ABSTRACT Background Genome-wide association studies have identified several breast cancer susceptibility loci. However, biomarkers for risk assessment are still missing. Here, we investigated cancer-related molecular changes detected in tissues from women at high risk for breast cancer prior to disease manifestation. Disease-free breast tissue cores donated by healthy women (N=146, median age=39 years) were processed for both methylome (MethylCap) and transcriptome (Illumina’s HiSeq4000) sequencing. Analysis of tissue microarray and primary breast epithelial cells was used to confirm gene expression dysregulation. Results Transcriptomic analysis identified 69 differentially expressed genes between women at either high and those at average risk of breast cancer (Tyrer-Cuzick model) at FDR<0.05 and fold change≥2. The majority of the identified genes were involved in DNA damage checkpoint, cell cycle, and cell adhesion. Two genes, FAM83A and NEK2, were overexpressed in tissue sections (FDR<0.01) and primary epithelial cells ( p <0.05) from high-risk breasts. Moreover, 1698 DNA methylation aberrations were identified in high-risk breast tissues (FDR<0.05), partially overlapped with cancer-related signatures and correlated with transcriptional changes ( p <0.05, r ≤0.5). Finally, among the participants, 35 women donated breast biopsies at two time points, and age-related molecular alterations enhanced in high-risk subjects were identified. Conclusions Normal breast tissue from women at high risk of breast cancer bears molecular aberrations that may contribute to breast cancer susceptibility. This study is the first molecular characterization of the true normal breast tissues and provides an opportunity to investigate molecular markers of breast cancer risk, which may lead to new preventive approaches.

Abstract Ovarian cancer is a deadly disease attributed to late-stage detection as well as recurrence and development of chemoresistance. Ovarian cancer stem cells (OCSCs) are hypothesized to be largely responsible for emergence of chemoresistant tumors. Although chemotherapy may initially succeed at decreasing the size and number of tumors, it leaves behind residual malignant OCSCs. In this study, we demonstrate that Aldehyde dehydrogenase 1A1 (ALDH1A1) is essential for the survival of OCSCs. We identified a first in class ALDH1A1 inhibitor, compound 974, and used 974 as a tool to decipher the mechanism of stemness regulation by ALDH1A1. Treatment of OCSCs with 974 significantly inhibited ALDH activity, expression of stemness genes, spheroid, and colony formation. In vivo limiting dilution assay demonstrated that 974 significantly inhibited CSC frequency. Transcriptomic sequencing of cells treated with 974 revealed significant downregulation of genes related to stemness and chemoresistance as well as senescence and senescence associated secretory phenotype (SASP). We confirmed that 974 inhibited senescence and stemness induced by platinum-based chemotherapy in functional assays. Overall, these data establish that ALDH1A1 is essential for OCSCs survival and ALDH1A1 inhibition suppresses chemotherapy induced senescence and stemness. Targeting ALDH1A1 using small molecule inhibitors in combination with chemotherapy therefore presents a promising strategy to prevent ovarian cancer recurrence and has potential for clinical translation.

Summary Vibrio campbellii is a Gram-negative bacterium that is free-living and ubiquitous in marine environments, and it is a pathogen of fish and shellfish. Swimming motility via a single polar flagellum is a critical virulence factor in V. campbellii pathogenesis, and disruption of the flagellar motor significantly decreases host mortality. To examine V. campbellii flagellar gene regulation, we identified homologs of flagellar and chemotaxis genes conserved in other members of the Vibrionaceae and determined the transcriptional profile of these loci using differential RNA-seq. We systematically deleted all 63 predicted flagellar and chemotaxis genes in V. campbellii and examined their effects on motility and flagellum production. We specifically focused on the core flagellar regulators of the flagellar regulatory hierarchy established in other Vibrios : RpoN (σ 54 ), FlrA, FlrC, and FliA. Our results show that V. campbellii transcription of flagellar and chemotaxis genes is governed by a multi-tiered regulatory hierarchy similar to other motile Vibrio species but with two critical differences: the σ 54 -dependent regulator FlrA is dispensable for motility, and Class II gene expression is independent of σ 54 regulation. Our genetic and phenotypic dissection of the V. campbellii flagellar regulatory network highlights the differences that have evolved in flagellar regulation across the Vibrionaceae .

