SUMMARY During transcription, RNA Polymerase II (RNAPII) is spatially organised within the nucleus into clusters that correlate with transcription activity. While this is a hallmark of genome regulation in mammalian cells, the mechanisms concerning the assembly, organisation and stability which underpin the function these transcription factories remain unknown. Here, we have used combination of single molecule imaging and genomic approaches to explore the role of nuclear myosin VI in the nanoscale organisation of RNAPII. We reveal that myosin VI acts as the molecular anchor that holds RNAPII into transcription factories. Perturbation of myosin VI leads to the disruption of RNAPII localisation, changes in chromatin organisation and subsequently a decrease in gene expression. Overall, we uncover the fundamental role of myosin VI in the spatial regulation of gene expression during the rapid response to changes in the cellular environment.

Abstract Nanobodies are emerging as critical tools for drug design. Several have been recently created to serve as inhibitors of SARS-Cov-2 entry in the host cell by targeting surface-exposed Spike protein. However, due to the high frequency of mutations that affect Spike, these nanobodies may not target it to their full potential and as a consequence, inhibition of viral entry may not be efficient. Here we have established a pipeline that instead targets highly conserved viral proteins that are made only after viral entry into the host cell when the SARS-Cov-2 RNA-based genome is translated. As proof of principle, we designed nanobodies against the SARS-CoV-2 non-structural protein Nsp9, required for viral genome replication. To find out if this strategy efficiently blocks viral replication, one of these anti-Nsp9 nanobodies, 2NSP23, previously characterized using immunoassays and NMR spectroscopy for epitope mapping, was encapsulated into lipid nanoparticles (LNP) as mRNA. We show that this nanobody, hereby referred to as LNP-mRNA- 2NSP23, is internalized and translated in HEK293 cells. We next infected HEK293-ACE2 cells with multiple SARS-CoV-2 variants and subjected them to LNP-mRNA-2NSP23 treatment. Analysis of total RNA isolated from infected cells treated or untreated with LNP-mRNA-2NSP23 using qPCR and RNA deep sequencing shows that the LNP-mRNA-2NSP23 nanobody protects HEK293-ACE2 cells and suppresses replication of several SARS-CoV-2 variants. These observations indicate that following translation, the nanobody 2NSP23 inhibits viral replication by targeting Nsp9 in living cells. We speculate that LNP-mRNA-2NSP23 may be translated into an innovative technology to generate novel antiviral drugs highly efficient across coronaviruses.

Abstract The interaction between SARS-CoV-2 non-structural protein Nsp9 and the nanobody 2NSP90 was investigated by NMR spectroscopy using the paramagnetic perturbation methodology PENELOP (Paramagnetic Equilibrium vs Nonequilibrium magnetization Enhancement or LOss Perturbation). The Nsp9 monomer is an essential component of the replication and transcription complex (RTC) that reproduces the viral gRNA for subsequent propagation. Therefore preventing Nsp9 recruitment in RTC would represent an efficient antiviral strategy that could be applied to different coronaviruses, given the Nsp9 relative invariance. The NMR results were consistent with a previous characterization suggesting a 4:4 Nsp9-to-nanobody stoichiometry with the occurrence of two epitope pairs on each of the Nsp9 units that establish the inter-dimer contacts of Nsp9 tetramer. The oligomerization state of Nsp9 was also analyzed by molecular dynamics simulations and both dimers and tetramers resulted plausible. However a different distribution of the mapped epitopes on the tetramer surface with respect to the former 4:4 complex could also be possible, as well as different stoichiometries of the Nsp9-nanobody assemblies such as the 2:2 stoichiometry suggested by the recent crystal structure of the Nsp9 complex with 2NSP23 (PDB ID: 8dqu), a nanobody exhibiting essentially the same affinity as 2NSP90. The experimental NMR evidence, however, ruled out the occurrence in liquid state of the relevant Nsp9 conformational change observed in the same crystal structure.

Nanobodies are emerging as critical tools for drug design. Several have been recently created to serve as inhibitors of severe acute respiratory syndrome coronavirus s (SARS-CoV-2) entry in the host cell by targeting surface-exposed spike protein. Here we have established a pipeline that instead targets highly conserved viral proteins made only after viral entry into the host cell when the SARS-CoV-2 RNA-based genome is translated. As proof of principle, we designed nanobodies against the SARS-CoV-2 non-structural protein (Nsp)9, which is required for viral genome replication. One of these anti-Nsp9 nanobodies, 2NSP23, previously characterized using immunoassays and nuclear magnetic resonance spectroscopy for epitope mapping, was expressed and found to block SARS-CoV-2 replication specifically. We next encapsulated 2NSP23 nanobody into lipid nanoparticles (LNPs) as mRNA. We show that this nanobody, hereby referred to as LNP-mRNA-2NSP23, is internalized and translated in cells and suppresses multiple SARS-CoV-2 variants, as seen by qPCR and RNA deep sequencing. These results are corroborated in three-dimensional reconstituted human epithelium kept at air-liquid interface to mimic the outer surface of lung tissue. These observations indicate that LNP-mRNA-2NSP23 is internalized and, after translation, it inhibits viral replication by targeting Nsp9 in living cells. We speculate that LNP-mRNA-2NSP23 may be translated into an innovative strategy to generate novel antiviral drugs highly efficient across coronaviruses.

