Nuclease-directed genome editing is a powerful tool for investigating physiology and has great promise as a therapeutic approach that directly addresses the underlying genetic basis of disease. In its most precise form, genome editing can use cellular homology-directed repair (HDR) pathways to insert information from an exogenously supplied DNA repair template (donor) directly into a targeted genomic location. Unfortunately, particularly for long insertions, toxicity and delivery considerations associated with repair template DNA can limit the number of donor molecules available to the HDR machinery, thus limiting HDR efficacy. Here, we explore modifications to both double-stranded and single-stranded repair template DNAs and describe simple 5′ end modifications that consistently and dramatically increase donor potency and HDR efficacy across cell types and species.

The majority of the non-coding regions in the human genome do not harbor any annotated element and are even not marked with any epigenomic signal or protein binding. An understudied aspect of these regions is their possible roles in stabilizing the 3D chromatin organization. To illuminate their “structural importance”, we chose to start with the non-coding regions forming many 3D contacts (referred to as hubs) and identified dozens of hubs essential for cell viability. Hi-C and single cell transcriptomic analyses showed that their deletion could significantly alter chromatin organization and impact gene expression located distal in the genome. This study revealed the 3D structural importance of non-coding loci that are not associated with any functional element, providing a new mechanistic understanding of the disease-associated genetic variations (GVs). Furthermore, our analyses also suggested a powerful approach to develop “one-drug-multiple-targets” therapeutics targeting the disease-specific non-coding regions.

ABSTRACT Increasing evidence shows that promoters and enhancers could be related to 3D chromatin structure, thus affecting cellular functions. Except for functioning through the canonical chromatin loops formed by promoters and enhancers, their roles in maintaining broad chromatin organization have not been well studied. Here, we focused on the active promoters/enhancers (referred to as hotspots) predicted to form many 3D contacts with other active promoters/enhancers, and identified dozens of loci critical for cell survival. While the essentiality of hotspots is not resulted from their association with essential genes, deletion of an essential hotspot could lead to change of broad chromatin organization and expressions of distal genes. We demonstrated that multiple affected genes that are individually non-essential could have synergistic effects to cause cell death.

Retina is a crucial tissue for the capturing and processing of light stimulus. Characterization of the retina at single cell level is essential for the understanding of its biological functions. A variety of abnormalities in terms of morphology and function were reported in T21 retina. To evaluate the effects of chromosome aneuploidy on retina development, we characterized single cell transcriptional profiles of a T21 fetus and performed comprehensive bioinformatic analyses. Our data revealed the diversity and heterogeneity of cellular compositions in T21 retina. In total, we identified seven major cell types, and detected several subtypes within each cell type, followed by the detection of corresponding molecular markers including previously reported ones and a series of novel markers. Our analyses identified extensive communication networks between distinct cellular types, among which a few ligand-receptor interactions were associated with the development of retina and immunoregulatory interactions. Taken together, our data provided the first single cell transcriptome profile for human T21 retina which facilitates our understanding on the dosage effects of chromosome 21 on the development of retina.

Retina, located in the innermost layer of the eye of human, holds the decisive role in visual perception. Dissecting the heterogeneity of retina is essential for understanding the mechanism of vision formation and even the development of central nervous system (CNS). Here, we performed single cell RNA-seq, analyzed 57,832 cells from human infant donors, resulting in 20 distinct clusters representing major cell types in retina: rod photoreceptors, cone photoreceptors, bipolar cells, horizontal cells, amacrine cells, Muller glia cells and microglia. We next constructed extensive networks of intercellular communication and identified ligand-receptor interactions playing crucial roles in regulating neural cell development and immune homeostasis in retina. Though re-clustering, we identified known subtypes in cone PRs and additional unreported subpopulations and corresponding markers in rod PRs as well as bipolar cells. Additionally, we linked inherited retinal disease to certain cell subtypes or subpopulations through enrichment analysis. Intriguingly, we found that status and functions of photoreceptors changed drastically between early and late retina. Overall, our study offers the first retinal cell atlas in human infants, dissecting the heterogeneity of retina and identifying the key molecules in the developmental process, which provides an important resource that will pave the way for retina development mechanism research and regenerative medicine concerning retinal biology.

The aldehyde dehydrogenase 2 (ALDH2) rs671 polymorphism commonly exists in the East Asian populations and is associated with high risks of cardiovascular disease (CVD). However, the cellular and molecular mechanisms that underlie the ALDH2 rs671 mutant-linked high CVD remain elusive. Here, we show that macrophages derived from human ALDH2 rs671 carriers and ALDH2 knockout mice exhibited an enhanced pro-inflammatory macrophage phenotype and an impaired anti-inflammatory macrophage phenotype. Transplanting bone marrow from ALDH2