expression is reduced in human cancer, and its overexpression reduces cell proliferation, transformation, and tumor development. Finally, our data indicate that targeting nutrient metabolism in energy-addicted cancers with high mTORC1 signaling may be an effective therapeutic approach.

Differentiation of cardiac fibroblasts to myofibroblasts is necessary for matrix remodeling and fibrosis in heart failure. We previously reported that mitochondrial calcium signaling drives α-ketoglutarate-dependent histone demethylation, promoting myofibroblast formation. Here we investigate the role of ATP-citrate lyase (ACLY), a key enzyme for acetyl-CoA biosynthesis, in histone acetylation regulating myofibroblast fate and persistence in cardiac fibrosis. We show that inactivation of ACLY prevents myofibroblast differentiation and reverses myofibroblasts towards quiescence. Genetic deletion of Acly in post-activated myofibroblasts prevents fibrosis and preserves cardiac function in pressure-overload heart failure. TGFβ stimulation enhances ACLY nuclear localization and ACLY-SMAD2/3 interaction, and increases H3K27ac at fibrotic gene loci. Pharmacological inhibition of ACLY or forced nuclear expression of a dominant-negative ACLY mutant prevents myofibroblast formation and H3K27ac. Our data indicate that nuclear ACLY activity is necessary for myofibroblast differentiation and persistence by maintaining histone acetylation at TGFβ-induced myofibroblast genes. These findings provide targets to prevent and reverse pathological fibrosis.

Abstract Postoperative atrial fibrillation (POAF) is the most common complication after cardiac surgery and a significant cause of increased morbidity and mortality. The development of novel POAF therapeutics has been limited by an insufficient understanding of molecular mechanisms promoting atrial fibrillation. In this observational cohort study, we enrolled 28 patients without a history of atrial fibrillation that underwent mitral valve surgery for degenerative mitral regurgitation and obtained left atrial tissue samples along the standard atriotomy incision in proximity to the right pulmonary veins. We isolated cardiomyocytes and performed transcriptome analyses demonstrating 13 differentially expressed genes associated with new-onset POAF. Notably, decreased expression of fibroblast growth factor 13 (FGF13), a fibroblast growth factor homologous factor known to modulate voltage-gated sodium channel Na V 1.5 inactivation, had the most significant association with POAF. To assess the functional significance of decreased FGF13 expression in atrial myocytes, we performed patch clamp experiments on neonatal rat atrial myocytes after siRNA-mediated FGF13 knockdown, demonstrating action potential prolongation. These critical findings indicate that decreased FGF13 expression promotes vulnerability to POAF.

Recent advances in single cell sequencing have led to an increased focus on the role of cell-type composition in phenotypic presentation and disease progression. Cell-type composition research in the heart is challenging due to large, frequently multinucleated cardiomyocytes that preclude most single cell approaches from obtaining accurate measurements of cell composition. Our

During postnatal cardiac hypertrophy, cardiomyocytes undergo mitotic exit, relying on DNA replication-independent mechanisms of histone turnover to maintain chromatin organization and gene transcription. In other tissues, circadian oscillations in nucleosome occupancy influence clock-controlled gene expression, suggesting a role for the circadian clock in temporal control of histone turnover and coordinated cardiomyocyte gene expression. To elucidate roles for the master circadian transcription factor, Bmal1, in histone turnover, chromatin organization, and myocyte-specific gene expression and cell growth in the neonatal period. Bmal1 knockdown in neonatal rat ventricular myocytes (NRVM) decreased myocyte size, total cellular protein synthesis, and transcription of the fetal hypertrophic gene Nppb following treatment with serum or the α-adrenergic agonist phenylephrine (PE). Depletion of Bmal1 decreased expression of clock-controlled genes Per2 and Tcap, as well as Sik1, a Bmal1 target upregulated in adult versus embryonic hearts. Bmal1 knockdown impaired Per2 and Sik1 promoter accessibility as measured by MNase-qPCR and impaired histone turnover as measured by metabolic labeling of acid-soluble chromatin fractions. Sik1 knockdown in turn decreased myocyte size, while simultaneously inhibiting Nppb transcription and activating Per2 transcription. Linking these changes to chromatin remodeling, depletion of the replication-independent histone variant H3.3a inhibited myocyte hypertrophy and prevented PE-induced changes in clock-controlled gene transcription. Bmal1 is required for neonatal myocyte growth, replication-independent histone turnover, and chromatin organization at the Sik1 promoter. Sik1 represents a novel clock-controlled gene that coordinates myocyte growth with hypertrophic and clock-controlled gene transcription. Replication-independent histone turnover is required for transcriptional remodeling of clock-controlled genes in cardiac myocytes in response to growth stimuli.