Abstract Three-dimensional organization of the eukaryotic genome is directly affected by the nuclear β-actin pool that regulates enhancer function by affecting H3K27 acetylation levels. This actin-based mechanism, in turn, influences enhancer-dependent transcriptional regulation and plays a crucial role in driving gene expression changes observed upon compartment-switching. Using a combination of bulk RNA-seq and qPCR analyses performed on total RNA from WT mouse embryonic fibroblasts (MEFs), β-actin heterozygous (HET) MEFs, and β-actin KO MEFs, in this study we demonstrate that expression of several lncRNAs is directly affected by β-actin depletion. Among these lncRNAs, Meg3 expression increases in a β-actin dosage-dependent manner. Using ChIRP-seq, ChIRP-MS and f-RIP-qPCR, we show that β-actin depletion leads to alterations in Meg3 genomic association. It also leads to Meg3 enrichment at or close to gene regulatory sites including enhancers and promoters concomitantly with increased H3K27 acetylation levels. At these sites, specific Meg3 association with H3K27 acetylation leads to loss of promoter-enhancer interactions as revealed by the Activity by Contact (ABC) model that builds on RNA-seq, H3K27acetylation ChIP-seq, ATAC-seq and HiC-seq obtained in WT and β-actin KO MEFs. Results from metabolomics experiments in WT, HET and β-actin KO MEFs show these mechanisms contribute to the repression of genes involved in metabolic biosynthetic pathways for chondroitin, heparan, dermatan sulfate, and phospholipases, hence impacting their synthesis. We propose that at sites of actin-dependent increase in H3K27acetylation levels Meg3 interferes with promoter-enhancer interactions, potentially impairing local genome organization (or DNA looping) and negatively regulating gene expression.

Summary Metabolic reprogramming is one of the hallmarks of tumorigenesis. Using a combination of multi-omics, here we show that nuclear myosin 1 (NM1) serves as a key regulator of cellular metabolism. As part of the nutrient-sensing PI3K/Akt/mTOR pathway, NM1 forms a positive feedback loop with mTOR and directly affects mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) via transcriptional regulation of mitochondrial transcription factors TFAM and PGC1α. NM1 depletion leads to suppression of PI3K/Akt/mTOR pathway, underdevelopment of mitochondria inner cristae, and redistribution of mitochondria within the cell, which is associated with reduced expression of OXPHOS genes, decreased mitochondrial DNA copy number and deregulated mitochondrial dynamics. This leads to metabolic reprogramming of NM1 KO cells from OXPHOS to aerobic glycolysis and with a metabolomic profile typical for cancer cells, namely, increased amino acid-, fatty acid-, and sugar metabolism, and increased glucose uptake, lactate production, and intracellular acidity. We show that NM1 KO cells form solid tumors in a nude mouse model even though they have suppressed the PI3K/Akt/mTOR signaling pathway suggesting that the metabolic switch towards aerobic glycolysis provides a sufficient signal for carcinogenesis. We suggest that NM1 plays a key role as a tumor suppressor and that NM1 depletion may contribute to the Warburg effect at the early onset of tumorigenesis.

Abstract Cellular differentiation involves a complex series of events associated with change in cellular shape, function and proliferative capacity. This process is mostly regulated by specific expression of multiple genes which guide the cell through the differentiation process but also ensure proper function of terminal cell types. Over the last decade, the role of cellular metabolism on maintaining pluripotency of stem cells and subsequent differentiation is getting more attention as there is a direct link between the metabolic status of cells and their differentiation potential. We have recently shown that deletion of Nuclear Myosin 1 (NM1) leads to a molecular switch from oxidative phosphorylation to glycolysis and subsequent tumorigenesis in mice. In the present study, we explored the role of NM1 during differentiation of hematopoietic progenitor stem cells to terminal blood and bone marrow stromal cells. Remarkably, we found that NM1 deletion leads to differential expression of genes associated with platelet activation, immune system response and osteoclast differentiation with glycolysis-dependent processes being upregulated while oxidative phosphorylation-dependent processes being generally suppressed in bone marrow tissue isolated from NM1 knock-out mice. The study provides novel insights into the underlying mechanisms of hematopoietic differentiation and suggests that NM1 is a potential therapeutic target for blood-related disorders.