Abstract Brain organoid research is advancing, but generation of organoids with proper axis formation, which could lead to spatially ordered structures for complex brain structure and function, still remains a challenge. Axis formation and related spatial cell organization in the CNS are initiated by the symmetry breaking during the early embryo development. It has been demonstrated that the geometrically confined culture of human pluripotent stem cells (hPSCs) can be used to induce symmetry breaking and regionalized cell differentiation. In this study, we generated a polarized spinal cord organoid with a self-organized dorsoventral (DV) organization, using 2D cell patterning by geometric confinement. Initially, the application of caudalization signals to hPSCs promoted the regionalized cell differentiation along the radial axis and sprouting-like protrusion morphogenesis in cell colonies confined to ECM protein micropatterns. Detachment of colonies turned them into extended spinal cord-like organoids which maintained center- and edge-derived two poles. Further analyses including single cell RNA sequencing and spatial transcriptome analysis unveiled that these organoids contained rich repertoire of developing spinal cord cells and exhibited the spatially ordered DV domain formation along the long axis without external organizing signals. Modulation of BMP and Shh signaling can control the extent of DV coverage in organoids following the principles of embryo patterning. Our study provides a simple, and precisely controllable method to generate spatially-ordered organoids for understanding of biological principles of cell patterning and axis formation during neural development.

Summary Malignant melanoma (MM) develops from the melanocytes and in its advanced stage is the most aggressive type of skin cancer. Here we report a comprehensive analysis on a prospective cohort study, including non-tumor, primary and metastasis tissues (n=77) with the corresponding plasma samples (n=56) from patients with malignant melanoma. The tumors and surrounding tissues were characterized with a combination of high-throughput analyses including quantitative proteomics, phosphoproteomics, acetylomics, and whole exome sequencing (WES) combined with in-depth histopathology analysis. Melanoma cell proliferation highly correlates with dysregulation at the proteome, at the posttranslational- and at the transcriptome level. Some of the changes were also verified in the plasma proteome. The metabolic reprogramming in melanoma includes upregulation of the glycolysis and the oxidative phosphorylation, and an increase in glutamine consumption, while downregulated proteins involved in the degradation of amino acids, fatty acids, and the extracellular matrix (ECM) receptor interaction. The pathways most dysregulated in MM including the MAP kinases-, the PI3K-AKT signaling, and the calcium homeostasis, are among the most affected by mutations, thus, dysregulation in these pathways can be manifested as drivers in melanoma development and progression. The phosphoproteome analysis combined with target-based prediction mapped 75% of the human kinome. Melanoma cell proliferation was driven by two key factors: i) metabolic reprogramming leading to upregulation of the glycolysis and oxidative phosphorylation, supported by HIF-1 signaling pathway and mitochondrial translation; and ii) a dysregulation of the immune system response, which was mirrored by immune system processes in the plasma proteome. Regulation of the melanoma acetylome and expression of deacetylase enzymes discriminated between groups based on tissue origin and proliferation, indicating a way to guide the successful use of HDAC inhibitors in melanoma. The disease progression toward metastasis is driven by the downregulation of the immune system response, including MHC class I and II, which allows tumors to evade immune surveillance. Altogether, new evidence is provided at different molecular levels to allow improved understanding of the melanoma progression, ultimately contributing to better treatment strategies. TOC figure

Summary The dynamics of more than 1900 mitochondrial proteins was explored through quantitative proteomics in 151 melanoma-related tissue samples of both surgical and autopsy origin. Dysregulation of mitochondrial pathways in primary tumors, metastases, and peritumoral tissues was correlated with age and survival of patients, as well as with tumor cell proliferation and the BRAF mutation status of the tumors. The outlined proteomic landscape confirmed the central role of a pathologically upregulated mitochondrial translation machinery and oxidative phosphorylation (OXPHOS) in the development, proliferation, and progression of melanomas. Our results from different melanoma cell lines confirmed our findings and we could document that treatments with selected OXPHOS inhibitors and antibiotics successfully impaired tumor cell proliferation. In addition, we provided proteomic evidence on the mechanism-of-action of the different treatments. These observations could contribute to the development of therapeutic approaches targeting the mitochondrial pathology in melanoma. TOC figure Highlights Mitochondrial proteome landscape outlined in 151 melanoma-related samples Mitochondrial Translation and OXPHOS impact disease severity and survival BRAF V600E mutation correlates with upregulation of mitochondrial energy production Targeting the mitochondrial OXPHOS and ribosomes impairs tumor cell proliferation Therapeutic opportunities complementary to the standard of care are proposed In brief Mitochondrial proteome profiling of melanomas reveals dysregulation in major metabolic pathways, suggesting a central role of the mitochondria within the development and progression of melanoma. Targeting mitochondrial pathways has the potential to impact the course of the disease, which provides opportunities for complementary drug interventions.

Accurate detection of genomic fusions by high-throughput sequencing in clinical samples with inadequate tumor purity and formalin-fixed paraffin embedded (FFPE) tissue is an essential task in precise oncology. We developed the fusion detection algorithm Junction Location Identifier (JuLI) for optimization of high-depth clinical sequencing. We implemented novel filtering steps to minimize false positives and a joint calling function to increase sensitivity in clinical setting. We comprehensively validated the algorithm using high-depth sequencing data from cancer cell lines and clinical samples and whole genome sequencing data from NA12878. We showed that JuLI outperformed state-of-the-art fusion callers in cases with high-depth clinical sequencing and rescued a driver fusion from false negative in plasma cell-free DNA. JuLI is freely available via GitHub (https://github.com/sgilab/JuLI).

Activated hepatic stellate cells (HSCs) play a key role in liver fibrosis and inactivating HSCs has been considered a promising therapeutic approach. We previously showed that albumin and its derivative, retinol binding protein (RBP)-albumin domain III fusion protein (named R-III), inhibit HSC activation. Here, we investigate the mode of action of albumin and R-III. NF-κB in activated HSCs was evenly distributed in the cytoplasm, but albumin expression and R-III treatment (albumin/R-III) induced NF-κB nuclear translocation via retinoic acid (RA) sequestration, resulting in increased expression of interleukin-1β (IL-1β). In an IL-1β dependent manner, albumin/R-III inhibited Smad3 nuclear translocation via TAK1-, JNK-mediated Smad3 linker phosphorylation and decreased expression of Smad3 target genes, such as α-smooth muscle actin and collagen type I. Mutation of the Smad3 linker phosphorylation sites abolished R-III effects on Smad3. In conclusion, our data suggest that the anti-fibrotic effects of albumin/R-III are due to RA sequestration which downregulates RAR-mediated signaling and also TGF-β/Smad3 signaling. This mechanistic elucidation of albumin function in HSCs provides clues to understanding the frequent albumin mutations found in hepatocellular carcinoma.

Abstract Reinforcement allows organisms to learn which stimuli predict subsequent biological relevance. Hebbian mechanisms of synaptic plasticity are insufficient to account for reinforced learning because neuromodulators signaling biological relevance are delayed with respect to the neural activity associated with the stimulus. A theoretical solution is the concept of eligibility traces (eTraces), silent synaptic processes elicited by activity which upon arrival of a neuromodulator are converted into a lasting change in synaptic strength. Previously we demonstrated in visual cortical slices the Hebbian induction of eTraces and their conversion into LTP and LTD by the retroactive action of norepinephrine and serotonin Here we show in vivo in V1 that the induction of eTraces and their conversion to LTP/D by norepinephrine and serotonin respectively potentiates and depresses visual responses. We also show that the integrity of this process is crucial for ocular dominance plasticity, a canonical model of experience-dependent plasticity.