Abstract As a powerful phenotyping technology, metabolomics provides new opportunities in biomarker discovery through metabolome-wide association studies (MWAS) and identification of metabolites having regulatory effect in various biological processes. While MS-based metabolomics assays are endowed with high-throughput and sensitivity, large-scale MWAS are doomed to long-term data acquisition generating an overtime-analytical signal drift that can hinder the uncovering of true biologically relevant changes. We developed “ dbnorm ”, a package in R environment, which allows visualization and removal of signal heterogeneity from large metabolomics datasets. “ dbnorm ” integrates advanced statistical tools to inspect dataset structure, at both macroscopic (sample batch) and microscopic (metabolic features) scales. To compare model performance on data correction, “ dbnorm ” assigns a score, which allows the straightforward identification of the best fitting model for each dataset. Herein, we show how “ dbnorm ” efficiently removes signal drift among batches to capture the true biological heterogeneity of data in two large-scale metabolomics studies.

Abstract Alpha-synuclein (aSyn) within Lewy bodies, Lewy neurites, and other pathological hallmarks of Parkinson’s disease and synucleinopathies have consistently been shown to accumulate in aggregated and phosphorylated forms of the protein, predominantly at Serine 129 (S129). Antibodies against phosphorylated S129 (pS129) have emerged as the primary tools to investigate, monitor, and quantify aSyn pathology in the brain and peripheral tissues. However, most of the antibodies and immunoassays aimed at detecting pS129-aSyn were developed based on the assumption that neighbouring post-translational modifications (PTMs) either do not co-occur with pS129 or do not influence its detection. Herein, we demonstrate that the co-occurrence of multiple pathology-associated C-terminal PTMs (e.g., phosphorylation at Tyrosine 125 or truncation at residue 133 or 135) differentially influences the detection of pS129-aSyn species by pS129-aSyn antibodies. These observations prompted us to systematically reassess the specificity of the most commonly used pS129 antibodies against monomeric and aggregated forms of pS129-aSyn in mouse brain slices, primary neurons, mammalian cells and seeding models of aSyn pathology formation. We identified two antibodies that are insensitive to pS129 neighbouring PTMs. However, consistent with previous reports, most pS129 antibodies showed cross-reactivity towards other proteins and often detected low and high molecular weight bands in aSyn knock-out samples that could be easily mistaken for monomeric or High Molecular Weight aggregates of aSyn. Our observations suggest that the pS129 antibodies do not capture the biochemical and morphological diversity of aSyn pathology. They also underscore the need for more specific pS129 antibodies, more thorough characterization and validation of existing antibodies, and the use of the appropriate protein standards and controls in future studies.

ABSTRACT The effects of brassinosteroid signaling on shoot and root development have been characterized in great detail but did not identify a simple consistent positive or negative impact on a basic cellular parameter that would comprehensively explain the phenotype of brassinosteroid-related mutants. Here we combined digital 3D single-cell shape analysis and single-cell mRNA sequencing to characterize root meristems and mature root segments of brassinosteroid-blind mutants and wildtype. These data demonstrate that brassinosteroid signaling neither affects cell volume nor cell proliferation capacity. Instead, brassinosteroid signaling is essential for the precise orientation of cell division planes and the extent and timing of anisotropic cell expansion. Moreover, we found that the cell-aligning effects of brassinosteroid signaling can propagate to normalize the anatomy of both adjacent and distant brassinosteroid-blind cells through non-cell-autonomous functions, which are sufficient to restore overall root growth vigor. Finally, single-cell transcriptome data discern directly brassinosteroid-responsive genes from genes that can react to non-cell-autonomous brassinosteroid-dependent signals and highlight arabinogalactans as sentinels of brassinosteroid-dependent anisotropic cell expansion.

