Abstract In 2012 Liu et al . reported that miR-34 is an age-related miRNA regulating age-associated events and long-term brain integrity in Drosophila . They demonstrated that modulating miR-34 and its downstream target Eip74EF showed beneficial effects on age-related diseases using a Drosophila model of SCA3trQ78. These results imply that miR-34 could be a general genetic modifier and therapeutic candidate for age-related diseases. Therefore, we examined the effect of miR-34 and Eip74EF on another age-related Drosophila disease model. Using a Drosophila model expressing mutant Drosophila VCP that causes amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), or multisystem proteinopathy (MSP), we demonstrated that abnormal eye phenotypes generated by Drosophila VCP R152H were rescued when expressed with Eip74EF siRNA. Contrary to our expectation, miR-34 overexpression resulted in lethality when expressed with mutant VCP. Our data indicate that the other downstream targets of miR-34 might more significantly interact with mutant VCP, causing lethality. Identifying transcriptional targets of Eip74EF might provide valuable insights into diseases caused by mutations in VCP such as ALS, FTD, and MSP.

Abstract Individual naive CD8 T cells activated in lymphoid organs differentiate into functionally diverse and anatomically distributed T cell phylogenies in response to intracellular microbes. During infections that resolve rapidly, including live viral vaccines 1 , distinct effector (T EFF ) and memory (T MEM ) cell populations develop that ensure long term immunity 2 . During chronic infections, responding cells progressively become dysfunctional and “exhaust” 3 . A diverse taxonomy of T EFF , T MEM and exhausted (T EX ) CD8 T cell populations is known, but the initial developmental basis of this phenotypic variation remains unclear 4–10 . Here, we defined single-cell trajectories and identified chromatin regulators that establish antiviral CD8 T cell heterogeneity using unsupervised analyses of single-cell RNA dynamics 11–13 and an in vivo RNAi screen 14 . Activated naive cells differentiate linearly into uncommitted effector-memory progenitor (EMP) cells, which initially branch into an analogous manifold during either acute or chronic infection. Disparate RNA velocities in single EMP cells initiate divergence into stem, circulating, and tissue-resident memory lineages that generate diverse T MEM and T EX precursor states in specific developmental orders. Interleukin-2 receptor (IL-2R) signals are essential for formation and transcriptional heterogeneity of EMP cells, and promote trajectories toward T EFF rather than T EX states. Nucleosome remodelers Smarca4 and Chd7 differentially promote transcription that delineates divergent T MEM lineages before cooperatively driving terminal T EFF cell differentiation. Thus, the lineage architecture is established by specific chromatin regulators that stabilize diverging transcription in uncommitted progenitors.

CD8 + T cells with stem cell-like properties (T SCM ) sustain adaptive immunity to intracellular pathogens and tumors. However, the developmental origins and chromatin regulatory factors (CRFs) that establish their differentiation are unclear. Using an RNA interference screen of all CRFs we discovered the histone methylase Mll1 was required during T cell receptor (TCR) stimulation for development of a T SCM precursor state and mature memory (T MEM ) cells, but not short-lived or transitory effector cell-like states, in response to viral infections and tumors. Mll1 was essential for widespread de novo deposition of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) upon TCR stimulation, which accounted for 70% of all activation-induced sites in mature T MEM cells. Mll1 promoted both H3K4me3 deposition and reduced TCR-induced Pol II pausing at genes whose single-cell transcriptional dynamics explained trajectories into nascent T SCM precursor states during viral infection. Our results suggest Mll1-dependent control of Pol II elongation and H3K4me3 establishes and maintains differentiation of CD8 + T SCM cell states.

