Over the past years, a large number of histone posttranslational modifications have been described, some of which function to attain a repressed chromatin structure, while others facilitate activation by allowing access of regulators to DNA. Histone H2B monoubiquitination is a mark associated with transcriptional activity. Using a highly reconstituted chromatin-transcription system incorporating the inducible RARβ2 promoter, we find that the establishment of H2B monoubiquitination by RNF20/40 and UbcH6 is dependent on the transcription elongation regulator complex PAF, the histone chaperone FACT, and transcription. H2B monoubiquitination facilitates FACT function, thereby stimulating transcript elongation and the generation of longer transcripts. These in vitro analyses and corroborating in vivo experiments demonstrate that elongation by RNA polymerase II through the nucleosomal barrier is minimally dependent upon (1) FACT and (2) the recruitment of PAF and the H2B monoubiquitination machinery.

In yeast, histone H2B monoubiquitination is a cotranscriptional event regulating histone H3 methylation at lysines 4 and 79. However, mammalian H2B monoubiquitination remains poorly understood. We report that in humans, the 600 kDa RNF20/40 complex is the E3 ligase and UbcH6 is the ubiquitin E2-conjugating enzyme for H2B-Lys120 monoubiquitination. RNF20 and RNF40 are both homologs of Bre1, the E3 ligase in the yeast case. UbcH6 physically interacts with RNF20/40 and with the hPAF complex. Formation of a trimeric complex with hPAF stimulates H2B monoubiquitination activity in vitro. Accordingly, UbcH6, RNF20/40, and the hPAF complex are recruited to transcriptionally active genes in vivo. RNF20 overexpression leads to elevated H2B monoubiquitination, subsequently higher levels of methylation at H3 lysines 4 and 79, and stimulation of HOX gene expression. In contrast, RNAi against the RNF20/40 complex or hPAF complex reduces H2B monoubiquitination, lowers methylation levels at H3 lysines 4 and 79, and represses HOX gene expression.

Abstract Recent preclinical and clinical data suggests enhanced metastatic fitness of hybrid epithelial/ mesenchymal (E/M) phenotypes, but mechanistic details regarding their survival strategies during metastasis remain unclear. Here, we investigate immune-evasive strategies of hybrid E/M states. We construct and simulate the dynamics of a minimalistic regulatory network encompassing the known associations among regulators of EMT (epithelial-mesenchymal transition) and PD-L1, an established immune-suppressor. Our model simulations, integrated with single-cell and bulk RNA-seq data analysis, elucidate that hybrid E/M cells can have high levels of PD-L1, similar to those seen in cells with a full EMT phenotype, thus obviating the need for cancer cells to undergo a full EMT to be immune-evasive. Specifically, in breast cancer, we show the co-existence of hybrid E/M phenotypes, enhanced resistance to anti-estrogen therapy and increased PD-L1 levels. Our results underscore how the emergent dynamics of interconnected regulatory networks can coordinate different axes of cellular fitness during metastasis.

Abstract Resistance to anti-estrogen therapy is an unsolved clinical challenge in successfully treating ER+ breast cancer patients. Acquisition of mutations can confer heritable resistance to cancer cells, enabling their clonal selection to establish a drug-resistant population. Recent studies have demonstrated that cells can tolerate drug treatment without any genetic alterations too; however, the mechanisms and dynamics of such non-genetic adaptation remain elusive. Here, we investigate coupled dynamics of epithelial-mesenchymal transition (EMT) in breast cancer cells and emergence of reversible drug resistance. Our mechanism-based model for the underlying regulatory network reveals that these two axes can drive one another, thus conferring bidirectional plasticity. This network can also enable non-genetic heterogeneity in a population of cells by allowing for six co-existing phenotypes: epithelial-sensitive, mesenchymal-resistant, hybrid E/M-sensitive, hybrid E/M-resistant, mesenchymal-sensitive and epithelial-resistant, with the first two ones being most dominant. Next, in a population dynamics framework, we exemplify the implications of phenotypic plasticity (both drug-induced and intrinsic stochastic switching) and/or non-genetic heterogeneity in promoting population survival in a mixture of sensitive and resistant cells, even in the absence of any cell-cell cooperation. Finally, we propose the potential therapeutic use of MET (mesenchymal-epithelial transition) inducers besides canonical anti-estrogen therapy to limit the emergence of reversible drug resistance. Our results offer mechanistic insights into empirical observations on EMT and drug resistance and illustrate how such dynamical insights can be exploited for better therapeutic designs.

Abstract In recent years, allele-specific single-cell RNA-seq (scRNA-seq) analysis has demonstrated wide-spread dynamic random monoallelic expression of autosomal genes (aRME) in different cell types. However, the prevalence of dynamic aRME during pre-gastrulation development remains unknown. Here, we show that dynamic aRME is wide-spread in different lineages of pre-gastrulation embryos. Additionally, the origin of dynamic aRME remains poorly understood. Theoretically, it is believed that independent transcriptional bursting from each allele leads to the dynamic aRME. However, based on analysis of allele-specific burst kinetics of autosomal genes, we found that allelic burst is not perfectly independent, rather it happens in semi-coordinated fashion. Importantly, we show that semi-coordinated allelic bursting of the genes; particularly with low burst frequency, leads to frequent asynchronous allelic bursting, thereby shaping the landscape of dynamic aRME in pre-gastrulation embryos. Altogether, our study provides significant insight into the prevalence and origin of dynamic aRME and cell to cell expression heterogeneity during early mammalian development.

