The methyltransferase like 3 (METTL3)-containing methyltransferase complex catalyzes the N6-methyladenosine (m6A) formation, a novel epitranscriptomic marker; however, the nature of this complex remains largely unknown. Here we report two new components of the human m6A methyltransferase complex, Wilms' tumor 1-associating protein (WTAP) and methyltransferase like 14 (METTL14). WTAP interacts with METTL3 and METTL14, and is required for their localization into nuclear speckles enriched with pre-mRNA processing factors and for catalytic activity of the m6A methyltransferase in vivo. The majority of RNAs bound by WTAP and METTL3 in vivo represent mRNAs containing the consensus m6A motif. In the absence of WTAP, the RNA-binding capability of METTL3 is strongly reduced, suggesting that WTAP may function to regulate recruitment of the m6A methyltransferase complex to mRNA targets. Furthermore, transcriptomic analyses in combination with photoactivatable-ribonucleoside-enhanced crosslinking and immunoprecipitation (PAR-CLIP) illustrate that WTAP and METTL3 regulate expression and alternative splicing of genes involved in transcription and RNA processing. Morpholino-mediated knockdown targeting WTAP and/or METTL3 in zebrafish embryos caused tissue differentiation defects and increased apoptosis. These findings provide strong evidence that WTAP may function as a regulatory subunit in the m6A methyltransferase complex and play a critical role in epitranscriptomic regulation of RNA metabolism.

Relative quiescence is a defining characteristic of hematopoietic stem cells, while their progeny have dramatic proliferative ability and inexorably move toward terminal differentiation. The quiescence of stem cells has been conjectured to be of critical biologic importance in protecting the stem cell compartment, which we directly assessed using mice engineered to be deficient in the G 1 checkpoint regulator, cyclin-dependent kinase inhibitor, p21 cip1/waf1 (p21). In the absence of p21, hematopoietic stem cell proliferation and absolute number were increased under normal homeostatic conditions. Exposing the animals to cell cycle–specific myelotoxic injury resulted in premature death due to hematopoietic cell depletion. Further, self-renewal of primitive cells was impaired in serially transplanted bone marrow from p21 −/− mice, leading to hematopoietic failure. Therefore, p21 is the molecular switch governing the entry of stem cells into the cell cycle, and in its absence, increased cell cycling leads to stem cell exhaustion. Under conditions of stress, restricted cell cycling is crucial to prevent premature stem cell depletion and hematopoietic death.

Stem cells reside in a specialized niche that regulates their abundance and fate. Components of the niche have generally been defined in terms of cells and signaling pathways. We define a role for a matrix glycoprotein, osteopontin (OPN), as a constraining factor on hematopoietic stem cells within the bone marrow microenvironment. Osteoblasts that participate in the niche produce varying amounts of OPN in response to stimulation. Using studies that combine OPN-deficient mice and exogenous OPN, we demonstrate that OPN modifies primitive hematopoietic cell number and function in a stem cell–nonautonomous manner. The OPN-null microenvironment was sufficient to increase the number of stem cells associated with increased stromal Jagged1 and Angiopoietin-1 expression and reduced primitive hematopoietic cell apoptosis. The activation of the stem cell microenvironment with parathyroid hormone induced a superphysiologic increase in stem cells in the absence of OPN. Therefore, OPN is a negative regulatory element of the stem cell niche that limits the size of the stem cell pool and may provide a mechanism for restricting excess stem cell expansion under conditions of niche stimulation.

A dysfunctional immune response in coronavirus disease 2019 (COVID-19) patients is a recurrent theme impacting symptoms and mortality, yet a detailed understanding of pertinent immune cells is not complete. We applied single-cell RNA sequencing to 284 samples from 196 COVID-19 patients and controls and created a comprehensive immune landscape with 1.46 million cells. The large dataset enabled us to identify that different peripheral immune subtype changes are associated with distinct clinical features, including age, sex, severity, and disease stages of COVID-19. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) RNA was found in diverse epithelial and immune cell types, accompanied by dramatic transcriptomic changes within virus-positive cells. Systemic upregulation of S100A8/A9, mainly by megakaryocytes and monocytes in the peripheral blood, may contribute to the cytokine storms frequently observed in severe patients. Our data provide a rich resource for understanding the pathogenesis of and developing effective therapeutic strategies for COVID-19.

