Surface charge plays a key role in cellular uptake and biological actions of nanomaterials. Selenium nanoparticles (SeNPs) are novel Se species with potent anticancer activity and low toxicity. This study constructed positively charged SeNPs by chitosan surface decoration to achieve selective cellular uptake and enhanced anticancer efficacy. The results of structure characterization revealed that hydroxyl groups in chitosan reacted with SeO32– ion to form special chain-shaped intermediates, which could be decomposed to form crystals upon reduction by ascorbic acid. The initial colloids nucleated and then assembled into spherical SeNPs. The positive charge of the NH3+ group on the outer surface of the nanoparticles contributed to the high stability in aqueous solutions. Moreover, a panel of four human cancer cell lines were found to be susceptible to SeNPs, with IC50 values ranging from 22.7 to 49.3 μM. Chitosan surface decoration of SeNPs significantly enhanced the selective uptake by endocytosis in cancer cells and thus amplified the anticancer efficacy. Treatment of the A375 melanoma cells with chitosan–SeNPs led to dose-dependent apoptosis, as evidenced by DNA fragmentation and phosphatidylserine translocation. Our results suggest that the use of positively charged chitosan as a surface decorator could be a simple and attractive approach to achieve selective uptake and anticancer action of nanomaterials in cancer cells.

The cyclic oligonucleotide-based anti-phage signaling system (CBASS) is a family of defense system in prokaryotes 1, 2 . Composed of a cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) and CBASS-associated proteins, CBASS utilizes cyclic oligonucleotides to activate antiviral immunity 3–6 . One major group of CBASS-associated proteins are homologs of eukaryotic E2 ubiquitin-conjugating enzymes. However, the function of E2 in CBASS remains elusive. Here, we report that a bacterial E2 enzyme regulates cGAS by imitating the entire ubiquitination cascade. This includes the processing of the cGAS C-terminus, conjugation of cGAS to a cysteine residue, ligation of cGAS to a lysine residue, cleavage of the isopeptide bond, and poly-cGASylation. The poly-cGASylation fully activates cGAS to produce cGAMP, which acts as an antiviral signal and leads to cell death. Our findings reveal unique regulatory roles of E2 in CBASS and provide insights into the origin of the ubiquitin system.

ABSTRACT RNA research and applications were underpinned by in vitro transcription (IVT), while the RNA impurity resulted from the enzymatic reagents severely impede downstream applications. To improve the stability and purity of synthesized RNA we had characterized a novel single-subunit RNA polymerase (RNAP) encoded by a psychrophilic phage VSW-3 from plateau lake to produce RNA at low temperature. The VSW-3 RNAP is capable of carrying out in vitro RNA synthesis at low temperature (4-25°C) to reduce RNA degradation and alleviate the need of costly RNase inhibitor. Compared to routinely used T7 RNAP, VSW-3 RNAP provides comparable yield of transcripts, but is insensitive to class II transcription terminators and synthesizes RNA without redundant 3’ -cis extension. More importantly, through dot-blot detection with the J2 monoclonal antibody, we found that the RNA products synthesized by VSW-3 RNAP contain much lower amount of or virtually no double-stranded RNA (dsRNA) by-products, which are significant in most T7 RNAP products and may cause severe cellular immune response. Combining these advantages, the VSW-3 RNAP is an advantageous enzyme for IVT, especially to produce RNA for in vivo use.

The remarkable success of mRNA-based vaccines has underscored their potential as a novel biotechnology platform for vaccine development and therapeutic protein delivery. However, the single-subunit RNA polymerase from bacteriophage T7 widely used for in vitro transcription is well known to generate double-stranded RNA (dsRNA) byproducts that strongly stimulate the mammalian innate immune response. The dsRNA was reported to be originated from self-templated RNA extension or promoter-independent transcription. Here, we identified that the primary source of the full-length dsRNA during in vitro transcription is the DNA-terminus-initiated transcription by T7 RNA polymerase. Guanosines or cytosines at the end of DNA templates enhance the DNA-terminus-initiated transcription. Moreover, we found that aromatic residues located at position 47 in the C-helix interfere with the binding of T7 RNA polymerase to DNA termini, leading to a significant reduction in the production of full-length dsRNA. As a result, the mRNA synthesized using the T7 RNA polymerase G47W mutant exhibits higher expression efficiency and lower immunogenicity compared to the mRNA produced using the wild-type T7 RNA polymerase.

ABSTRACT The arms race between bacteria and phages has led to the development of exquisite bacterial defense systems including a number of uncharacterized systems distinct from the well-known Restriction-Modification and CRISPR/Cas systems. Here, we report functional analyses of the GajA protein from the newly predicted Gabija system. The GajA protein is revealed as an endonuclease unique in that: 1. It may function as a restriction enzyme or a site-specific nicking enzyme, depending on the arrangement of the recognition sequences; 2. Its activity is strictly regulated by nucleotides concentration. NTP and dNTP at physiological concentrations can fully inhibited the robust DNA cleavage activity of GajA. Interestingly, the nucleotide inhibition is mediated by an ATPase-like domain, which usually hydrolyzes ATP to stimulate the DNA cleavage when associated with other nucleases. These features suggested the mechanism of the Gabija defense in which an endonuclease activity was suppressed at normal condition, while activated by the depletion of NTP and dNTP upon the replication and transcription by invaded phages. This work highlights a concise strategy to utilize a single protein for phage resistance via nucleotide regulatory.

