Abstract Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and steatohepatitis (NASH) have become a worldwide health concern because of lifestyle changes, but it is still lack of specific therapeutic strategies as the underlying molecular mechanisms remain poorly understood. Our previous study indicated that deficiency of Arid1a , a key component of SWI/SNF chromatin remodeling complex, initiated mouse steatohepatitis, implying that Arid1a might be essentially required for the integrity of hepatic lipid metabolism. However, the exact mechanisms of the pathological process due to Arid1a loss are unclear. In the present work, we show that hepatocyte-specific deletion of Arid1a significantly increases susceptibility to develop hepatic steatosis and insulin resistance in mice fed with high-fat diet (HFD), along with the aggravated inflammatory responses marked by increment of serum alanine amino transferase (AST), aspartate amino transferase (AST) and TNFα. Mechanistically, Arid1a deficiency leads to the reduction of chromatin modification characteristic of transcriptional activation on multiple metabolic genes, especially Cpt1a a nd Acox1 , two rate-limiting enzyme genes for fatty acid oxidation. Furthermore, our data indicated that Arid1a loss promotes hepatic steatosis by downregulating PPARα, thereby impairing fatty acid oxidation which leads to lipid accumulation and insulin resistance. These findings reveal that targeting ARID1a might be a promising therapeutic strategy for NAFLD, NASH and insulin resistance.

Hepatocellular Carcinoma (HCC) is a type of malignant solid tumor, causing high morbidity and mortality around the world and the major portion of HCC patients is from China. Cancer immunotherapies have shown some clinical responses in treating some types of cancer but did not shown significant efficiency in HCC treatment. This in part due to the impact of immune cells in the tumor microenvironment. It is commonly believed that HCC is a heterogeneous solid tumor and the microenvironment of HCC plays an important role in tumorgenesis and development. Currently, the residents of the microenvironment of HCC is not well-defined and clarification, especially the immune cells, which we believe that paly pivotal roles in tumorgenesis and development. To depict the landscape of the composition, lineage and functional states of the immune cells in HCC, we performed single-cell RNA sequencing on Diethylnitrosamine (DEN)-induced mouse HCC model. We observed heterogeneity within the immune and hepatocytes both in the precancerous condition of tumorigenesis and cancerous condition of HCC. In this study we found that the disease-associated changes appeared early in pathological progression and were highly cell-type specific. Specific subsets of T and B cells preferentially enriched in HCC, and we identified signature genes for each subset. Additionally, we mapped this group of specific cells to the human TCGA database. We found a cluster of naive B cells characterized by high expression of CD38 associated with better prognosis of human HCC. Our study demonstrates signaling interaction map based on receptor-ligand bonding on the single-cell level could broaden our comprehending of cellular networks in varies status. Our finding provides a new approach for patient stratification and will help further understand the functional states, dynamics and signaling interaction of B cells in hepatocellular carcinoma, and may provide a novel insight and therapeutics for the HCC.

Aristolochic acid (AA) derived from traditional Chinese herbal remedies has recently been statistically associated with human liver cancer; however, the causal relationships between AA and liver cancer and the underlying evolutionary process of AA-mediated mutagenesis during tumorigenesis are obscure. Here, we subjected mice, including Pten-deficient ones, to aristolochic acid I (AAI) alone or a combination of AAI and carbon tetrachloride (CCl4), which may induce liver injury. Significantly, AAI promoted the development of liver cancer, including hepatocellular carcinoma and intrahepatic cholangiocarcinoma, in a dose-dependent manner, and it increased the incidence of liver cancer, together with CCl4 or Pten deficiency. AAI could lead to DNA damage and AAI-DNA adducts that initiate liver cancer via characteristic A>T transversions, as indicated by the comprehensive genomic analysis, which revealed recurrent mutations in Hras and some genes encoding components of the Ras/Raf, PI3K, Notch, Hippo, Wnt, DNA polymerase family and the SWI/SNF complex, some of which are also often found in human liver cancer. Mutational signature analysis across human cancer types revealed that the AA-related dominant signature was especially implicated in liver cancer in China, based on very stringent criteria derived from the animal cancer form, in which mutations of TP53 and JAK1 are prone to be significantly enriched. Interestingly, AAI-mediated characteristic A>T mutations were the earliest genetic event driving malignant subclonal evolution in mouse and human liver cancer. In general, this study provides documented evidence for AA-induced liver cancer with featured mutational processes during malignant clonal evolution, laying a solid foundation for the prevention and diagnosis of AA-associated human cancers, especially liver cancer.