Abstract The climate fluctuations of the Quaternary shaped the movement of species in and out of glacial refugia. In Europe, the majority of species followed one of the described traditional postglacial recolonization routes from the southern peninsulas towards the north. Like most organisms, barn owls are assumed to have colonized the British Isles by crossing over Doggerland, a land bridge that connected Britain to northern Europe. However, while they are dark rufous in northern Europe, barn owls in the British Isles are conspicuously white, a contrast that could suggest selective forces are at play on the islands. However, analysis of known candidate genes involved in colouration found no signature of selection. Instead, using whole genome sequences and species distribution modelling, we found that owls colonised the British Isles soon after the last glaciation, directly from a white coloured refugium in the Iberian Peninsula, before colonising northern Europe. They would have followed a yet unknown post-glacial colonization route to the Isles over a westwards path of suitable habitat in now submerged land in the Bay of Biscay, thus not crossing Doggerland. As such, they inherited the white colour of their Iberian founders and maintained it through low gene flow with the mainland that prevents the import of rufous alleles. Thus, we contend that neutral processes likely explain this contrasting white colour compared to continental owls. With the barn owl being a top predator, we expect future research will show this unanticipated route was used by other species from its paleo community.

Abstract Whereas large-scale statistical analyses can robustly identify disease-gene relationships, they do not accurately capture genotype-phenotype correlations or disease mechanisms. We use multiple lines of independent evidence to show that different variant types in a single gene, SATB1 , cause clinically overlapping but distinct neurodevelopmental disorders. Clinical evaluation of 42 individuals carrying SATB1 variants identified overt genotype-phenotype relationships, associated with different pathophysiological mechanisms, established by functional assays. Missense variants in the CUT1 and CUT2 DNA-binding domains result in stronger chromatin binding, increased transcriptional repression and a severe phenotype. Contrastingly, variants predicted to result in haploinsufficiency are associated with a milder clinical presentation. A similarly mild phenotype is observed for individuals with premature protein truncating variants that escape nonsense-mediated decay and encode truncated proteins, which are transcriptionally active but mislocalized in the cell. Our results suggest that in-depth mutation-specific genotype-phenotype studies are essential to capture full disease complexity and to explain phenotypic variability.

Abstract Cyclin-dependent kinase 4 (CDK4) canonical role is to control cell cycle progression from G1 to S phases. However, recent studies reported that CDK4 regulates energy metabolism in non-proliferating cells such as hepatocytes or adipocytes. The objective of our work is to study CDK4 function in skeletal muscle using a model of mice lacking CDK4 ( cdk4 -/- ). By coupling treadmill running to indirect calorimetry, we show that cdk4 -/- mice display improved endurance and higher capacity to use fat as fuel during exercise. Isolated muscles lacking CDK4 are more resistant to fatigue in response to repeated contractions and have increased oxidative capacity and mitochondrial content compared to cdk4 +/+ muscles. Transcriptomic analysis reveals upregulation of genes controlled by the nuclear receptors estrogen-related receptors (ERRs) in cdk4 -/- skeletal muscle, associated with elevated levels of the ERR co-activator PGC1a. Supporting in vivo results, C2C12 myotubes treated with a CDK4 inhibitor have increased mitochondrial oxygen consumption, PGC1α expression and ERR transcriptional activity measured by a luciferase reporter. In normal housing conditions, cdk4 -/- mice show an increased basal metabolic rate and are resistant to weight gain and fat accumulation. In conclusion, our study uncovers a role for CDK4 in the control of skeletal muscle metabolism. Moreover, CDK4 inhibition may be an alternative strategy against obesity-associated metabolic disorders.

ABSTRACT Crop genomes accumulated deleterious mutations, a symptom known as the cost of domestication. Precision genome editing has been proposed to eliminate such potentially harmful mutations, however, experimental demonstration is lacking. Here, we identified a deleterious mutation in the tomato transcription factor SUPPRESSOR OF SP2 ( SSP2 ), which became prevalent in the domesticated germplasm and diminished DNA-binding to genome-wide targets. We found that SSP2 acts partially redundant with its paralog SSP to regulate shoot and inflorescence architecture. However, redundancy was compromised during tomato domestication and completely lost in the closely-related species Physalis grisea , in which a single ortholog regulates shoot branching. We applied base editing to directly repair the deleterious mutation in cultivated tomato and obtained plants with compact growth that provide an early fruit yield. Our work shows how deleterious variants sensitized modern genotypes for phenotypic tuning and illustrates how repairing deleterious mutations with genome editing allows for predictable crop improvement.

