Necroptosis and pyroptosis are two forms of programmed cell death with a common feature of plasma membrane rupture. Here we studied the morphology and mechanism of pyroptosis in comparison with necroptosis. Different from necroptosis, pyroptosis undergoes membrane blebbing and produces apoptotic body-like cell protrusions (termed pyroptotic bodies) prior to plasma membrane rupture. The rupture in necroptosis is explosion-like, whereas in pyroptosis it leads to flattening of cells. It is known that the execution of necroptosis is mediated by mixed lineage kinase domain-like (MLKL) oligomers in the plasma membrane, whereas gasdermin-D (GSDMD) mediates pyroptosis after its cleavage by caspase-1 or caspase-11. We show that N-terminal fragment of GSDMD (GSDMD-N) generated by caspase cleavage also forms oligomer and migrates to the plasma membrane to kill cells. Both MLKL and GSDMD-N are lipophilic and the N-terminal sequences of both proteins are important for their oligomerization and plasma membrane translocation. Unlike MLKL which forms channels on the plasma membrane that induces influx of selected ions which osmotically swell the cells to burst, GSDMD-N forms non-selective pores and does not rely on increased osmolarity to disrupt cells. Our study reveals the pore-forming activity of GSDMD and channel-forming activity of MLKL determine different ways of plasma membrane rupture in pyroptosis and necroptosis.

Necroptosis is a form of programmed necrosis that is mediated by signaling complexes containing the receptor-interacting protein 3 (RIP3) and RIP1 kinases. We show that RIP3 and its interaction with the herpes simplex virus type 1 (HSV-1) protein ICP6 triggers necroptosis in infected mouse cells and limits viral propagation in mice. ICP6 interacts with RIP1/RIP3 through its RHIM domain and forms dimers/oliogmers by its C-terminal R1 domain. These binding events result in RIP1-RIP3 hetero- and RIP3-RIP3 homo-interactions and subsequent necroptosis of HSV-1-infected mouse cells. However, ICP6 RHIM cannot trigger necroptosis and even inhibits TNF-induced necroptosis in human cells. As the RHIM domain in murine cytomegalovirus protein vIRA can inhibit necroptosis in both human and mouse cells, these data suggest that both viral and host RHIM sequences determine whether the virus-host RHIM interaction is pro- or anti-necroptotic and that some viruses may evolve to escape this restriction.

Abstract We present DeepMAPS (Deep learning-based Multi-omics Analysis Platform for Single-cell data) for biological network inference from single-cell multi-omics (scMulti-omics). DeepMAPS includes both cells and genes in a heterogeneous graph to simultaneously infer cell-cell, cell-gene, and gene-gene relations. The multi-head attention mechanism in a graph transformer considers the heterogeneous relation among cells and genes within both local and global context, making DeepMAPS robust to data noise and scale. We benchmarked DeepMAPS on 18 scMulti-omics datasets for cell clustering and biological network inference, and the results showed that our method outperformed various existing tools. We further applied DeepMAPS on lung tumor leukocyte CITE-seq data and matched diffuse small lymphocytic lymphoma scRNA-seq and scATAC-seq data. In both cases, DeepMAPS showed competitive performance in cell clustering and predicted biologically meaningful cell-cell communication pathways based on the inferred gene networks. Note that we deployed a webserver using DeepMAPS implementation equipped with multiple functions and visualizations to improve the feasibility and reproducibility of scMulti-omics data analysis. Overall, DeepMAPS represents a heterogeneous graph transformer for single-cell study and may benefit the use of scMulti-omics data in various biological systems.

Novel hollow AuAg nanoboxes (AuAg NBs) were designed for an innovative electrochemiluminescence (ECL) sensor to ultrasensitively detect Pb2+ and Hg2+ with the aid of DNAzyme and "thymine–Hg2+–thymine" ("T–Hg2+–T") structure. AuAg NBs are employed as an excellent surface plasma resonance (SPR) source, as well as an effective coreaction accelerator for the CoNi NFs/S2O82– system to greatly improve ECL performance. To detect Pb2+, the DNAzyme catalyzes the cleavage of ribonucleic acid targets into numerous small nucleic acid fragments, leading to an ECL signal. When Hg2+ is added, the thymine–thymine (T–T) mismatches of the Hg2+ aptamer bind Hg2+ to form the "T–Hg2+–T" structure, which not only inhibits the SPR process but also produces a large steric hindrance, thus quenching the ECL signal and allowing quantification of Hg2+. The novel ECL sensor quantifies Pb2+ in the range of 0.1 fM to 0.1 μM with a limit of detection of 0.07 fM and Hg2+ in the range of 10 pM to 1 μM with a LOD of 4.07 pM.

Rare cell populations are key in neoplastic progression and therapeutic response, offering potential intervention targets. However, their computational identification and analysis often lag behind major cell types. To fill this gap, we introduce MarsGT: Multi-omics Analysis for Rare population inference using a Single-cell Graph Transformer. It identifies rare cell populations using a probability-based heterogeneous graph transformer on single-cell multi-omics data. MarsGT outperforms existing tools in identifying rare cells across 550 simulated and four real human datasets. In mouse retina data, it reveals unique subpopulations of rare bipolar cells and a Müller glia cell subpopulation. In human lymph node data, MarsGT detects an intermediate B cell population potentially acting as lymphoma precursors. In human melanoma data, it identifies a rare MAIT-like population impacted by a high IFN-I response and reveals the mechanism of immunotherapy. Hence, MarsGT offers biological insights and suggests potential strategies for early detection and therapeutic intervention of disease.

