Atoms at a free surface experience a different local environment than do atoms in the bulk of a material. As a result, the energy associated with these atoms will, in general, be different from that of the atoms in the bulk. The excess energy associated with surface atoms is called surface free energy. In traditional continuum mechanics, such surface free energy is typically neglected because it is associated with only a few layers of atoms near the surface and the ratio of the volume occupied by the surface atoms and the total volume of material of interest is extremely small. However, for nano-size particles, wires and films, the surface to volume ratio becomes significant, and so does the effect of surface free energy. In this paper, a framework is developed to incorporate the surface free energy into the continuum theory of mechanics. Based on this approach, it is demonstrated that the overall elastic behavior of structural elements (such as particles, wires, films) is size-dependent. Although such size-dependency is negligible for conventional structural elements, it becomes significant when at least one of the dimensions of the element shrinks to nanometers. Numerical examples are given in the paper to illustrate quantitatively the effects of surface free energy on the elastic properties of nano-size particles, wires and films.

Background. Severe fever with thrombocytopenia syndrome (SFTS) is an emerging viral disease in China, caused by SFTS virus (SFTSV). Severe SFTS patients can quickly proceed to multiorgan dysfunction and death; however, underlying pathogenic mechanisms remain unclear.

Abstract Aedes aegypti mosquitoes are responsible for the transmission of arthropod-borne (arbo)viruses including dengue and chikungunya virus (CHIKV), but in contrast to human hosts, arbovirus infected mosquitoes are able to efficiently control virus replication to sub-pathological levels. Yet, our knowledge about the molecular interactions of arboviruses with their mosquito hosts is largely incomplete. Here, we aimed to identify and characterize novel host genes that control arbovirus replication in Aedes mosquitoes. RNA binding proteins (RBPs) are well known to regulate immune signaling pathways in all kingdoms of life. We therefore performed a knockdown screen targeting 461 genes encoding predicted RBPs in Aedes aegypti Aag2 cells and identified 15 genes with antiviral activity against a Sindbis reporter virus. Amongst these, three DEAD-box RNA helicases, AAEL004419/Dhx15, AAEL008728 and AAEL004859 also acted as antiviral factors in dengue and CHIKV infections. Here, we explore the mechanism of Dhx15 in regulating an antiviral transcriptional response in mosquitoes by silencing Dhx15 in Aag2 cells followed by deep-sequencing of poly-A enriched RNAs. Dhx15 knockdown in uninfected or CHIKV-infected cells resulted in differential expression of 856 and 372 genes, respectively. Interestingly, amongst the consistently downregulated genes, glycolytic process was the most strongly enriched GO term as the expression of all core enzymes of the glycolytic pathway was reduced, suggesting that Dhx15 regulates glycolytic function. A decrease in lactate production supported the observation that Dhx15 silencing functionally impaired glycolysis. Modified rates of glycolytic metabolism have been implicated in controlling the replication of several classes of viruses and strikingly, infection of Aag2 cells with CHIKV by itself also resulted in the decrease of several glycolysis genes. Our data suggests that Dhx15 regulates replication of CHIKV, and possibly other arboviruses, by controlling glycolysis in mosquito cells.

Summary The piRNA pathway in mosquitoes differs substantially from other model organisms, with an expanded PIWI gene family and functions in antiviral defense. Here, we defined core piRNA clusters as small RNA source loci that showed ubiquitous expression in both somatic and germline tissues. These core piRNA clusters were enriched for non-retroviral endogenous viral elements (nrEVEs) in antisense orientation and depended on key biogenesis factors, Nxf1, Veneno, Tejas, Yb, and Shutdown. Combined transcriptome and chromatin state analyses identified transcriptional readthrough as a conserved mechanism for piRNA cluster biogenesis in Aedes aegypti , Aedes albopictus , Culex quinquefasciatus , and Anopheles gambiae . Comparative analyses between two Aedes mosquitoes suggested that piRNA clusters function as traps for nrEVEs, allowing adaptation to environmental challenges such as virus infection. Our systematic transcriptome and chromatin state analyses lay the foundation for studies of gene regulation, genome evolution and piRNA functions in these important vector species. Graphical abstract Highlights Core piRNA clusters showed ubiquitous expression in both somatic and germline tissues in four vector mosquitoes. Chromatin profiling identifies transcriptional readthrough as a conserved mechanism for piRNA biogenesis. Biogenesis of cluster-derived piRNAs depends on key factors, Nxf1, Veneno, Tejas, Yb, and Shutdown. piRNA clusters function as traps for viral elements downstream of conserved set of genes in Aedes mosquitoes