Abstract Polygenic risk scores (PRS) trained from genome-wide association study (GWAS) results are set to play a pivotal role in biomedical research addressing multifactorial human diseases. The prospect of using these risk scores in clinical care and public health is generating both enthusiasm and controversy, with varying opinions about strengths and limitations across experts 1 . The performances of existing polygenic scores are still limited, and although it is expected to improve with increasing sample size of GWAS and the development of new powerful methods, it remains unclear how much prediction can be ultimately achieved. Here, we conducted a retrospective analysis to assess the progress in PRS prediction accuracy since the publication of the first large-scale GWASs using six common human diseases with sufficient GWAS data. We show that while PRS accuracy has grown rapidly for years, the improvement pace from recent GWAS has decreased substantially, suggesting that further increasing GWAS sample size may translate into very modest risk discrimination improvement. We next investigated the factors influencing the maximum achievable prediction using recently released whole genome-sequencing data from 125K UK Biobank participants, and state-of-the-art modeling of polygenic outcomes. Our analyses point toward increasing the variant coverage of PRS, using either more imputed variants or sequencing data, as a key component for future improvement in prediction accuracy.

Abstract Cells use signaling pathways to sense and respond to their environments. The transforming growth factor-β (TGF-β) pathway produces context-specific responses. Here, we combined modeling and experimental analysis to study the dependence of the output of the TGF-β pathway on the abundance of signaling molecules in the pathway. We showed that the TGF-β pathway processes the variation of TGF-β receptor abundance using Liebig’s law of the minimum, meaning that the output-modifying factor is the signaling protein that is most limited, to determine signaling responses across cell types and in single cells. We found that the abundance of either the type I (TGFBR1) or type II (TGFBR2) TGF-β receptor determined the responses of cancer cell lines, such that the receptor with relatively low abundance dictates the response. Furthermore, nuclear SMAD2 signaling correlated with the abundance of TGF-β receptor in single cells depending on the relative expression levels of TGFBR1 and TGFBR2. A similar control principle could govern the heterogeneity of signaling responses in other signaling pathways.

ABSTRACT Introduction Calpain 3 is one of the calpain protease family members, which is a calcium-dependent proteolytic enzyme predominantly expressed in skeletal muscle. Loss-of-function mutations in the Calpain 3 gene have been related to autosomal recessive Limb-Girdle Muscular Dystrophy 1 (LGMDR1), a common form of muscular dystrophy. Recently, the heterozygous 21-bp deletion mutation of the Calpain 3 gene has been reported to cause autosomal dominant Limb-Girdle Muscular Dystrophy 4 (LGMDD4). According to its dominant inheritance pattern, it has been suggested that the deletion mutant proteins act in a dominant-negative manner. Therefore, we examined whether the mutant protein can suppress the activity of wild-type Calpain 3 and has any dominant toxicity in cell culture and in vivo Drosophila models. Methods A human cell culture (HeLa cells) model with the transient transfection of human wild-type and mutant Calpain 3 and in vivo Drosophila models overexpressing wild-type and mutant Drosophila Calpain A and B were utilized in this study to assess dominant effects of Calpain 3 21-bp deletion mutant. Western blot analysis was used to determine protein stability and catalytic activity in cell culture. External eye morphology and muscle integrity were examined to observe dominant toxicity in Drosophila models. Results The 21-bp deletion mutation of Calpain 3 resulted in catalytic inactivation, which did not inhibit wild-type Calpain 3 autolytic and catalytic activity against Calpastatin in HeLa cells. In addition, the mutant protein was normally processed by wild-type Calpain 3. Overexpression of wild-type and deletion mutant Calpain 3 in the Drosophila eye and muscles did not exhibit significant developmental and age-related dominant toxicity. Discussion We provide evidence that mutant Calpain 3 does not suppress wild-type Calpain 3 activity. Rather, it is a mutant lacking autocatalytic processing activity like many other loss-of-function Calpain 3 mutants causing LGMDR1. Our results implicate that the stability of the heteromeric mutant and wild-type Calpain 3 complexes may be affected without inhibiting the wild-type activity per se. However, a more thorough investigation is necessary to understand the molecular mechanism and dominant inheritance of the heterozygous 21-bp deletion mutation in LGMDD4.

