The potential use of stable-isotope analyses (δ 13 C and δ 15 N) to estimate bear diets was assessed in 40-day feeding trials using American black bears (Ursus americanus). Bear plasma and red blood cells have half-lives of ~4 days and ~28 days, respectively. The isotopic signature of bear plasma is linearly related to that of the diet, and with the exception of adipose tissue, there is no isotopic fractionation across bear tissues. Isotopic analyses were used to estimate the diets of three bear populations: Pleistocene cave bears (U. speleaus) in Europe, grizzly bears (Ursus arctos horribilis) inhabiting the Columbia River drainage prior to 1931, and brown bears (U. arctos) of Chichagof and Admiralty islands, Alaska. Cave bears were omnivores with terrestrially produced meat contributing from 41 to 78% (58 ± 14%) of their metabolized carbon and nitrogen. Salmon contributed from 33 to 90% (58 ± 23%) of the metabolized carbon and nitrogen in grizzly bears from the Columbia River drainage. Finally, most brown bears on Chichagof and Admiralty islands feed upon salmon during the late summer and fall; however, a subpopulation of bears exists that does not utilize salmon.

Abstract A male mutation bias is observed across vertebrates, and, where data are available, this bias is accompanied by increased per-generation mutation rates with parental age. While continuing mitotic cell division in the male germline post-puberty has been proposed as the major cellular mechanism underlying both patterns, little direct evidence for this role has been found. Understanding the evolution of the per-generation mutation rate among species requires that we identify the molecular mechanisms that change between species. Here, we study the per-generation mutation rate in an extended pedigree of the brown (grizzly) bear, Ursus arctos horribilis . Brown bears hibernate for one-third of the year, a period during which spermatogenesis slows or stops altogether. The cessation of spermatogenesis is predicted to lessen the male mutation bias and to lower the per-generation mutation rate in this species. However, using whole-genome sequencing, we find that both male bias and per-generation mutation rates are the same as expected for a non-hibernating species. We also carry out a phylogenetic comparison of substitution rates along the lineage leading to brown bear and panda (a non-hibernating species) and find no slowing of the substitution rate in the hibernator. Our results contribute to accumulating evidence that suggests that male germline cell division is not the major determinant of mutation rates and mutation biases. The results also provide a quantitative basis for improved estimates of the timing of carnivore evolution.

ABSTRACT Tumor heterogeneity is a primary cause of treatment failure and acquired resistance in cancer patients. Even in cancers driven by a single mutated oncogene, variability of targeted therapy response is observed. Additional genetic mutations can only partially explain this variability, leading to consideration of non-genetic factors, such as “stem-like” and “mesenchymal” phenotypic states, as critical contributors to tumor relapse and resistance. Here, we show that both genetic and non-genetic factors contribute to targeted drug-response variability in an experimental tumor heterogeneity model based on multiple versions and clonal sublines of PC9, the archetypal EGFR-mutant non-small cell lung cancer cell line. We observe significant drug-response variability across PC9 cell line versions, among sublines, and within sublines. To disentangle genetic, epigenetic, and stochastic components underlying this variability, we adopt a theoretical framework whereby distinct genetic states give rise to multiple epigenetic “basins of attraction”, across which cells can transition driven by stochastic factors such as gene expression noise and asymmetric cell division. Using mutational impact analysis, single-cell differential gene expression, and semantic similarity of gene ontology terms to connect genomics and transcriptomics, we establish a baseline of genetic differences explaining drug-response variability across PC9 cell line versions. In contrast, with the same approach, we conclude that in all but one of the clonal sublines, drug-response variability is due to epigenetic rather than genetic differences. Finally, using a clonal drug-response assay and stochastic simulations, we attribute drug-response variability within sublines to intracellular stochastic fluctuations and confirm that one subline likely contains a genetic resistance mutation that emerged in the absence of selective pressures. We propose that a theoretical framework deconvolving the complex interplay among genetic, epigenetic, and stochastic sources of intratumoral heterogeneity will lead to novel therapeutic strategies to combat tumor relapse and resistance.

Summary Understanding hibernation in brown bears ( Ursus arctos ) can provide insight into many human diseases. During hibernation, brown bears experience states of insulin resistance, physical inactivity, extreme bradycardia, obesity, and the absence of urine production. These states closely mimic human diseases such as type 2 diabetes, muscle atrophy, renal and heart failure, cachexia, and obesity. The reversibility of these states from hibernation to active season allows for the identification of novel mediators with possible therapeutic value for humans. Recent studies have identified genes and pathways that are differentially expressed between active and hibernation seasons. However, little is known about the role of differential expression of gene isoforms on hibernation physiology. To identify both distinct and novel mRNA isoforms, we performed full-length RNA-sequencing (Iso-Seq) on three tissue types from three individuals sampled during both active and hibernation seasons. We combined the long-read data with the reference annotation for an improved transcriptome and mapped RNA-seq data from six individuals to the improved transcriptome to quantify differential isoform usage between tissues and seasons. We identified differentially expressed isoforms in all study tissues and showed that adipose has a high level of differential isoform usage with isoform switching, regardless of whether the genes were differentially expressed. Our analyses provide a comprehensive evaluation of isoform usage between active and hibernation states, revealing that differential isoform usage, even in the absence of differential gene expression, is an important mechanism for modulating genes during hibernation. These findings demonstrate the value of isoform expression studies and will serve as the basis for deeper exploration into hibernation biology.