Abstract The transparent corneal epithelium in the eye is maintained through the homeostasis regulated by limbal stem cells, while the non-transparent epidermis relies on epidermal keratinocytes for renewal. Despite their cellular similarities, the precise cell fates of these two types of epithelial stem cells, which give rise to functionally distinct epithelia, remain unknown. We performed a multi-omics analysis of human limbal stem cells from the cornea and keratinocytes from the epidermis, and characterized their molecular signatures, highlighting their similarities and differences. Through gene regulatory network analyses, we identified shared and cell type-specific transcription factors that define specific cell fates, and established their regulatory hierarchy. Single-cell RNA-seq analyses of the cornea and the epidermis confirmed these shared and cell type-specific transcription factors. Notably, the shared and limbal stem cell-specific transcription factors can cooperatively target genes associated with corneal opacity. Importantly, we discovered that FOSL2 , a direct PAX6 target gene, is a novel candidate associated with corneal opacity, and it regulates genes implicated in corneal diseases. By characterizing molecular signatures, our study unveils the regulatory circuitry governing the limbal stem cell fate and its association with corneal opacity.

ABSTRACT Efficient virus replication in Aedes vector mosquitoes is essential for the transmission of arboviral diseases such as dengue virus (DENV) in human populations. Like in vertebrates, virus-host protein-protein interactions are essential for viral replication and immune evasion in the mosquito vector. Here, 79 mosquito host proteins interacting with DENV non-structural proteins NS1 and NS5 were identified by label-free mass spectrometry, followed by a functional screening. We confirmed interactions with host factors previously observed in mammals, such as the oligosaccharyltransferase complex, and we identified protein-protein interactions that seem to be specific for mosquitoes. Among the interactors, the double-stranded RNA (dsRNA) binding protein Loquacious (Loqs), an RNA interference (RNAi) cofactor, was found to be essential for efficient replication of DENV and Zika virus (ZIKV) in mosquito cells. Loqs did not affect viral RNA stability or translation of a DENV replicon and its proviral activity was independent of its RNAi regulatory activity. Interestingly, Loqs colocalized with DENV dsRNA in viral replication organelles in infected cells and directly interacted with high affinity with DENV RNA in the 3’ untranslated region in vitro (K D = 100-200 nM). Our study provides an interactome for DENV NS1 and NS5 and identifies Loqs as a key proviral host factor in mosquitoes. We propose that DENV hijacks a factor of the RNAi mechanism for replication of its own RNA. AUTHOR SUMMARY Dengue virus is a mosquito-transmitted virus endemic to the tropics and subtropics, affecting an estimated 390 million people yearly. While the mechanisms of infection, pathogenesis and immune evasion have been extensively studied in humans, replication in Aedes mosquitoes has received much less attention, despite being a critical step in the arbovirus transmission cycle. Here, we used a proteomic approach to identify Aedes mosquito proteins recruited by dengue virus non- structural proteins NS1 and NS5. In addition to previously established host proteins that interact with DENV in mammals, we identified Loquacious, a double-stranded RNA binding protein involved in the antiviral RNAi immune response of mosquitoes. Unexpectedly, our data showed Loquacious functions as a proviral factor that is recruited to replication organelles to facilitate viral RNA replication. We propose that DENV exploits host immune components, such as Loquacious, for its own benefit.

