Abstract Immunoglobulin heavy chain locus ( Igh ) V H , D, and J H gene segments are developmentally assembled into V(D)J exons. RAG endonuclease initiates V(D)J recombination by binding a J H -recombination signal sequence (RSS) within a chromatin-based recombination center (RC) and then, in an orientation-dependent process, scans upstream D-containing chromatin presented by cohesin-mediated loop extrusion for convergent D-RSSs to initiate DJ H -RC formation 1,2 . In primary pro-B cells, 100s of upstream V H -associated RSSs, embedded in convergent orientation to the DJ H -RC-RSS, gain proximity to the DJ H -RC for V H -to-DJ H joining via a mechanistically-undefined V H -locus contraction process 3-7 . Here, we report that a 2.4 mega-base V H locus inversion in primary pro-B cells nearly abrogates rearrangements of normally convergent V H -RSSs and cryptic RSSs, even though locus contraction per se is maintained. Moreover, this inversion activated rearrangement of both cryptic V H -locus RSSs normally in the opposite orientation and, unexpectedly, of normally-oriented cryptic RSSs within multiple, sequential upstream convergent-CBE domains. Primary pro-B cells had significantly reduced transcription of Wapl 8 , a cohesin-unloading factor, versus levels in v-Abl pro-B lines that lack marked locus contraction or distal V H rearrangements 2,9-11 . Correspondingly, Wapl depletion in v-Abl lines activated V H -locus contraction and orientation-specific RAG-scanning across the V H -locus. Our findings indicate that locus contraction and physiological V H -to-DJ H joining both are regulated via circumvention of CBE scanning impediments.

ABSTRACT The current COVID-19 pandemic highlights the need for broad-spectrum antiviral therapeutics. Here we describe a new class of self-assembling immunostimulatory short duplex RNAs that potently induce production of type I and type III interferon (IFN-I and IFN-III), in a wide range of human cell types. These RNAs require a minimum of 20 base pairs, lack any sequence or structural characteristics of known immunostimulatory RNAs, and instead require a unique conserved sequence motif (sense strand: 5’-C, antisense strand: 3’-GGG) that mediates end-to-end dimer self-assembly of these RNAs by Hoogsteen G-G base-pairing. The presence of terminal hydroxyl or monophosphate groups, blunt or overhanging ends, or terminal RNA or DNA bases did not affect their ability to induce IFN. Unlike previously described immunostimulatory siRNAs, their activity is independent of TLR7/8, but requires the RIG-I/IRF3 pathway that induces a more restricted antiviral response with a lower proinflammatory signature compared with poly(I:C). Immune stimulation mediated by these duplex RNAs results in broad spectrum inhibition of infections by many respiratory viruses with pandemic potential, including SARS-CoV-2, SARS-CoV, MERS-CoV, and influenza A, as well as the common cold virus HCoV-NL63 in both cell lines and human Lung Chips that mimic organ-level lung pathophysiology. These short dsRNAs can be manufactured easily, and thus potentially could be harnessed to produce broad-spectrum antiviral therapeutics at low cost.