The transcription factor CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPalpha) regulates a number of myeloid cell-specific genes. To delineate the role of C/EBPalpha in human granulopoiesis, we studied its expression and function in human primary cells and bipotential (granulocytic/monocytic) myeloid cell lines. We show that the expression of C/EBPalpha initiates with the commitment of multipotential precursors to the myeloid lineage, is specifically upregulated during granulocytic differentiation, and is rapidly downregulated during the alternative monocytic pathway. Conditional expression of C/EBPalpha alone in stably transfected bipotential cells triggers neutrophilic differentiation, concomitant with upregulation of the granulocyte-specific granulocyte colony-stimulating factor receptor and secondary granule protein genes. Moreover, induced expression of C/EBPalpha in bipotential precursors blocks their monocytic differentiation program. These results indicate that C/EBPalpha serves as a myeloid differentiation switch acting on bipotential precursors and directing them to mature to granulocytes.

The full neutrophil heterogeneity and differentiation landscape remains incompletely characterized. Here, we profiled >25,000 differentiating and mature mouse neutrophils using single-cell RNA sequencing to provide a comprehensive transcriptional landscape of neutrophil maturation, function and fate decision in their steady state and during bacterial infection. Eight neutrophil populations were defined by distinct molecular signatures. The three mature peripheral blood neutrophil subsets arise from distinct maturing bone marrow neutrophil subsets. Driven by both known and uncharacterized transcription factors, neutrophils gradually acquire microbicidal capability as they traverse the transcriptional landscape, representing an evolved mechanism for fine-tuned regulation of an effective but balanced neutrophil response. Bacterial infection reprograms the genetic architecture of neutrophil populations, alters dynamic transitions between subpopulations and primes neutrophils for augmented functionality without affecting overall heterogeneity. In summary, these data establish a reference model and general framework for studying neutrophil-related disease mechanisms, biomarkers and therapeutic targets at single-cell resolution.

Abstract A DNA barcode is a DNA fragment used to identify species. For land plants, DNA fragments of plastid genome could be the primary consideration. Unfortunately, most of the plastid candidate barcodes lack species-level resolution. The identification of DNA barcodes of high resolution at species level is critical to the success of DNA barcoding in plants. We searched the available plastid genomes for the most variable regions and tested the best candidates using both a large number of tree species and seven well-sampled plant groups. Two regions of the plastid gene ycf1 , ycf1 a and ycf1 b, were the most variable loci that were better than existing plastid candidate barcodes and can serve as a barcode of land plants. Primers were designed for the amplification of these regions and the PCR success of these primers ranged from 82.80% to 98.17%. Of 420 tree species, 357 species could be distinguished using ycf1 b, which was slightly better than the combination of matK and rbcL . For the well-sampled representative plant groups, ycf1 b generally performed better than any of the matK , rbcL and trnH-psbA . We concluded that ycf1 a or ycf1 b is the most variable plastid genome region and can serve as a core barcode of land plants.

Hematopoietic stem cells sequentially pass through a series of decision points affecting self-renewal or lineage-specific differentiation. Notch1 receptor is a known modulator of lineage-specific events in hematopoiesis that we assessed in the context of in vivo stem cell kinetics. Using RAG-1−/−mouse stems cells, we documented increased stem cell numbers due to decreased differentiation and enhanced stem cell self-renewal induced by Notch1. Unexpectedly, preferential lymphoid over myeloid lineage commitment was noted when differentiation occurred. Therefore, Notch1 affects 2 decision points in stem cell regulation, favoring self-renewal over differentiation and lymphoid over myeloid lineage outcome. Notch1 offers an attractive target for stem cell manipulation strategies, particularly in the context of immunodeficiency and acquired immunodeficiency syndrome.

Precise genome editing via homology-directed repair (HDR) after double-stranded DNA (dsDNA) cleavage facilitates functional genomic research and holds promise for gene therapy. However, HDR efficiency remains low in some cell types, including some of great research and clinical interest, such as human induced pluripotent stem cells (iPSCs). Here, we show that a double cut HDR donor, which is flanked by single guide RNA (sgRNA)-PAM sequences and is released after CRISPR/Cas9 cleavage, increases HDR efficiency by twofold to fivefold relative to circular plasmid donors at one genomic locus in 293 T cells and two distinct genomic loci in iPSCs. We find that a 600 bp homology in both arms leads to high-level genome knockin, with 97–100% of the donor insertion events being mediated by HDR. The combined use of CCND1, a cyclin that functions in G1/S transition, and nocodazole, a G2/M phase synchronizer, doubles HDR efficiency to up to 30% in iPSCs. Taken together, these findings provide guidance for the design of HDR donor vectors and the selection of HDR-enhancing factors for applications in genome research and precision medicine.