Affinity tagging, mass spectroscopy and a tailor-made scoring system are used to identify 497 high-confidence interactions between human proteins and human immunodeficiency virus proteins. Nevan Krogan and colleagues report a global analysis of human proteins that interact with the 18 proteins expressed by HIV-1. Using affinity tagging and mass spectrometry combined with a new quantitative scoring system and a high level of validation by co-immunoprecipitation, they identify 497 HIV–human protein–protein interactions, providing new insights into host proteins that could play a part in HIV replication. Functional validation of a few of these hits revealed a number of new factors that inhibit HIV replication, including EIF3d, which is cleaved by HIV protease, and DESP and HEAT1, which interact with integrase and inhibit integration. Human immunodeficiency virus (HIV) has a small genome and therefore relies heavily on the host cellular machinery to replicate. Identifying which host proteins and complexes come into physical contact with the viral proteins is crucial for a comprehensive understanding of how HIV rewires the host’s cellular machinery during the course of infection. Here we report the use of affinity tagging and purification mass spectrometry1,2,3 to determine systematically the physical interactions of all 18 HIV-1 proteins and polyproteins with host proteins in two different human cell lines (HEK293 and Jurkat). Using a quantitative scoring system that we call MiST, we identified with high confidence 497 HIV–human protein–protein interactions involving 435 individual human proteins, with ∼40% of the interactions being identified in both cell types. We found that the host proteins hijacked by HIV, especially those found interacting in both cell types, are highly conserved across primates. We uncovered a number of host complexes targeted by viral proteins, including the finding that HIV protease cleaves eIF3d, a subunit of eukaryotic translation initiation factor 3. This host protein is one of eleven identified in this analysis that act to inhibit HIV replication. This data set facilitates a more comprehensive and detailed understanding of how the host machinery is manipulated during the course of HIV infection.

Abstract For more than two decades, the UCSC Genome Browser database (https://genome.ucsc.edu) has provided high-quality genomics data visualization and genome annotations to the research community. As the field of genomics grows and more data become available, new modes of display are required to accommodate new technologies. New features released this past year include a Hi-C heatmap display, a phased family trio display for VCF files, and various track visualization improvements. Striving to keep data up-to-date, new updates to gene annotations include GENCODE Genes, NCBI RefSeq Genes, and Ensembl Genes. New data tracks added for human and mouse genomes include the ENCODE registry of candidate cis-regulatory elements, promoters from the Eukaryotic Promoter Database, and NCBI RefSeq Select and Matched Annotation from NCBI and EMBL-EBI (MANE). Within weeks of learning about the outbreak of coronavirus, UCSC released a genome browser, with detailed annotation tracks, for the SARS-CoV-2 RNA reference assembly.

Abstract The SARS-CoV-2 pandemic has led to unprecedented, nearly real-time genetic tracing due to the rapid community sequencing response. Researchers immediately leveraged these data to infer the evolutionary relationships among viral samples and to study key biological questions, including whether host viral genome editing and recombination are features of SARS-CoV-2 evolution. This global sequencing effort is inherently decentralized and must rely on data collected by many labs using a wide variety of molecular and bioinformatic techniques. There is thus a strong possibility that systematic errors associated with lab-specific practices affect some sequences in the repositories. We find that some recurrent mutations in reported SARS-CoV-2 genome sequences have been observed predominantly or exclusively by single labs, co-localize with commonly used primer binding sites and are more likely to affect the protein coding sequences than other similarly recurrent mutations. We show that their inclusion can affect phylogenetic inference on scales relevant to local lineage tracing, and make it appear as though there has been an excess of recurrent mutation and/or recombination among viral lineages. We suggest how samples can be screened and problematic mutations removed. We also develop tools for comparing and visualizing differences among phylogenies and we show that consistent clade- and tree-based comparisons can be made between phylogenies produced by different groups. These will facilitate evolutionary inferences and comparisons among phylogenies produced for a wide array of purposes. Building on the SARS-CoV-2 Genome Browser at UCSC, we present a toolkit to compare, analyze and combine SARS-CoV-2 phylogenies, find and remove potential sequencing errors and establish a widely shared, stable clade structure for a more accurate scientific inference and discourse. Foreword We wish to thank all groups that responded rapidly by producing these invaluable and essential sequence data. Their contributions have enabled an unprecedented, lightning-fast process of scientific discovery---truly an incredible benefit for humanity and for the scientific community. We emphasize that most lab groups with whom we associate specific suspicious alleles are also those who have produced the most sequence data at a time when it was urgently needed. We commend their efforts. We have already contacted each group and many have updated their sequences. Our goal with this work is not to highlight potential errors, but to understand the impacts of these and other kinds of highly recurrent mutations so as to identify commonalities among the suspicious examples that can improve sequence quality and analysis going forward.