ABSTRACT Hibernation is characterized by suppression of many physiological processes. To determine if this state is reversible in a non-food caching species, we fed hibernating grizzly bears ( Ursus arctos horribilis ) glucose for 10 days to replace 53% or 100% of the estimated minimum daily energetic cost of hibernation. Feeding caused serum concentrations of glycerol and ketones (ß-hydroxybutyrate) to return to active season levels irrespective of the amount of glucose fed. By contrast, free-fatty acids and indices of metabolic rate, such as general activity, heart rate, and strength of the daily heart rate rhythm and insulin sensitivity were restored to roughly 50% of active season levels. Body temperature was unaffected by feeding. To determine the contribution of adipose to these metabolic effects of glucose feeding we cultured bear adipocytes collected at the beginning and end of the feeding and performed metabolic flux analysis. We found a roughly 33% increase in energy metabolism after feeding. Moreover, basal metabolism before feeding was 40% lower in hibernation cells compared to fed cells or active cells cultured at 37°C, thereby confirming the temperature independence of metabolic rate. The partial suppression of circulating FFA with feeding likely explains the incomplete restoration of insulin sensitivity and other metabolic parameters in hibernating bears. Further suppression of metabolic function is likely an active process. Together, the results provide a highly controlled model to examine the relationship between nutrient availability and metabolism on the hibernation phenotype in bears.

Abstract The brown bear ( Ursus arctos ) is the second largest and most widespread extant terrestrial carnivore on Earth and has recently emerged as a medical model for human metabolic diseases. Here, we report a fully-phased chromosome-level assembly of a male North American brown bear built by combining Pacific Biosciences (PacBio) HiFi data and publicly available Hi-C data. The final genome size is 2.47 Gigabases (Gb) with a scaffold and contig N50 length of 70.08 and 43.94 Mb, respectively. BUSCO analysis revealed that 94.5% of single-copy orthologs from mammalia were present in the genome (the highest of any ursid genome to date). Repetitive elements accounted for 44.48% of the genome and a total of 20,480 protein coding genes were identified. Based on whole genome alignment, the brown bear is highly syntenic with the polar bear, and our phylogenetic analysis of 7,246 single-copy BUSCOs supports the currently proposed species tree for Ursidae. This highly contiguous genome assembly will support future research on both the evolutionary history of the bear family and the physiological mechanisms behind hibernation, the latter of which has broad medical implications. Significance Brown bears ( Ursus arctos ) are the most widespread, large terrestrial carnivore on the planet and represent an interesting example of speciation through hybridization, as well as a medical model for sedentary lifestyle-related disease. Although a previous genome for a brown bear has been published, the reported contig N50 was low (only ∼530 kb), despite being scaffolded into putative chromosomes. Genomes of this quality limit the accuracy of analyses which rely on long contiguous stretches of the genome to be assembled (such as with many demographic analyses) as well as attempts at connecting genotype to phenotype (such as in association analyses). In order to support studies on both the complex hybridization history of the brown bear and investigations into medically-relevant phenotypes, we generated a fully-phased, chromosome-level assembly from a male grizzly bear. The genome has a total size of 2.47 Gb and 90% of the genome is contained in 36 scaffolds, roughly corresponding to one autosome per scaffold. This high-quality genome will enable studies across a variety of disciplines, including conservation, evolution, and medicine.

Abstract The drug-induced proliferation (DIP) rate is a metric of in vitro drug response that avoids inherent biases in commonly used metrics such as 72h viability. However, DIP rate measurements rely on direct cell counting over time, a laborious task that is subject to numerous challenges, including the need to fluorescently label cells and automatically segment nuclei. Moreover, it is incredibly difficult to directly count cells and accurately measure DIP rates for cell populations in suspension. As an alternative, we use real-time luminescence measurements derived from the cellular activity of NAD(P)H oxidoreductase to efficiently estimate drug response in both adherent and suspension cell populations to a panel of known anticancer agents. For the adherent cell lines, we collect both luminescence reads and direct cell counts over time simultaneously to assess their congruency. Our results demonstrate that the proposed approach significantly speeds up data collection, avoids the need for cellular labels and image segmentation, and opens the door to significant advances in high-throughput screening of anticancer drugs.

Melanomas harboring BRAF mutations can be treated with BRAF inhibitors (BRAFi), but responses are varied and tumor recurrence is inevitable. Here, using an integrative approach of experimentation and mathematical flux balance analyses in BRAF -mutated melanoma cells, we report that elevated antioxidant capacity is linked to BRAFi sensitivity in melanoma cells. High levels of antioxidant metabolites in cells with reduced BRAFi sensitivity confirm this conclusion. By extending our analyses to other melanoma subtypes in TCGA, we predict that elevated redox capacity is a general feature of melanomas, not previously observed. We propose that redox vulnerabilities could be exploited for therapeutic benefits and identify unsuspected combination targets to enhance the effects of BRAFi in any melanoma, regardless of mutational status.