We present an integrated stand-alone software package named KaKs_Calculator 2.0 as an updated version. It incorporates 17 methods for the calculation of nonsynonymous and synonymous substitution rates; among them, we added our modified versions of several widely used methods as the gamma series including γ-NG, γ-LWL, γ-MLWL, γ-LPB, γ-MLPB, γ-YN and γ-MYN, which have been demonstrated to perform better under certain conditions than their original forms and are not implemented in the previous version. The package is readily used for the identification of positively selected sites based on a sliding window across the sequences of interests in 5’ to 3’ direction of protein-coding sequences, and have improved the overall performance on sequence analysis for evolution studies. A toolbox, including C++ and Java source code and executable files on both Windows and Linux platforms together with a user instruction, is downloadable from the website for academic purpose at https://sourceforge.net/projects/kakscalculator2/.

Differences in chromatin organization are key to the multiplicity of cell states that arise from a single genetic background, yet the landscapes of in vivo tissues remain largely uncharted. Here, we mapped chromatin genome-wide in a large and diverse collection of human tissues and stem cells. The maps yield unprecedented annotations of functional genomic elements and their regulation across developmental stages, lineages, and cellular environments. They also reveal global features of the epigenome, related to nuclear architecture, that also vary across cellular phenotypes. Specifically, developmental specification is accompanied by progressive chromatin restriction as the default state transitions from dynamic remodeling to generalized compaction. Exposure to serum in vitro triggers a distinct transition that involves de novo establishment of domains with features of constitutive heterochromatin. We describe how these global chromatin state transitions relate to chromosome and nuclear architecture, and discuss their implications for lineage fidelity, cellular senescence, and reprogramming.

Michelle Kelliher, Bradley Bernstein and colleagues identify T cell acute lymphoblastic leukemia cells that are resistant to γ-secretase inhibitor treatment and characterize the epigenetic mechanism of resistance. The identification of activating NOTCH1 mutations in T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) led to clinical testing of γ-secretase inhibitors (GSIs) that prevent NOTCH1 activation1,2,3,4. However, responses to these inhibitors have been transient5, suggesting that resistance limits their clinical efficacy. Here we modeled T-ALL resistance, identifying GSI-tolerant 'persister' cells that expand in the absence of NOTCH1 signaling. Rare persisters are already present in naive T-ALL populations, and the reversibility of their phenotype suggests an epigenetic mechanism. Relative to GSI-sensitive cells, persister cells activate distinct signaling and transcriptional programs and exhibit chromatin compaction. A knockdown screen identified chromatin regulators essential for persister viability, including BRD4. BRD4 binds enhancers near critical T-ALL genes, including MYC and BCL2. The BRD4 inhibitor JQ1 downregulates expression of these targets and induces growth arrest and apoptosis in persister cells, at doses well tolerated by GSI-sensitive cells. Consistently, the GSI-JQ1 combination was found to be effective against primary human leukemias in vivo. Our findings establish a role for epigenetic heterogeneity in leukemia resistance that may be addressed by incorporating epigenetic modulators in combination therapy.

Members of the ATP-dependent SWI/SNF chromatin remodeling complexes are among the most frequently mutated genes in cancer, suggesting their dysregulation plays a critical role. The synthetic lethality between SWI/SNF catalytic subunits BRM/SMARCA2 and BRG1/SMARCA4 has instigated great interest in targeting BRM. Here we have performed a critical and in-depth investigation of novel dual inhibitors (BRM011 and BRM014) of BRM and BRG1 in order to validate their utility as chemical probes of SWI/SNF catalytic function, while obtaining insights into the therapeutic potential of SWI/SNF inhibition. In corroboration of on-target activity, we discovered compound resistant mutations through pooled screening of BRM variants in BRG1-mut cancer cells. Strikingly, genome-wide transcriptional and chromatin profiling (ATAC-Seq) provided further evidence of pharmacological perturbation of SWI/SNF chromatin remodeling as BRM011 treatment induced specific changes in chromatin accessibility and gene expression similar to genetic depletion of BRM. Finally, these compounds have the capacity to inhibit the growth of tumor-xenografts, yielding important insights into the feasibility of developing BRM/BRG1 ATPase inhibitors for the treatment of BRG1-mut lung cancers. Overall, our studies not only establish the feasibility of inhibiting SWI/SNF catalytic function, providing a framework for SWI/SNF therapeutic targeting, but have also yielded successful elucidation of small-molecule inhibitors that will be of importance in probing SWI/SNF function in various disease contexts.