Summary Tuning of genome structure and function is accomplished by chromatin binding proteins, which determine the transcriptome and phenotype of the cell. We sought to investigate how communication between extracellular stress and chromatin structure may regulate cellular mechanical behaviors. We demonstrate that the linker histone H1.0, which compacts nucleosomes into higher order chromatin fibers, controls genome organization and cellular stress response. Histone H1.0 has privileged expression in fibroblasts across tissue types in mice and humans, and modulation of its expression is necessary and sufficient to mount a myofibroblast phenotype in these cells. Depletion of histone H1.0 prevents transforming growth factor beta (TGF- β )-induced fibroblast contraction, proliferation and migration in a histone H1 isoform-specific manner via inhibition of a transcriptome comprised of extracellular matrix, cytoskeletal and contractile genes. Histone H1.0 is associated with local regulation of gene expression via mechanisms involving chromatin fiber compaction and reprogramming of histone acetylation, rendering the cell stiffer in response to cytokine stimulation. Knockdown of histone H1.0 prevented locus-specific histone H3 lysine 27 acetylation by TGF- β and decreased levels of both HDAC1 and the chromatin reader BRD4, thereby preventing transcription of a fibrotic gene program. Transient depletion of histone H1.0 in vivo decompacts chromatin and prevents fibrosis in cardiac muscle, thereby linking chromatin structure with fibroblast phenotype in response to extracellular stress. Our work identifies an unexpected role of linker histones to orchestrate cellular mechanical behaviors, directly coupling cellular force generation, nuclear organization and gene transcription. Graphical Abstract

Rationale: During postnatal cardiac hypertrophy, cardiomyocytes undergo mitotic exit, relying on DNA replication-independent mechanisms of histone turnover to maintain chromatin organization and gene transcription. In other tissues, circadian oscillations in nucleosome occupancy influence clock-controlled gene expression, suggesting an unrecognized role for the circadian clock in temporal control of histone turnover and coordinate cardiomyocyte gene expression. Objective: To elucidate roles for the master circadian transcription factor, Bmal1, in histone turnover, chromatin organization, and myocyte-specific gene expression and cell growth in the neonatal period. Methods and Results: Bmal1 knockdown in neonatal rat ventricular myocytes (NRVM) decreased myocyte size, total cellular protein, and transcription of the fetal hypertrophic gene Nppb following treatment with increasing serum concentrations or the α-adrenergic agonist phenylephrine (PE). Bmal1 knockdown decreased expression of clock-controlled genes Per2 and Tcap, and salt-inducible kinase 1 (Sik1) which was identified via gene ontology analysis of Bmal1 targets upregulated in adult versus embryonic hearts. Epigenomic analyses revealed co-localized chromatin accessibility and Bmal1 localization in the Sik1 promoter. Bmal1 knockdown impaired Per2 and Sik1 promoter accessibility as measured by MNase-qPCR and impaired histone turnover indicated by metabolic labeling of acid-soluble chromatin fractions and immunoblots of total and chromatin-associated core histones. Sik1 knockdown basally increased myocyte size, while simultaneously impairing and driving Nppb and Per2 transcription, respectively. Conclusions: Bmal1 is required for neonatal myocyte growth, replication-independent histone turnover, and chromatin organization at the Sik1 promoter. Sik1 represents a novel clock-controlled gene that coordinates myocyte growth with hypertrophic and clock-controlled gene transcription.

Abstract Recent advances in epigenomics measurements have resulted in a preponderance of genomic sequencing datasets that require focused analyses to discover mechanisms governing biological processes. In addition, multiple epigenomics experiments are typically performed within the same study, thereby increasing the complexity and difficulty of making meaningful inferences from large datasets. One gap in the sequencing data analysis pipeline is the availability of tools to efficiently browse genomic data for scientists that do not have bioinformatics training. To bridge this gap, we developed genomeSidekick, a graphical user interface written in R that allows researchers to perform bespoke analyses on their transcriptomic and chromatin accessibility or chromatin immunoprecipitation data without the need for command line tools. Importantly, genomeSidekick outputs lists of up- and downregulated genes or chromatin features with differential accessibility or occupancy; visualizes ‘omics data using interactive volcano plots; performs Gene Ontology analyses locally; and queries PubMed for selected gene candidates for further evaluation. Outputs can be saved using the user interface and the code underlying genomeSidekick can be edited for custom analyses. In summary, genomeSidekick brings wet lab scientists and bioinformaticians into a shared fluency with the end goal of driving mechanistic discovery.