ABSTRACT Adhesion G protein-coupled receptors (aGPCRs) are cell-surface proteins with large extracellular regions that bind to multiple ligands to regulate key biological functions including neurodevelopment and organogenesis. Modulating a single function of a specific aGPCR isoform while affecting no other function and no other receptor is not trivial. Here, we engineered an antibody, termed LK30, that binds to the extracellular region of the aGPCR ADGRL3, and specifically acts as an agonist for ADGRL3 but not for its isoform, ADGRL1. The LK30/ADGRL3 complex structure revealed that the LK30 binding site on ADGRL3 overlaps with the binding site for an ADGRL3 ligand – teneurin. In cellular-adhesion assays, LK30 specifically broke the trans-cellular interaction of ADGRL3 with teneurin, but not with another ADGRL3 ligand – FLRT3. Our work provides proof of concept for the modulation of isoform- and ligand-specific aGPCR functions using unique tools, and thus establishes a foundation for the development of fine-tuned aGPCR-targeted therapeutics.

Abstract Protein ubiquitination shows remarkable topological and functional diversity through the polymerization of ubiquitin via different linkages. Deciphering the cellular ubiquitin code is of central importance to understand the physiology of the cell. Among the eight possible linkages, K29-linked polyubiquitin is a relatively abundant type of polyubiquitin in both human and yeast cells. However, our understanding of its function is rather limited due to the lack of specific binders as tools to detect K29-linked polyubiquitin. In this study, we screened and characterized a synthetic antigen-binding fragment, termed sAB-K29, that can specifically recognize K29-linked polyubiquitin using chemically synthesized K29-linked diubiquitin. We further determined the crystal structure of this fragment bound to the K29-linked diubiquitin, which revealed the molecular basis of specificity. Using sAB-K29 as a tool, we uncovered that K29-linked ubiquitination is involved in different kinds of cellular proteotoxic stress response as well as cell cycle regulation. In particular, we showed that K29-linked ubiquitination is enriched in the midbody and downregulation of the K29-linked ubiquitination signal arrests cells in G1/S phase.

Abstract Latrophilins/ADGRLs are conserved adhesion-type G protein-coupled receptors associated with early embryonic morphogenesis defects, lethality, and sterility across multiple model organisms. However, their mechanistic roles in embryogenesis and the identity of their binding ligands remain unknown. Here, we identified a cell-surface receptor, TOL-1, the sole Toll-like receptor in C. elegans , as a novel ligand for the C. elegans Latrophilin, LAT-1. The extracellular lectin domain of LAT-1 directly binds to the second leucine-rich repeat domain of TOL-1. The highresolution crystal structure and the cryo-EM density map of the LAT-1–TOL-1 ectodomain complex reveal a previously-unobserved mode of one-to-one interaction enabled by a large interface. CRISPR/Cas9-mediated mutation of key interface residues selectively disrupted the endogenous LAT-1–TOL-1 interaction in C. elegans, leading to partial sterility, lethality, and malformed embryos. Thus, TOL-1 binding to LAT-1 represents a receptor-ligand axis essential for animal morphogenesis.

PdPt nanosheets decorated on SnS2 nanosheets (i.e., PdPt@SnS2 NSs) were fabricated for a novel electrochemiluminescence (ECL) biosensor for ultrasensitive detection of miRNA-21 based on catalytic hairpin assembly (CHA) cycles. The PdPt@SnS2 NSs serve as both the main luminophore and a highly effective coreaction accelerator in the ECL biosensor. In the CHA cycles, more miRNA-21 is captured, and the performance of the ECL biosensor is improved. When miRNA-21 is present, the hairpin chain DNA1 (i.e., H1) is opened, and the ferrocene (Fc)-modified hairpin chain DNA2 (i.e., Fc-H2) hybridizes with as-opened H1 by replacing miRNA-21 to stimulate CHA cycles of miRNA-21. During the CHA cycles, Fc-H2 quenches the ECL signal to monitor miRNA-21. As a result, the ECL biosensor shows ultrasensitive and highly selective detection of miRNA-21 from 1 aM to 1 nM with a detection limit (LOD) of 0.02 aM. In addition, the ECL biosensor exhibits excellent practicality for miRNA-21 detection in human serum samples.

Multitarget assay has always been a hot topic in electrochemiluminescence (ECL) methods. Herein, a "on-off-on" ECL aptasensor was developed for the ultrasensitive and sequential detection of possible biological warfare agents, deoxynivalenol (DON) and abrin (ABR). As a luminophore, polymer dots (Pdots) with aggregation-induced emission exhibit high ECL efficiency in the aptasensor, i.e., the signal "on" state. The DON assays mainly depend on ECL quenching due to the efficient quenching effect between ferrocene-H2-ferrocene (Fc-H2-Fc) and Pdots, i.e., the signal "off" state. When the aptasensor is incubated with the oligonucleotide sequence S2 to replace Fc-H2-Fc, obvious ECL recovery occurs, i.e., the signal "on" state, which can be used to sequentially detect ABR. The limit of detection (LOD) for DON is 0.73 fg·mL