The morphogenesis of dendritic spines, the major sites of excitatory synaptic transmission in the brain, is important in synaptic development and plasticity. We have identified an ephrinB-EphB receptor trans-synaptic signaling pathway which regulates the morphogenesis and maturation of dendritic spines in hippocampal neurons. Activation of the EphB receptor induces translocation of the Rho-GEF kalirin to synapses and activation of Rac1 and its effector PAK. Overexpression of dominant-negative EphB receptor, catalytically inactive kalirin, or dominant-negative Rac1, or inhibition of PAK eliminates ephrin-induced spine development. This novel signal transduction pathway may be critical for the regulation of the actin cytoskeleton controlling spine morphogenesis during development and plasticity.

Abstract Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are multipotent stromal cells, which have a critical role in the maintenance of skeletal tissues such as bone, cartilage, and the fat found in bone marrow. In addition to providing microenvironmental support for hematopoietic processes, BM-MSCs can differentiate into various mesodermal lineages including osteoblast/osteocyte, chondrocyte, and adipocyte cells that are crucial for bone metabolism. While BM-MSCs have high cell-to-cell heterogeneity in gene expression, the cell subtypes that contribute to this heterogeneity in vivo in humans have not been characterized. To investigate the transcriptional diversity of BM-MSCs, we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) on freshly isolated CD271 + BM-derived mononuclear cells (BM-MNCs) from two human subjects. We successfully identified LEPR hi CD45 low BM-MSCs within the CD271 + BM-MNC population, and further codified the BM-MSCs into distinct subpopulations corresponding to the osteogenic, chondrogenic, and adipogenic differentiation trajectories, as well as terminal-stage quiescent cells. Biological functional annotations of transcriptomes suggest that osteoblast precursors may induce angiogenesis coupled with osteogenesis, and chondrocyte precursors may have the potential to differentiate into myocytes. We discovered transcripts for several cluster of differentiation (CD) markers that were highly expressed (e.g., CD167b, CD91, CD130 and CD118) or absent (e.g., CD74, CD217, CD148 and CD68) in BM-MSCs and could be novel markers for human BM-MSC purification. This study is the first systematic in vivo dissection of human BM-MSCs cell subtypes at the single-cell resolution, revealing insight into the extent of their cellular heterogeneity and bone homeostasis.

Abstract Tat is an essential gene for increasing the transcription of all HIV genes, and it affects HIV replication, HIV exit from latency, and AIDS progression. The Tat gene frequently mutates in vivo producing variants with diverse activities, contributing to HIV viral heterogeneity, as well as drug-resistant clones. Thus, identifying the transcriptional activities of Tat variants will help to better understand AIDS pathology and treatment. We recently reported the missense mutation landscape of all single amino acid Tat variants. In these experiments, a fraction of double missense alleles exhibited intragenic epistasis. It is too time-consuming and costly to determine a variants’ effect for all double mutant alleles with experiments. Therefore, we propose a combined GigaAssay/Deep learning approach. As a first step for determining activity landscapes for complex variants, we evaluated a deep learning framework using previously reported GigaAssay experiments to predict how transcription activity is affected by Tat variants with single missense substitutions. Our approach achieves a 0.94 Pearson correlation coefficient when comparing experimental to predicted activities. This hybrid approach should be extensible to more complex Tat alleles for better understanding the genetic control of HIV genome transcription.