Abstract CD19-targeting chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapeutics is a revolutionary, novel and successful treatment for B-cell malignancies. However, while CD19-CAR-T therapy can obtain high rates of complete responses in these patients, a significant fraction of patients may experience CD19-negative relapse. Moreover, the dependency on T-cell mediated cytotoxicity restricts CAR-T therapy as a patient-specific individualized therapy with severe side effects such as cytokine-release syndrome (CRS). Whether CAR-T therapy can be substituted by a non-T-cell based universal cellular therapy is largely unknown. Surprisingly, we have demonstrated here that T-lymphocytic cells, as well as non-lymphocytic cells, can cause CD19 internalization and subsequent depletion when they are armed with a CD19-recognizing moiety. This CD19 antigen depletion can efficiently induce T-cell independent apoptosis in target cancer cells whose survival is dependent upon CD19 expression, suggesting that CD19 antigen depletion constitutes a crucial tumor destroying mechanism for CD19-CAR-T, especially for its long-term efficacy. We therefore proposed a universal strategy for CRS-free cellular therapeutics, utilizing artificial antigen-recognizing cells (AARC), which can be manufactured universally and standardly as “off-the-shelf” mesenchymal stromal cells (MSCs) or other types of non-autologous cell expressing anergic CARs. Our results not only uncovered an unrecognized mechanism for CAR-T cytotoxicity and antigen loss, but also shed new insight into a shift in cellular therapeutics from unique patient-specific autologous therapeutics, to universal and standardized allogeneic treatment.

Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is a significant cause of mortality, while the underlying mechanism remains unclear. Our studies have revealed that KIF2C plays a crucial role in tumor proliferation and metastasis in HNSCC. The results demonstrate that KIF2C is highly expressed at both the mRNA and protein levels and is closely associated with lymph node metastasis. The gene ontology and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway analyses indicate that the differentially expressed genes are enriched in processes or pathways related to cell adhesion and cell mitosis in HNSCC. Moreover, the established protein-protein interaction network identifies KIF2C as a potential hub gene in HNSCC. Knockdown of KIF2C has been demonstrated to significantly reduce cell migration and invasion ability, leading to cell cycle arrest, a high proportion of abnormal cell apoptosis, and cell chromosome division mismatches in the HNSCC cell line. Downstream genes such as PDGFA, EGFR, TP63, SNAI2, KRT5, and KRT14 were found to be down-regulated, and multiple critical pathways, including mTOR, ERK, and PI3K-AKT pathways, were inactivated as a result of KIF2C knockdown. These findings provide strong evidence for the crucial role of KIF2C in HNSCC and suggest that targeting KIF2C may be a promising therapeutic strategy for this disease. Knockdown of KIF2C has been shown to significantly inhibit tumor proliferation in nude mice, demonstrating the potential therapeutic role of KIF2C in HNSCC treatment.

Mature blood cells derive from primitive cells through a complex and poorly understood process that involves an interplay of transcription factors and epigenetic modifications. We now show that multiple human hematopoietic progenitor phenotypes display a common repressive H3K27me3 signature (R>0.97) together with their mature lymphoid, but not their differentiated monocyte and erythroid progeny. This signature includes many large organized H3K27me3 domains that we also show are required for the production of differentiating lymphoid cells. These results reveal H3K27me3 contraction to play a previously unknown intermediate step in differentially regulating the activation of terminal differentiation programs in normal human lymphoid and myeloid progenitors.

An inherent bottleneck of data independent acquisition (DIA) analysis by Orbitrap-based mass spectrometers is the relatively large window width due to the relatively slow scanning rate compared to TOF. Here we present a novel gas phase separation and MS acquisition method called PulseDIA-MS, which improves the specificity and sensitivity of Orbitrap-based DIA analysis. This is achieved by dividing the ordinary DIA-MS analysis covering the entire mass range into multiple injections for DIA-MS analyses with complementary windows. Using standard HeLa digests, the PulseDIA method identified 69,530 peptide precursors from 9,337 protein groups with ten MS injections of 30 min LC gradient. The PulseDIA scheme containing two complementary windows led to the highest gain of peptide and protein identifications per time unit compared to the conventional 30 min DIA method. We further applied the method to profile the proteome of 18 cholangiocarcinoma (CCA) tissue samples (benign and malignant) from nine patients. PulseDIA identified 7,796 protein groups in these CCA samples, with 14% increase of protein identifications, compared to the conventional DIA method. The missing value for protein matrix dropped by 7% with PulseDIA acquisition. 681 proteins were significantly dysregulated in tumorous CCA samples. Together, we presented and benchmarked an alternative DIA method with higher sensitivity and lower missing rate.

In this study, we optimized the pressure-cycling technology (PCT) and SWATH mass spectrometry workflow to analyze biopsy-level tissue samples (2 mg wet weight) from 19 hepatocellular carcinoma (HCC) patients. Using OpenSWATH and pan-human spectral library, we quantified 11,787 proteotypic peptides from 2,579 SwissProt proteins in 76 HCC tissue samples within about 9 working days (from receiving tissue to SWATH data). The coefficient of variation (CV) of peptide yield using PCT was 32.9%, and the R2 of peptide quantification was 0.9729. We identified protein changes in malignant tissues compared to matched control samples in HCC patients, and further stratified patient samples into groups with high α-fetoprotein (AFP) expression or HBV infection. In aggregate, the data identified 23 upregulated pathways and 13 ones. We observed enhanced biomolecule synthesis and suppressed small molecular metabolism in liver tumor tissues. 16 proteins of high documented relevance to HCC are highlighted in our data. We also identified changes of virus-infection-related proteins including PKM, CTPS1 and ALDOB in the HBV+ HCC subcohort. In conclusion, we demonstrate the practicality of performing proteomic analysis of biopsy-level tissue samples with PCT-SWATH methodology with moderate effort and within a relatively short timeframe.