ABSTRACT Background Researchers are generating molecular data pertaining to the SARS-CoV-2 RNA genome and its proteins at an unprecedented rate during the COVID-19 pandemic. As a result, there is a critical need for rapid and continuously updated access to the latest molecular data in a format in which all data can be quickly cross-referenced and compared. We adapted our genome browser visualization tool to the viral genome for this purpose. Molecular data, curated from published studies or from database submissions, are mapped to the viral genome and grouped together into “annotation tracks” where they can be visualized along the linear map of the viral genome sequence and programmatically downloaded in standard format for analysis. Results The UCSC Genome Browser for SARS-CoV-2 ( https://genome.ucsc.edu/covid19.html ) provides continuously updated access to the mutations in the many thousands of SARS-CoV-2 genomes deposited in GISAID and the international nucleotide sequencing databases, displayed alongside phylogenetic trees. These data are augmented with alignments of bat, pangolin, and other animal and human coronavirus genomes, including per-base evolutionary rate analysis. All available annotations are cross-referenced on the virus genome, including those from major databases (PDB, RFAM, IEDB, UniProt) as well as up-to-date individual results from preprints. Annotated data include predicted and validated immune epitopes, promising antibodies, RT-PCR and sequencing primers, CRISPR guides (from research, diagnostics, vaccines, and therapies), and points of interaction between human and viral genes. As a community resource, any user can add manual annotations which are quality checked and shared publicly on the browser the next day. Conclusions We invite all investigators to contribute additional data and annotations to this resource to accelerate research and development activities globally. Contact us at genome-www@soe.ucsc.edu with data suggestions or requests for support for adding data. Rapid sharing of data will accelerate SARS-CoV-2 research, especially when researchers take time to integrate their data with those from other labs on a widely-used community browser platform with standardized machine-readable data formats, such as the SARS-CoV-2 Genome Browser.

ABSTRACT RAS genes are the most frequently mutated oncogenes in cancer. However, the effects of oncogenic RAS signaling on the noncoding transcriptome are unclear. We analyzed the transcriptomes of human airway epithelial cells transformed with mutant KRAS to define the landscape of KRAS-regulated noncoding RNAs. We found that oncogenic KRAS upregulates noncoding transcripts throughout the genome, many of which arise from transposable elements. These repetitive noncoding RNAs exhibit differential RNA editing in single cells, are released in extracellular vesicles, and are known targets of KRAB zinc-finger proteins, which are broadly down-regulated in mutant KRAS cells and lung adenocarcinomas. Moreover, mutant KRAS induces IFN-stimulated genes through both epigenetic and RNA-based mechanisms. Our results reveal that mutant KRAS remodels the noncoding transcriptome through epigenomic reprogramming, expanding the scope of genomic elements regulated by this fundamental signaling pathway and revealing how mutant KRAS induces an intrinsic IFN-stimulated gene signature often seen in ADAR-dependent cancers.

Summary Overlapping coding regions balance selective forces between multiple genes. One possible division of nucleotide sequence is that the predominant selective force on a particular nucleotide can be attributed to just one gene. While this arrangement has been observed in regions in which one gene is structured and the other is disordered, we sought to explore how overlapping genes balance constraints when both protein products are structured over the same sequence. We use a combination of sequence analysis, functional assays and selection experiments to examine an overlapped region in HIV-1 that encodes helical regions in both Env and Rev. We find that functional segregation occurs even in this overlap, with each protein spacing its functional residues in a manner that allows a mutable non-binding face of one helix to encode important functional residues on a charged face in the other helix. Additionally, our experiments reveal novel and critical functional residues in Env and have implications for the therapeutic targeting of HIV-1.

Abstract Co-option of transposable elements (TEs) to become part of existing or new enhancers is an important mechanism for evolution of gene regulation. However, contributions of lineage-specific TE insertions to recent regulatory adaptations remain poorly understood. Gibbons present a suitable model to study these contributions as they have evolved a lineage-specific TE called LAVA, which is still active in the gibbon genome. The LAVA retrotransposon is thought to have played a role in the emergence of the unusually rearranged structure of the gibbon genome by disrupting transcription of cell cycle genes. In this study, we investigated whether LAVA may have also contributed to the evolution of gene regulation by adopting enhancer function. We characterized fixed and polymorphic LAVA insertions across multiple gibbons and found 96 LAVA elements overlapping enhancer chromatin states. Moreover, LAVA was enriched in multiple transcription factor binding motifs, was bound by an important transcription factor (PU.1), and was associated with higher levels of gene expression in cis . We found gibbon-specific signatures of purifying/positive selection at 27 LAVA insertions. Two of these insertions were fixed in the gibbon lineage and overlapped with enhancer chromatin states, representing putative co-opted LAVA enhancers. These putative enhancers were located within genes encoding SETD2 and RAD9A, two proteins that facilitate accurate repair of DNA double-strand breaks and prevent chromosomal rearrangement mutations. Thus, LAVA’s co-option in these genes may have influenced regulation of processes that preserve genome integrity. Our findings highlight the importance of considering lineage-specific TEs in studying evolution of novel gene regulatory elements.