Neuronal gene transcription through epigenetic modifications plays an important role in the etiology of intellectual disability (ID) and autism spectrum disorders (ASD). Haploinsufficiency of the Euchromatin Histone Methyltransferase 1 (EHMT1) gene causes Kleefstra syndrome, a neurodevelopmental disorder with the clinical features of both ID and ASD. Interestingly, patients with loss-of-function mutations in the functionally distinct epigenetic regulators MBD5, MLL3 or SMARCB1 also share the same core features, referred to as the Kleefstra syndrome spectrum (KSS). Currently, little is known about how variants in these different chromatin remodelers lead to the phenotypic convergence in KSS. To decipher the pathophysiology underlying KSS we here directly compared the effect of loss of function of four distinct KSS genes in developing rodent neuronal networks, using a combination of transcriptional analysis, immunocytochemistry, single-cell recordings and micro-electrode arrays. KSS gene-deficient neuronal networks all showed impaired neural network activity, resulting in hyperactive networks with altered network organization. At the single-cell level, we found genotype-specific changes in intrinsic excitability and in excitatory-inhibitory balance, all leading to increased excitability. These findings we could also recapitulate in a mouse model for Kleefstra syndrome. Transcriptional analysis further revealed distinct regulatory mechanisms. Nevertheless, KSS-target genes share similar functions in regulating neuronal excitability and synaptic function, several of which are associated with ID and ASD. Our results show that KSS genes mainly converge at the level of neuronal network development, providing new insights into the pathophysiology of KSS and to other phenotypically congruent disorders involving ID and autism.

Mutations in transcription factor p63 are associated with developmental disorders that manifest defects in stratified epithelia including the epidermis. We established an epidermal commitment model using human induced pluripotent stem cells (iPSCs) and characterized differentiation defects of iPSCs derived from ectrodactyly, ectodermal dysplasia, and cleft lip/palate (EEC) syndrome patients carrying p63 mutations. Transcriptome analyses revealed distinct cell fates during epidermal commitment: multipotent simple epithelial, basal stratified epithelial and mature epidermal fates. Differentiation defects of EEC iPSCs caused by mutant p63 occurred during the specification switch from the simple epithelium to the basal stratified epithelial fate. Single-cell transcriptome and pseudotime analyses identified signatures of embryonic epithelial-mesenchymal transition (EMT) associated with the deviated commitment route of EEC iPSCs. Repressing mesodermal activation reversed the EMT and enhanced epidermal commitment. Our findings demonstrate that p63 is required for specification of stratified epithelia, probably by repressing embryonic EMT during epidermal commitment. This study provides insights into disease mechanisms underlying stratified epithelial defects caused by p63 mutations.

Abstract Aedes mosquitoes transmit pathogenic arthropod-borne (arbo) viruses, putting nearly half the world’s population at risk. Blocking virus replication in mosquitoes is a promising approach to prevent arbovirus transmission, the development of which requires in-depth knowledge of virus-host interactions and mosquito immunity. By integrating multi-omics data, we find that heat shock factor 1 (Hsf1) regulates eight small heat shock protein (sHsp) genes within one topologically associated domain in the mosquito genome. This Hsf1-sHsp cascade acts as an early response against chikungunya virus (CHIKV) infection and shows pan-antiviral activity in three vector species, Aedes aegypti , Aedes albopictus , and Anopheles gambiae in cell experiments. Importantly, activation of Hsf1 leads to a reduced CHIKV infection rate in adult Ae. aegypti mosquitoes, establishing Hsf1 as a promising target for the development of novel intervention strategies to limit arbovirus transmission by mosquitoes.

Transcription factor p63 is a key regulator of epidermal keratinocyte proliferation and differentiation. In humans mutations in p63 cause several developmental disorders with defects of ectoderm-derived structures including the epidermis. The underlying molecular mechanisms of these mutations however remain unclear. Here we characterized the transcriptome and epigenome from EEC syndrome patients carrying mutations in the p63 DNA-binding domain. The transcriptome of p63 mutant keratinocytes deviated from the normal epidermal cell identity. Epigenomic analyses showed that the deregulated gene expression in p63 mutant keratinocytes resulted from an altered enhancer landscape contributed by loss of p63-bound active enhancers and by unexpected gain of enhancers. The gained enhancers in mutant keratinocytes were frequently bound by deregulated transcription factors such as RUNX1. Reversing RUNX1 overexpression partially rescued deregulated gene expression as well as the enhancer distribution. Our findings support the pivotal role of p63 in controlling the enhancer landscape of epidermal keratinocytes and identify a novel mechanism whereby p63 DNA-binding mutations associated with EEC syndrome rewire the enhancer landscape and affect epidermal cell identity.