Abstract The study of insular populations was key in the development of evolutionary theory. The successful colonisation of an island depends on the geographic context, and specific characteristics of the organism and the island, but also on stochastic processes. As a result, apparently identical islands may harbour populations with contrasting histories. Here, we use whole genome sequences of 65 barn owls to investigate the patterns of inbreeding and genetic diversity of insular populations in the eastern Mediterranean Sea. We focus on Crete and Cyprus, islands with similar size, climate and distance to mainland, that provide natural replicates for a comparative analysis of the impacts of microevolutionary processes on isolated populations. We show that barn owl populations from each island have a separate origin, Crete being genetically more similar to other Greek islands and mainland Greece, and Cyprus more similar to the Levant. Further, our data show that their respective demographic histories following colonisation were also distinct. On the one hand, Crete harbours a small population and maintains very low levels of gene flow with neighbouring populations. This has resulted in low genetic diversity, strong genetic drift, increased relatedness in the population and remote inbreeding. Cyprus, on the other hand, appears to maintain enough gene flow with the mainland to avoid such an outcome. Our work provides a comparative population genomic analysis of the effects of neutral processes on a classical island-mainland model system. It provides empirical evidence for the role of stochastic processes in determining the fate of diverging isolated populations.

ABSTRACT Acinetobacter baumannii is a dangerous nosocomial pathogen, especially due to its ability to rapidly acquire new genetic traits, including antibiotic resistance genes (ARG). In A. baumannii , natural competence for transformation, one of the primary modes of horizontal gene transfer (HGT), is thought to contribute to ARG acquisition and has therefore been intensively studied. However, knowledge regarding the potential role of epigenetic DNA modification(s) on this process remains lacking. Here, we demonstrate that the methylome pattern of diverse A. baumannii strains differs substantially and that these epigenetic marks influence the fate of transforming DNA. Specifically, we describe a methylome-dependent phenomenon that impacts intra- and inter-species DNA exchange by the competent A. baumannii strain A118. We go on to identify and characterize an A118-specific restrictionmodification (RM) system that impairs transformation when the incoming DNA lacks a specific methylation signature. Collectively, our work contributes towards a more holistic understanding of HGT in this organism and may also aid future endeavors towards tackling the spread of novel ARGs. In particular, our results suggest that DNA exchanges between bacteria that share similar epigenomes are favored and could therefore guide future research into identifying the reservoir(s) of dangerous genetic traits for this multi-drug resistant pathogen.

Background: Compensatory liver hyperplasia - or regeneration - induced by two-thirds partial hepatectomy (PH) permits the study of synchronized activation of mammalian gene expression, particularly in relation to cell proliferation. Here, we measured genomic transcriptional responses and mRNA accumulation changes after PH and sham surgeries. Results: During the first 10-20 hours, the PH- and sham-surgery responses were very similar, including parallel early activation of cell-division-cycle genes. After 20 hours, however, whereas post-PH livers continued with a robust and coordinate cell-division-cycle gene-expression response before returning to the resting state by one week, sham-surgery livers returned directly to a resting gene-expression state. Localization of RNA polymerase II (Pol II), and trimethylated histone H3 lysine 4 (H3K4me3) and 36 (H3K36me3) on genes dormant in the resting liver and activated during the PH response revealed a general de novo promoter Pol II recruitment and H3K4me3 increase during the early 10-20 hour phase followed by Pol II elongation and H3K36me3 accumulation in gene bodies during the later proliferation phase. H3K36me3, generally appearing at the first-internal exon, was preceded 5' by H3K36me2; 3' of the first-internal exon, in about half of genes H3K36me3 predominated and in the other half H3K36me2 and H3K36me3 co-existed. Further, we observed some unusual gene profiles with abundant Pol II but little evident H3K4me3 or H3K36me3 modification, indicating that these modifications are neither universal nor essential partners to Pol II transcription. Conclusions: PH and sham surgical procedures on mice reveal striking early post-operatory gene expression similarities followed by synchronized mRNA accumulation and epigenetic histone mark changes specific to PH.