Background: CRISPR-based genetic medicines offer a promising “one and done” approach to improve cardiovascular health by lowering LDL-C. We performed a comparative analysis of different gene editing approaches to targeting PCSK9 for potent and safe lowering of LDL-C. Based on our findings, we engineered two investigational products using a novel CRISPR-CasX platform: a gene editor and an epigenetic editor. We demonstrated the efficacy and safety of these agents in vivo, including in non-human primates (NHPs). Methods: We engineered two novel CasX-based molecules. STX-1100 is a CasX-based gene editor designed to knock out PCSK9 in hepatocytes and consists of an engineered CasX mRNA and a PCSK9-targeting gRNA encapsulated into lipid nanoparticles (LNPs). STX-1150 is a CasX-based epigenetic editor engineered to silence PCSK9 expression in hepatocytes. It consists of an mRNA encoding a catalytically-inactive modified CasX with a DNA methyltransferase domain and a chromatin effector domain, plus a PCSK9-targeting gRNA encapsulated into LNPs. The efficacy and selectivity of STX-1100, STX-1150, and a Cas9-based adenine base editor were assessed in vitro. Both editing and epigenetic editing approaches were advanced for testing in vivo. Results: STX-1100 achieved 95% editing of the PCSK9 gene in vitro, reducing secreted PCSK9 levels by 95%. Off-target editing was not observed in vitro at 10x EC90. In NHPs, a single dose of STX-1100 resulted in dose-dependent PCSK9 editing, saturating at 1.5 mg/kg, and leading to an LDL-C reduction of up to 54% for ≥300 days. Doses up to 3.0 mg/kg were well-tolerated. STX-1150 achieved >95% reduction in PCSK9 mRNA and protein in vitro. RNA-seq in PHHs confirmed high specificity, silencing only the PCSK9 transcript. A single dose reduced serum PCSK9 levels by >90% in vivo, with repression lasting >24 weeks. On-target CpG methylation near the PCSK9 promoter was observed, corroborating serum PCSK9 reduction. Conclusion: Through CasX engineering, we developed two agents that lower PCSK9 levels in vivo with high selectivity and durability after a single dose in mice and NHPs. Comparing different modalities suggests that gene editing and epigenetic editing may offer a greater therapeutic index and fewer off-target effects compared to existing Cas9-based approaches such as base editing. These innovative molecules show great potential for safe and durable LDL-C lowering in high-risk ASCVD patients and support advancement to clinical testing.

The HIV-1 protein Rev is an essential viral regulatory protein that facilitates the nuclear export of intron-containing viral mRNAs. Its sequence is organized into short, structured, functionally well-characterized motifs joined by less understood linker regions. We recently carried out a competitive deep mutational scanning study, which determined the relative fitness of every amino acid at every position of Rev in replicating viruses. This study confirmed many known constraints in Rev's established interaction motifs, but also identified positions of mutational plasticity within these regions as well as in surrounding linker regions. Here, we probe the mutational limits of these linkers by designing and testing the activities of multiple truncation and mass substitution mutations. We find that these regions possess previously unknown structural, functional or regulatory roles, not apparent from systematic point mutational approaches. Specifically, the N- and C-termini of Rev contribute to protein stability; mutations in a turn that connects the two main helices of Rev have different effects in nuclear export assays and viral replication assays; and a linker region which connects the second helix of Rev to its nuclear export sequence has structural requirements for function. Thus, we find that Rev function extends beyond its characterized motifs, and is in fact further tuned by determinants within seemingly plastic portions of its sequence. At the same time, Rev's ability to tolerate many of these massive truncations and substitutions illustrates the overall mutational and functional robustness inherent in this viral protein.

Background Nearly half the human genome consists of repeat elements, most of which are retrotransposons, and many of these sequences play important biological roles. However repeat elements pose several unique challenges to current bioinformatic analyses and visualization tools, as short repeat sequences can map to multiple genomic loci resulting in their misclassification and misinterpretation. In fact, sequence data mapping to repeat elements are often discarded from analysis pipelines. Therefore, there is a continued need for standardized tools and techniques to interpret genomic data of repeats.Results We present the UCSC Repeat Browser, which consists of a complete set of human repeat reference sequences derived from the gold standard repeat database RepeatMasker. The UCSC Repeat Browser contains mapped annotations from the human genome to these references, and presents all of them as a comprehensive interface to facilitate work with repetitive elements. Furthermore, it provides processed tracks of multiple publicly available datasets of biological interest to the repeat community, including ChIP-SEQ datasets for KRAB Zinc Finger Proteins (KZNFs) – a family of proteins known to bind and repress certain classes of repeats. Here we show how the UCSC Repeat Browser in combination with these datasets, as well as RepeatMasker annotations in several non-human primates, can be used to trace the independent trajectories of species-specific evolutionary conflicts.Conclusions The UCSC Repeat Browser allows easy and intuitive visualization of genomic data on consensus repeat elements, circumventing the problem of multi-mapping, in which sequencing reads of repeat elements map to multiple locations on the human genome. By developing a reference consensus, multiple datasets and annotation tracks can easily be overlaid to reveal complex evolutionary histories of repeats in a single interactive window. Specifically, we use this approach to retrace the history of several primate specific LINE-1 families across apes, and discover several species-specific routes of evolution that correlate with the emergence and binding of KZNFs.