Abstract In developing B cells, V(D)J recombination assembles exons encoding IgH and Igκ variable regions from hundreds of gene segments clustered across Igh and Igk loci. V, D and J gene segments are flanked by conserved recombination signal sequences (RSSs) that target RAG endonuclease 1 . RAG orchestrates Igh V(D)J recombination upon capturing a J H -RSS within the J H -RSS-based recombination centre 1–3 (RC). J H -RSS orientation programmes RAG to scan upstream D- and V H -containing chromatin that is presented in a linear manner by cohesin-mediated loop extrusion 4–7 . During Igh scanning, RAG robustly utilizes only D-RSSs or V H -RSSs in convergent (deletional) orientation with J H -RSSs 4–7 . However, for Vκ-to-Jκ joining, RAG utilizes Vκ-RSSs from deletional- and inversional-oriented clusters 8 , inconsistent with linear scanning 2 . Here we characterize the Vκ-to-Jκ joining mechanism. Igk undergoes robust primary and secondary rearrangements 9,10 , which confounds scanning assays. We therefore engineered cells to undergo only primary Vκ-to-Jκ rearrangements and found that RAG scanning from the primary Jκ-RC terminates just 8 kb upstream within the CTCF-site-based Sis element 11 . Whereas Sis and the Jκ-RC barely interacted with the Vκ locus, the CTCF-site-based Cer element 12 4 kb upstream of Sis interacted with various loop extrusion impediments across the locus. Similar to V H locus inversion 7 , DJ H inversion abrogated V H -to-DJ H joining; yet Vκ locus or Jκ inversion allowed robust Vκ-to-Jκ joining. Together, these experiments implicated loop extrusion in bringing Vκ segments near Cer for short-range diffusion-mediated capture by RC-based RAG. To identify key mechanistic elements for diffusional V(D)J recombination in Igk versus Igh , we assayed Vκ-to-J H and D-to-Jκ rearrangements in hybrid Igh–Igk loci generated by targeted chromosomal translocations, and pinpointed remarkably strong Vκ and Jκ RSSs. Indeed, RSS replacements in hybrid or normal Igk and Igh loci confirmed the ability of Igk -RSSs to promote robust diffusional joining compared with Igh- RSSs. We propose that Igk evolved strong RSSs to mediate diffusional Vκ-to-Jκ joining, whereas Igh evolved weaker RSSs requisite for modulating V H joining by RAG-scanning impediments.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron variants have generated a world-wide health crisis due to resistance to most approved SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and evasion of antibodies induced by vaccination. Here, we describe the SARS-CoV-2 neutralizing SP1-77 antibody that was generated from a humanized mouse model with a single human V H 1-2 and Vκ1-33-associated with immensely diverse complementarity-determining-region-3 (CDR3) sequences. SP1-77 potently and broadly neutralizes SARS-CoV-2 variants of concern and binds the SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding-domain (RBD) via a novel-CDR3-based mode. SP1-77 does not block RBD-binding to the ACE2-receptor or endocytosis step of viral entry, but rather blocks membrane fusion. Our findings provide the first mechanistic insight into how a non-ACE2 blocking antibody potently neutralizes SARS-CoV-2, which may inform strategies for designing vaccines that robustly neutralize current and future SARS-CoV-2 variants.

Abstract RAG endonuclease initiates V(D)J recombination in progenitor (pro)-B cells 1 . Upon binding a recombination center (RC)-based J H , RAG scans upstream chromatin via loop extrusion, potentially mediated by cohesin 2–10 , to locate Ds and assemble a DJ H -based RC 11 . CTCF looping factor-bound elements (CBEs) within IGCR1 upstream of Ds impede RAG-scanning 12–15 ; but their inactivation allows scanning to proximal V H s where additional CBEs activate rearrangement and impede scanning any further upstream 15, 16 . Distal V H utilization is thought to involve diffusional RC access following large-scale Igh locus contraction 17–23 . Here, we test the potential of linear RAG-scanning to mediate distal V H usage in G1-arrested, v-Abl- pro-B cell lines 24, 25 , which undergo robust D-to-J H but little V H -to-DJ H rearrangements, presumably due to lack of locus contraction 11, 15 . Through an auxin-inducible approach 26, 27 , we degrade the cohesin-component Rad21 4, 7, 27 or CTCF 7, 9 in these G1-arrested lines, which maintain substantial viability throughout four-day experiments. Rad21 degradation eliminated all V(D)J recombination and RAG-scanning-associated interactions, except RC-located DQ52-to-J H joining in which synapsis occurs by diffusion 11 . Remarkably, while CTCF degradation suppressed most CBE-based chromatin interactions, it promoted robust RC interactions with, and robust V H -to-DJ H joining of, distal V H s, with patterns similar to those of “locus-contracted” primary pro-B cells. Thus, down-modulation of CTCF-bound scanning-impediment activity promotes cohesin-driven RAG-scanning across the 2.7Mb Igh locus.

