ABSTRACT While N 6 -methyldeoxyadenine (6mA) modification has been linked to fundamental regulatory processes in prokaryotes, its prevalence and functional implications in eukaryotes are controversial. Here, we report 6mA-Sniper to quantify 6mA sites in eukaryotes at single-nucleotide resolution. With 6mA-Sniper, we delineated an accurate 6mA profile in C. elegans with 2,034 sites, significantly enriched on sequences of [GC]G A G motif. Twenty-six of 39 6mA events with MnlI restriction endonuclease sites were experimentally verified, demonstrating the feasibility of this method. Notably, the enrichment of these 6mA sites on a specific sequence motif, their within-population conservation and the combinatorial patterns, and the selective constrains on them jointly support an active model for the shaping of the profile by some undiscovered methyltransferases. In a joint study ( Cell Research , in revision), Ma et al. reported METL-9 as a new methyltransferase in shaping the basal and stress-dependent 6mA profile in C. elegans . Notably, with the 6mA profile identified by 6mA-Sniper at single-nucleotide resolution, we found that the levels of 6mAs are significantly decreased in strains with the removal of METL-9 (METL-9 KO-OP50), while generally increased after P. aeruginosa infection, further verified the efficiency of 6mA-Sniper in accurately pinpointing 6mA sites. Moreover, for the regions marked by 998 6mA sites emerged specifically after the infection, we identified an enrichment of the upregulated genes after the infection. The gene upregulations are likely mediated through a mutual exclusive crosstalk between 6mA and H3K27me3 modification, as supported by their co-occurrence, and the signal of increased H3K27me3 at regions marked by 6mAs depleted in METL-9 KO-OP50 strains. Notably, in different C. elegans strains, the cross-strain genetic variants removing 6mA sites are associated with the decreased expression of their host genes, and the removal of two randomly-selected 6mA events with genome editing directly decreased the expression of their host genes. We thus highlight 6mA regulation as a previously-neglected regulator of transcriptome in eukaryotes.

Quantifying the structural variants (SVs) in nonhuman primates could provide a niche to clarify the genetic backgrounds underlying human-specific traits, but such resource is largely lacking. Here, we report an accurate SV atlas in a population of 562 rhesus macaques, verified by two public SV benchmarks, an inhouse benchmark of eight macaque genomes with long-read sequencing and another inhouse benchmark of one macaque genome with whole-genome assembly. This accurate, quantitative SV map indicates stronger purifying selection on inversions, one type of poorly-clarified SVs to date, especially for those located on regulatory regions, suggesting a strategy for prioritizing inversions with the most important functions. Based on the distribution and the evolutionary features of these inversions in macaque population, we then identified 75 human-specific inversions, clarified their functional effects and prioritized them. Notably, the top-ranked inversions have substantially shaped the human transcriptome, through their dual-effects of reconfiguring the ancestral genomic architecture and introducing regional mutation hotspots at the inverted regions. As a proof-of-concept, we linked APCDD1, located on one of these inversions with the highest rank score and downregulated in human brains, to neuronal maturation. The accumulation of human-specific mutations on its promoter region, accelerated by the formation of the inversion, contributed to the decreased expression in humans. Notably, the overexpression of APCDD1 could accelerate the neuronal maturation, while its depletion in mice delays the neuronal maturation. This study thus highlights the contribution of SVs, especially the inversions, to the distinct features in human brain development.

The impairment of mitochondrial bioenergetics, often coupled with exaggerated reactive oxygen species (ROS) production, is emerging as a common mechanism in diseases of organs with a high demand for energy, such as the heart. Building a more robust cellular powerhouse holds promise for protecting these organs in stressful conditions. Here, we demonstrate that NDUFAB1 (NADH:ubiquinone oxidoreductase subunit AB1), acts as a powerful cardio-protector by enhancing mitochondrial energy biogenesis. In particular, NDUFAB1 coordinates the assembly of respiratory complexes I, II, and III and supercomplexes, conferring greater capacity and efficiency of mitochondrial energy metabolism. Cardiac-specific deletion of Ndufab1 in mice caused progressive dilated cardiomyopathy associated with defective bioenergetics and elevated ROS levels, leading to heart failure and sudden death. In contrast, transgenic overexpression of Ndufab1 effectively enhanced mitochondrial bioenergetics and protected the heart against ischemia-reperfusion injury. Our findings identify NDUFAB1 as a central endogenous regulator of mitochondrial energy and ROS metabolism and thus provide a potential therapeutic target for the treatment of heart failure and other mitochondrial bioenergetics-centered diseases.

Abstract Myocardial Brg1 is essential for heart regeneration in zebrafish, but it remains unknown whether and how endothelial Brg1 plays a role in heart regeneration. Here, we found that both brg1 mRNA and protein were induced in cardiac endothelial cells after ventricular resection, and endothelium-specific over-expression of dominant-negative Xenopus Brg1 (DN-xBrg1) inhibited myocardial proliferation and heart regeneration and increased cardiac fibrosis. RNA-seq and ChIP-seq analysis revealed that the endothelium-specific over-expression of DN-xBrg1 changed the levels of H3K4me3 modifications in the promoter regions of the zebrafish genome and induced abnormal activation of Notch family genes upon injury. Mechanistically, Brg1 interacted with lysine demethylase 7aa (Kdm7aa) to fine-tune the level of H3K4me3 within the promoter regions of Notch family genes and thus regulated Notch gene transcription. Together, this work demonstrates that the Brg1-Kdm7aa-Notch axis in cardiac endothelial cells, including the endocardium, regulates myocardial proliferation and regeneration via modulating the H3K4me3 of the Notch promoters in zebrafish.