Vibrio coralliilyticus is a pathogen of coral and shellfish, leading to devastating economic and ecological consequences worldwide. Although rising ocean temperatures correlate with increased V . coralliilyticus pathogenicity, the specific molecular mechanisms and determinants contributing to virulence remain poorly understood. Here, we systematically analyzed the type VI secretion system (T6SS), a contact-dependent toxin delivery apparatus, in V . coralliilyticus . We identified 2 omnipresent T6SSs that are activated at temperatures in which V . coralliilyticus becomes virulent; T6SS1 is an antibacterial system mediating interbacterial competition, whereas T6SS2 mediates anti-eukaryotic toxicity and contributes to mortality during infection of an aquatic model organism, Artemia salina . Using comparative proteomics, we identified the T6SS1 and T6SS2 toxin arsenals of 3 V . coralliilyticus strains with distinct disease etiologies. Remarkably, T6SS2 secretes at least 9 novel anti-eukaryotic toxins comprising core and accessory repertoires. We propose that T6SSs differently contribute to V . coralliilyticus ’s virulence: T6SS2 plays a direct role by targeting the host, while T6SS1 plays an indirect role by eliminating competitors.

To overtake competitors, microbes produce and secrete secondary metabolites that kill neighboring cells and sequester nutrients. This natural product-mediated competition likely evolved in complex microbial communities that included viral pathogens. From this ecological context, we hypothesized that microbes secrete metabolites that "weaponize" natural pathogens (i.e., bacteriophages) to lyse their competitors. Indeed, we discovered a bacterial secondary metabolite that sensitizes other bacteria to phage infection. We found that this metabolite provides the producer (a

ABSTRACT The bacterial pathogen Vibrio coralliilyticus ( Vcor ) causes disease in coral species worldwide. The mechanisms of Vcor coral colonization, coral microbiome interactions, and virulence factor production are understudied. In other model Vibrio species, virulence factors like biofilm formation, toxin secretion, and protease production are controlled through a density-dependent communication system called quorum sensing (QS). Comparative genomics indicated that V. coralliilyticus genomes share high sequence identity for most of the QS signaling and regulatory components identified in other Vibrio species. Here, we identify an active QS signaling pathway in two V. coralliilyticus strains with distinct infection etiologies: type strain BAA-450 and coral isolate OCN008. The inter-species AI-2 autoinducer signaling pathway in both strains controls expression of the master QS transcription factor VcpR to regulate >300 genes, including protease production, biofilm formation, and two conserved type VI secretion systems (T6SSs). Activation of T6SS1 by QS results in secretion of effectors and enables interbacterial competition and killing of prey bacteria. We conclude that the QS system in V. coralliilyticus is functional and controls expression of genes involved in relevant bacterial behaviors that may influence coral infection. IMPORTANCE Vibrio coralliilyticus infects many marine organisms, including multiple species of corals, and is a primary causative agent of tissue loss diseases and bacterial-induced bleaching. Here we investigate a common cell-cell communication mechanism called quorum sensing, which is known to be intimately connected to virulence in other Vibrio species. Our genetic and chemical studies of V. coralliilyticus quorum sensing uncovered an active pathway that directly regulates key virulence factors: proteases, biofilms, and secretion systems. These findings connect bacterial signaling in communities to infection of corals, which may lead to novel treatments and earlier diagnoses of coral diseases in reefs.

The type III secretion system (T3SS) is a needle-like complex used by numerous bacterial pathogens in host infection by directly injecting exotoxins into the host cell cytoplasm, leading to cell death. The T3SS is a known virulence factor in the shrimp pathogen

Abstract The transcription factor HAND2 plays critical roles during cardiogenesis. Hand2 endocardial deletion ( H2CKO ) results in tricuspid atresia or double inlet left ventricle with accompanying intraventricular septum defects, hypo-trabeculated ventricles, and an increased density of coronary lumens. To understand the regulatory mechanisms of these phenotypes, single cell transcriptome analysis of E11.5 H2CKO hearts was performed revealing a number of disrupted endocardial regulatory pathways. Utilizing HAND2 DNA occupancy data, we identify several HAND2-dependent enhancers, including two endothelial enhancers for the sheer-stress master regulator, KLF2. A 1.8kb enhancer located 50kb upstream of the Klf2 transcriptional start site imparts specific endothelial/endocardial expression within the vasculature and endocardium. This enhancer is HAND2-dependent for ventricular endocardium expression but HAND2-independent for Klf2 vascular and valve expression. Deletion of this Klf2 enhancer reveals reduced Klf2 expression within ventricular endocardium. These data reveal that HAND2 functions within endocardial gene regulatory networks including sheer stress response.