Abstract Classical nonhomologous end-joining (C-NHEJ) repairs DNA double-stranded breaks (DSBs) throughout interphase but predominates in G1-phase when homologous recombination is unavailable. Complexes containing the Ku70/80 (“Ku”) and XRCC4/Ligase IV (Lig4) core C-NHEJ factors are required, respectively, for sensing and joining DSBs. While XRCC4/Ligase IV are absolutely required for joining RAG1/2-endonucease (“RAG”)-initiated DSBs during V(D)J recombination in G1-phase progenitor lymphocytes, cycling cells deficient for XRCC4/Ligase IV also can join chromosomal DSBs by alternative end-joining (A-EJ) pathways. Restriction of V(D)J recombination by XRCC4/Ligase IV-mediated joining has been attributed to RAG shepherding V(D)J DSBs exclusively into the C-NHEJ pathway. Here, we report that A-EJ of DSB ends generated by RAG1/2, Cas9:gRNA and Zinc finger endonucleases in Lig4-deficient G1-arrested progenitor B cell lines is suppressed by Ku. Thus, while diverse DSBs remain largely as free broken ends in Lig4-deficient G1-arrested progenitor B cells, deletion of Ku70 increases DSB rejoining and translocation levels to those observed in Ku70-deficient counterparts. Correspondingly, while RAG-initiated V(D)J DSB joining is abrogated in Lig4-deficient G1-arrested progenitor B cell lines, joining of RAG-generated DSBs in Ku70-deficient and Ku70/Lig4 double-deficient lines occurs through a translocation-like A-EJ mechanism. Thus, in G1-arrested, Lig4-deficient progenitor B cells are functionally end-joining suppressed due to Ku-dependent blockage of A-EJ, potentially, in association with G1-phase down-regulation of Ligase1. Finally, we suggest that differential impacts of Ku-deficiency versus Lig4-deficiency on V(D)J recombination, neuronal apoptosis, and embryonic development results from Ku-mediated inhibition of A-EJ in the G1 cell cycle phase in Lig4-defcient developing lymphocyte and neuronal cells. Significance Statement Alternative end-joining (A-EJ) is implicated in oncogenic translocations and mediating DNA double-strand break (DSB) repair in cycling cells when classical nonhomologous endjoining (C-NHEJ) factors of the C-NHEJ Ligase complex are absent. However, V(D)J recombination-associated DSBs that occur in G1 cell cycle-phase progenitor lymphocytes are joined exclusively by the C-NHEJ pathway. Until now, however, the overall mechanisms that join general DSBs in G1-phase progenitor B cells had not been fully elucidated. Here, we report that Ku, a core C-NHEJ double-strand break recognition complex, directs repair of a variety of different targeted DSBs towards C-NHEJ and suppresses A-EJ in G1-phase cells. We suggest this Ku activity explains how Ku-deficiency can rescue the neuronal development and embryonic lethality phenotype of Ligase 4-deficient mice.

Abstract Mice are the most commonly used model animals for itch research and for development of antiitch drugs. Most labs manually quantify mouse scratching behavior to assess itch intensity. This process is labor-intensive and limits large-scale genetic or drug screenings. In this study, we developed a new system, Scratch-AID ( A utomatic I tch D etection), which could automatically identify and quantify mouse scratching behavior with high accuracy. Our system included a custom-designed videotaping box to ensure high-quality and replicable mouse behavior recording and a convolutional recurrent neural network (CRNN) trained with frame-labeled mouse scratching behavior videos, induced by nape injection of chloroquine (CQ). The best trained network achieved 97.6% recall and 96.9% precision on previously unseen test videos. Remarkably, Scratch-AID could reliably identify scratching behavior in other major mouse itch models, including the acute cheek model, the histaminergic model, and a chronic itch model. Moreover, our system detected significant differences in scratching behavior between control and mice treated with an anti-itch drug. Taken together, we have established a novel deep learning-based system that is ready to replace manual quantification for mouse scratching behavior in different itch models and for drug screening.

Mosaic variants resulting from postzygotic mutations are prevalent in the human genome and play important roles in human diseases. However, except for cancer-related variant collections, there are no collections of mosaic variants in noncancer diseases and asymptomatic individuals. Here, we present MosaicBase (http://mosaicbase.cbi.pku.edu.cn/ or http://49.4.21.8:8000/), a comprehensive database that includes 6,698 mosaic variants related to 269 noncancer diseases and 27,991 mosaic variants identified in 422 asymptomatic individuals. The genomic and phenotypic information for each variant was manually extracted and curated from 383 publications. MosaicBase supports the query of variants with Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) entries, genomic coordinates, gene symbols, or Entrez IDs. We also provide an integrated genome browser for users to easily access mosaic variants and their related annotations within any genomic region. By analyzing the variants collected in MosaicBase, we found that mosaic variants that directly contribute to disease phenotype showed features distinct from those of variants in individuals with a mild or no phenotype in terms of their genomic distribution, mutation signatures, and fraction of mutant cells. MosaicBase will not only assist clinicians in genetic counseling and diagnosis but also provide a useful resource to understand the genomic baseline of postzygotic mutations in the general human population.