ABSTRACT Transcription termination is one of the least understood processes of gene expression. As the prototype model for transcription studies, the single-subunit T7 RNA polymerase (RNAP) was known to response to two types of termination signals, while the mechanism underlying such termination especially the specific elements of the polymerase involved in is still unclear, due to the lack of a termination complex structure. Here we applied phage-assisted continuous evolution to obtain variants of T7 RNAP that can bypass the typical class I T7 terminator with stem-loop structure. Through in vivo selection and in vitro characterization, we discovered a single mutation S43Y that significantly decreased the termination efficiency of T7 RNAP at all transcription terminators tested. Coincidently, the S43Y mutation almost eliminates the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) of T7 RNAP without affecting the major DNA-dependent RNA polymerase (DdRp) activity of the enzyme, indicating the relationship between transcription termination and RdRp activity, and suggesting a model in which the stem-loop terminator induces the RdRp activity which competes with the ongoing DdRp activity to cause transcription termination. The T7 RNAP S43Y mutant as an enzymatic reagent for in vitro transcription reduces the undesired termination in run-off RNA synthesis and produces RNA with higher terminal homogeneity.

Polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT) is a functional imaging tool for measuring tissue birefringence characteristics. It has been proposed as a potentially non-invasive technique for evaluating skin burns. However, the PS-OCT modality usually suffers from high system complexity and relatively low tissue-specific contrast, which makes assessing the extent of burns in skin tissue difficult. In this study, we employ an all-fiber-based PS-OCT system with single-state input, which is simple and efficient for skin burn assessment. Multiple parameters, such as phase retardation (PR), degree of polarization uniformity (DOPU), and optical axis orientation, are obtained to extract birefringent features, which are sensitive to subtle changes in structural arrangement and tissue composition. Experiments on ex vivo porcine skins burned at different temperatures were conducted for skin burn investigation. The burned depths estimated by PR and DOPU increase linearly with the burn temperature to a certain extent, which is helpful in classifying skin burn degrees. We also propose an algorithm of image fusion based on principal component analysis (PCA) to enhance tissue contrast for the multi-parameter data of PS-OCT imaging. The results show that the enhanced images generated by the PCA-based image fusion method have higher tissue contrast, compared to the en-face polarization images by traditional mean value projection. The proposed approaches in this study make it possible to assess skin burn severity and distinguish between burned and normal tissues.

Abstract Objectives/Scope With the extensive development of offshore installations, an increasing number of offshore structures are constructed using high-strength steel. The high-strength steel is susceptible to welding residual stress. And it is cost-prohibitive to rely solely on welding experiments. Therefore, utilizing numerical simulation technology to investigate the welding process of offshore high-strength steel holds significant scientific research value. The research aims to study the influence of process parameters on welding temperature field, residual stress and deformation by the finite element method. Methods, Procedures, Process In this paper, a three-dimensional model of a V-groove welded joint of offshore high-strength steel was established using Ansys software. And the welding process was simulated with a volume heat generation heat source. The bidirectional coupling between the temperature field and stress field during plate butt welding was analyzed using a direct method. The influence of welding current on the temperature field and stress field in high-strength steel butt welding was investigated while keeping the welding voltage and speed constant. Results, Observations, Conclusions Firstly, the distribution of temperature fields in the weld and base metal was analyzed. The temperature in and around the molten pool was the highest, and the heat was gradually transferred outward. The increase of welding current directly resulted in an increase of welding heat input, leading to a higher peak temperature field. Furthermore, the evolution of residual stress distribution under different welding currents was examined. The peak residual stress increased with temperature, particularly the residual compressive stress at the weld position, causing the changes of the stress state along the weld center line in the X and Y directions. The deformation and displacement of welded joints were obvious in macroscopic view. Novel/Additive Information The mechanism of welding is complicated, and its application in the offshore high-strength steel has great prospects. The simulation results can provide some theoretical guidance for the optimization of welding process parameters of offshore high-strength steel, which has great practical significance and economic value for improving the quality of welded joints.

ABSTRACT The Gabija antiviral system consists of the GajA and GajB proteins. We previously revealed that GajA is a DNA nicking endonuclease. In this work, we found that the DNA binding of GajA is strictly inhibited by NTP. Furthermore, the antiviral defense of GajA requires the assistance from GajB, which senses DNA termini produced from the DNA nicking by GajA to hydrolyze (d)A/(d)GTP. The synergy between the DNA cleavage by GajA and the nucleotide hydrolysis by GajB results in an efficient abortive infection defense against virulent bacteriophages. GajA binds to GajB to form stable complexes in vivo and in vitro . However, a functional Gabija complex requires the molecular ratio between GajB and GajA below 1:1. Through (i) sequential sensing and executing the nucleotide depletion and DNA cleavage to cause a cascade suicide effect and (ii) stoichiometry regulation of the DNA/nucleotide processing complex, the Gabija system exhibits a unique mechanism distinct from other known prokaryotic antiviral systems.