Abstract Sequence specific DNA-binding domains (DBDs) are conserved in all domains of life. These proteins carry out a variety of cellular functions, and there are a number of distinct structural domains already described that allow for sequence-specific DNA binding, including the ubiquitous helix-turn-helix (HTH) domain. In the facultative pathogen Vibrio cholerae , the chitin sensor ChiS is a transcriptional regulator that is critical for the survival of this organism in its marine reservoir. We have recently shown that ChiS contains a cryptic DBD in its C-terminus. This domain is not homologous to any known DBD, but it is a conserved domain present in other bacterial proteins. Here, we present the crystal structure of the ChiS DBD at a resolution of 1.28 Å. We find that the ChiS DBD contains an HTH domain that is structurally similar to those found in other DNA binding proteins, like the LacI repressor. However, one striking difference observed in the ChiS DBD is that the canonical tight “turn” of the HTH is replaced with an insertion containing a β-sheet, a variant which we term the “helix-sheet-helix”. Through systematic mutagenesis of all positively charged residues within the ChiS DBD, we show that residues within and proximal to the ChiS helix-sheet-helix are critical for DNA binding. Finally, through phylogenetic analyses we show that the ChiS DBD is found in diverse Proteobacterial proteins that exhibit distinct domain architectures. Together, these results suggest that the structure described here represents the prototypical member of the ChiS-family of DBDs. Importance Regulating gene expression is essential in all domains of life. This process is commonly facilitated by the activity of DNA-binding transcription factors. There are diverse structural domains that allow proteins to bind to specific DNA sequences. The structural basis underlying how some proteins bind to DNA, however, remains unclear. Previously, we showed that in the major human pathogen Vibrio cholerae the transcription factor ChiS directly regulates gene expression through a cryptic DNA binding domain. This domain lacked homology to any known DNA-binding protein. In the current study, we determined the structure of the ChiS DNA binding domain (DBD) and find that the ChiS-family DBD is a cryptic variant of the ubiquitous helix-turn-helix (HTH) domain. We further demonstrate that this domain is conserved in diverse proteins that may represent a novel group of transcriptional regulators.

Summary Vibrio campbellii BB120 (previously classified as Vibrio harveyi ) is a fundamental model strain for studying quorum sensing in vibrios. A phylogenetic evaluation of sequenced Vibrio strains in Genbank revealed that BB120 is closely related to the environmental isolate V. campbellii DS40M4. We exploited DS40M4’s competence for exogenous DNA uptake to rapidly generate >30 isogenic strains with deletions of genes encoding BB120 quorum-sensing system homologs. Our results show that the quorum-sensing circuit of DS40M4 is distinct from BB120 in three ways: 1) DS40M4 does not produce an acyl homoserine lactone autoinducer but encodes an active orphan LuxN receptor, 2) the quorum regulatory small RNAs (Qrrs) are not solely regulated by autoinducer signaling through the response regulator LuxO, and 3) the DS40M4 quorum-sensing regulon is much smaller than BB120 (~100 genes vs ~400 genes, respectively). Using comparative genomics to expand our understanding of quorum-sensing circuit diversity, we observe that conservation of LuxM/LuxN proteins differs widely both between and within Vibrio species. These strains are also phenotypically distinct: DS40M4 exhibits stronger interbacterial cell killing, whereas BB120 forms more robust biofilms and is bioluminescent. These results underscore the need to examine wild isolates for a broader view of bacterial diversity in the marine ecosystem. Originality-Significance Statement Wild bacterial isolates yield important information about traits that vary within species. Here, we compare environmental isolate Vibrio campbellii DS40M4 to its close relative, the model strain BB120 that has been a fundamental strain for studying quorum sensing for >30 years. We examine several phenotypes that define this species, including quorum sensing, bioluminescence, and biofilm formation. Importantly, DS40M4 is naturally transformable with exogenous DNA, which allows for the rapid generation of mutants in a laboratory setting. By exploiting natural transformation, we genetically dissected the functions of BB120 quorum-sensing system homologs in the DS40M4 strain, including two-component signaling systems, transcriptional regulators, and small RNAs.