Zika virus (ZIKV) can infect and cause microcephaly and Zika-associated neurological complications in the developing fetal and adult brains. In terms of pathogenesis, a critical question is how ZIKV overcomes the barriers separating the brain from the circulation and gains access to the central nervous system (CNS). Despite the importance of ZIKV pathogenesis, the route ZIKV utilizes to cross CNS barriers remains unclear. Here we show that in mouse models, ZIKV-infected cells initially appeared in the periventricular regions of the brain, including the choroid plexus and the meninges, prior to infection of the cortex. The appearance of ZIKV in cerebrospinal fluid (CSF) preceded infection of the brain parenchyma. We show that ZIKV infects pericytes in the choroid plexus, and that ZIKV infection of pericytes is dependent on AXL receptor tyrosine kinase. Using an in vitro Transwell system, we highlight the possibility of ZIKV to move from the blood side to CSF side, across the choroid plexus epithelial layers, via a nondestructive pathway (e.g., transcytosis). Finally, we demonstrate that brain infection is significantly attenuated by neutralization of the virus in the CSF, indicating that ZIKV in the CSF at the early stage of infection might be responsible for establishing a lethal infection of the brain. Taken together, our results suggest that ZIKV invades the host brain by exploiting the blood-CSF barrier rather than the blood-brain barrier.

H3K9 tri-methylation (H3K9me3) plays emerging roles in gene regulation, beyond its accumulation on pericentric constitutive heterochromatin. It remains a mystery why and how H3K9me3 undergoes dynamic regulation in male meiosis. Here, we identify a novel, critical regulator of H3K9 methylation and spermatogenic heterochromatin organization: the germline-specific protein ATF7IP2 (MCAF2). We show that, in male meiosis, ATF7IP2 amasses on autosomal and X pericentric heterochromatin, spreads through the entirety of the sex chromosomes, and accumulates on thousands of autosomal promoters and retrotransposon loci. On the sex chromosomes, which undergo meiotic sex chromosome inactivation (MSCI), the DNA damage response pathway recruits ATF7IP2 to X pericentric heterochromatin, where it facilitates the recruitment of SETDB1, a histone methyltransferase that catalyzes H3K9me3. In the absence of ATF7IP2, male germ cells are arrested in meiotic prophase I. Analyses of ATF7IP2-deficient meiosis reveal its essential roles in the maintenance of MSCI, suppression of retrotransposons, and global upregulation of autosomal genes. We propose that ATF7IP2 is a downstream effector of the DDR pathway in meiosis that coordinates the organization of heterochromatin and gene regulation through the spatial regulation of SETDB1-mediated H3K9me3 deposition.

The effective sample size (ESS) is a quantity estimated in genome-wide association studies (GWAS) with related individuals and/or linear mixed models used in analysis. ESS originally measured relative power in family-based GWAS and has recently become important for correcting GWAS summary statistics in post-GWAS analyses. However, existing ESS approaches have been overlooked and based on empirical estimation. This work presents an analytical form of ESS in mixed-model GWAS of quantitative traits, which is derived using the expectation of quadratic form and validated in extensive simulations. We illustrate the performance and relevance of our ESS estimator in common GWAS scenarios and analytically show that (i) family-based studies are consistently underpowered compared to studies of unrelated individuals of the same sample size; (ii) conditioning on polygenic genetic effect by linear mixed models boosts power; and (iii) power of detecting gene-environment interaction can be substantially gained or lost in family-based designs depending on exposure distribution. We further analyze UK Biobank dataset in two samples of 336,347 unrelated and 68,910 related individuals. Analysis in unrelated individuals reveals a high accuracy of our ESS estimator compared to the existing empirical approach; and analysis of related individuals suggests that the loss in effective sample size due to relatedness is at most 0.94x. Overall, we provide an analytical form of ESS for guiding GWAS designs and processing summary statistics in post-GWAS analyses.