ABSTRACT Immunoglobulin heavy chain variable region exons are assembled in progenitor-B cells, from V H , D, and J H gene segments located in separate clusters across the Igh locus. RAG endonuclease initiates V(D)J recombination from a J H -based recombination center (RC). Cohesin-mediated extrusion of upstream chromatin past RC-bound RAG presents Ds for joining to J H s to form a DJ H -RC. Igh has a provocative number and organization of CTCF-binding-elements (CBEs) that can impede loop extrusion. Thus, Igh has two divergently oriented CBEs (CBE1 and CBE2) in the IGCR1 element between the V H and D/J H domains, over 100 CBEs across the V H domain convergent to CBE1, and 10 clustered 3’ Igh -CBEs convergent to CBE2 and V H CBEs. IGCR1 CBEs segregate D/J H and V H domains by impeding loop extrusion-mediated RAG-scanning. Down-regulation of WAPL, a cohesin unloader, in progenitor-B cells neutralizes CBEs, allowing DJ H -RC-bound RAG to scan the VH domain and perform VH-to-DJH rearrangements. To elucidate potential roles of IGCR1-based CBEs and 3’ Igh -CBEs in regulating RAG-scanning and elucidate the mechanism of the “ordered” transition from D-to-J H to V H -to-DJ H recombination, we tested effects of deleting or inverting IGCR1 or 3’ Igh -CBEs in mice and/or progenitor-B cell lines. These studies revealed that normal IGCR1 CBE orientation augments RAG-scanning impediment activity and suggest that 3’ Igh -CBEs reinforce ability of the RC to function as a dynamic loop extrusion impediment to promote optimal RAG scanning activity. Finally, our findings indicate that ordered V(D)J recombination can be explained by a gradual WAPL down-regulation mechanism in progenitor B cells as opposed to a strict developmental switch. SIGNIFICANCE STATEMENT To counteract diverse pathogens, vertebrates evolved adaptive immunity to generate diverse antibody repertoires through a B lymphocyte-specific somatic gene rearrangement process termed V(D)J recombination. Tight regulation of the V(D)J recombination process is vital to generating antibody diversity and preventing off-target activities that can predispose the oncogenic translocations. Recent studies have demonstrated V(D)J rearrangement is driven by cohesin-mediated chromatin loop extrusion, a process that establishes genomic loop domains by extruding chromatin, predominantly, between convergently-oriented CTCF looping factor-binding elements (CBEs). By deleting and inverting CBEs within a critical antibody heavy chain gene locus developmental control region and a loop extrusion chromatin-anchor at the downstream end of this locus, we reveal how these elements developmentally contribute to generation of diverse antibody repertoires.

Influenza viruses escape immunity due to rapid antigenic evolution, which requires vaccination strategies that allow for broadly protective antibody responses. Here, we demonstrate that the lipid globotriaosylceramide (Gb3) expressed on germinal center (GC) B cells is essential for the production of high-affinity antibodies. Mechanistically, Gb3 binds and disengages CD19 from its chaperone CD81 for subsequent translocation to the B cell receptor (BCR) complex to trigger signaling. Abundance of Gb3 amplifies the PI3-kinase/Akt/Foxo1 pathway to drive affinity maturation. Moreover, this lipid regulates MHC-II expression to increase diversity of T follicular helper (Tfh) and GC B cells reactive with subdominant epitopes. In influenza infection, Gb3 promotes broadly reactive antibody responses and cross-protection. Thus, we show that Gb3 determines affinity as well as breadth in B cell immunity and propose this lipid as novel vaccine adjuvant against viral infection. One Sentence Summary Gb3 abundance on GC B cells selects antibodies with high affinity and broad epitope reactivities, which are cross-protective against heterologous influenza infection.