Abstract Epithelial-mesenchymal plasticity (EMP) underlies embryonic development, wound healing, and cancer metastasis and fibrosis. Cancer cells exhibiting EMP often have more aggressive behavior, characterized by drug resistance, and tumor-initiating and immuno-evasive traits. Thus, the EMP status of cancer cells can be a critical indicator of patient prognosis. Here, we compare three distinct transcriptomic-based metrics – each derived using a different gene list and algorithm – that quantify the EMP spectrum. Our results for 96 cancer-related RNA-seq datasets reveal a high degree of concordance among these metrics in quantifying the extent of EMP. Moreover, each metric, despite being trained on cancer expression profiles, recapitulates the expected changes in EMP scores for non-cancer contexts such as lung fibrosis and cellular reprogramming into induced pluripotent stem cells. Thus, we offer a scoring platform to quantify the extent of EMP in vitro and in vivo for diverse biological applications including cancer.

Abstract Introduction Cellular heterogeneity along the Epithelial-Mesenchymal Plasticity (EMP) spectrum is a paramount feature observed in tumors and circulating tumor cells (CTCs). High-throughput techniques now offer unprecedented details on this variability at a single-cell resolution. Yet, there is no current consensus about how EMP in tumors propagates to that in CTCs. To investigate the relationship between EMP associated heterogeneity of tumors and that of CTCs, we integrated transcriptomic analysis and biophysical modeling. Methods We apply three EMT (Epithelial-Mesenchymal Transition) scoring metrics to multiple tumor samples and CTC datasets from several cancer types. Moreover, we develop a biophysical model that couples EMT associated phenotypic switching in a primary tumor with cell migration. Finally, we integrate EMT transcriptomic analysis and in silico modeling to evaluate the predictive power of several measurements of tumor aggressiveness, including tumor EMT score, CTC EMT score, fraction of CTC clusters found in circulation, and CTC cluster size distribution. Results Analysis of high-throughput datasets reveals a pronounced heterogeneity without a well-defined relation between EMT traits in tumors and CTCs. Moreover, mathematical modeling predicts different phases where CTCs can be less, equally, or more mesenchymal than primary tumor depending on the dynamics of phenotypic transition and cell migration. Consistently, various datasets of CTC cluster size distribution from different cancer types are fitted onto different regimes of the model. By further constraining the model with experimental measurements of tumor EMT score, CTC EMT score, and fraction of CTC cluster in bloodstream, we show that none of these assays alone can provide sufficient information to predict the other variables. Conclusions By integrating analysis of single cell gene expression and in silico modeling, we propose that the relationship between EMT progression in tumors and CTCs can be variable, and in general, predicting one from the other may not be as straightforward as tacitly assumed.

Recently, a unique form of X-chromosome dosage compensation has been demonstrated in human preimplantation embryos, which happens through the dampening of X-linked gene expression from both X-chromosomes. Subsequently, X-chromosome dampening has also been demonstrated in female human pluripotent stem cells (hPSCs) during the transition from primed to naïve state. However, the existence of dampened X-chromosomes remains controversial in both embryos and hPSCs. Specifically, in preimplantation embryos it has been shown that there is inactivation of X-chromosome instead of dampening. Here, we have performed allelic analysis of X-linked genes at the single cell level in hPSCs and found that there is partial reactivation of the inactive X-chromosome instead of chromosome-wide dampening upon conversion from primed to naïve state. In addition, our analysis suggests that the reduced X-linked gene expression in naïve hPSCs might be the consequence of erasure of active X-chromosome upregulation.

Abstract Immune evasion and metabolic reprogramming are hallmarks of cancer progression often associated with a poor prognosis and frequently present significant challenge for cancer therapies. Recent studies have emphasized on the dynamic interaction between immunosuppression and the dysregulation of energy metabolism in modulating the tumor microenvironment to promote cancer aggressiveness. However, a pan-cancer association among these two hallmarks, and a potent common driver for them – Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) – remains to be done. Here, our meta-analysis across 184 publicly available transcriptomic datasets as well as The Cancer Genome Atlas (TCGA) data reveals that an enhanced PD-L1 activity signature along with other immune checkpoint markers correlate positively with a partial EMT and elevated glycolysis signature but a reduced OXPHOS signature in many carcinomas. These trends were also recapitulated in single-cell RNA-seq time-course EMT induction data across cell lines. Furthermore, across multiple cancer types, concurrent enrichment of glycolysis and PD-L1 results in worse outcomes in terms of overall survival as compared to enrichment for only PD-L1 activity or expression. Our results highlight potential functional synergy among these interconnected axes of cellular plasticity in enabling metastasis and/or multi-drug resistance in cancer.