Abstract The high-throughput sequencing technology has yielded reliable and ultra-fast sequencing for DNA and RNA. For tumor cells of cancer patients, when combining the results of DNA and RNA sequencing, one can identify potential neoantigens that stimulate immune response of the T cells. However, when the somatic mutations are abundant, it is computationally challenging to efficiently prioritize the identified neoantigen candidates according to their ability of activating the T cell immuno-response. Numerous prioritization or prediction approaches have been proposed to address this issue but none of them considers the original DNA loci of the neoantigens from the perspective of 3D genome. Here we retrospect the DNA origins of the immune-positive and non-negative neoantigens in the context of 3D genome and discovered that 1) DNA loci of the immuno-positive neoantigens tend to cluster genome-wise. 2) DNA loci of the immuno-positive neoantigens tend to belong to active chromosomal compartment (compartment A) in some chromosomes. 3). DNA loci of the immuno-positive neoantigens tend to locate at specific regions in the 3D genome. We believe that the 3D genome information will help more precise neoantigen prioritization and discovery and eventually benefit precision and personalized medicine in cancer immunotherapy.

Abstract Genetic heterogeneity of tumor is closely related to clonal evolution, phenotypic diversity and treatment resistance. Such heterogeneity has been characterized in liver cancer at single-cell sub-chromosomal scale, and a more precise single-variant resolution analysis is lacking. Here we employed a strategy to analyze both the single-cell genomic mutations and transcriptomic changes in 5 patients with liver cancer. Target sequencing was done for a total of 480 single cells in a patient-specific manner. DNA copy number status of point mutations was obtained from single-cell mutational profiling. The clonal structures of liver cancers were then uncovered at single-variant resolution, and mutation combinations in single cells enabled reconstruction of their evolutionary history. A common origin but independent evolutionary fate was revealed for primary liver tumor and intrahepatic metastatic portal vein tumor thrombus. The mutational signature suggested early evolutionary process may be related to specific etiology like aristolochic acids. By parallel single-cell RNA-Seq, the transcriptomic phenotype was found to be related with genetic heterogeneity in liver cancer. We reconstructed the single-cell and single-variant resolution clonal evolutionary history of liver cancer, and dissection of both genetic and phenotypic heterogeneity provides knowledge for mechanistic understanding of liver cancer initiation and progression.

Abstract Bacterial porins serve as the interface interacting with extracellular environment, and are often found under positive selection to fit in different environmental stresses. Local recombination has been identified in a handful of porin genes to facilitate the rapid adaptation of bacterial cells. It remains unknown whether it is a common evolutionary mechanism in gram-negative bacteria for all or a majority of the outer membrane proteins. In this research, we investigated the β-barrel porin encoding genes in Escherichia coli that were reported under positive Darwinia selection. Besides fhuA that was found with ingenic local recombination predominantly previously, we identified four other genes, i.e., lamB, ompA, ompC and ompF , all showing the similar mosaic evolution patterns as in fhuA . Comparative analysis of the protein sequences disclosed a list of highly variable regions in each protein family, which are mostly located in the convex of extracellular loops and coinciding with the binding sites of various bacteriophages. For each of the porin family, mosaic recombination leads to various combinations of the HVRs with different sequence patterns, generating diverse protein groups. Structure modeling further indicated the conserved global topology for various groups of each porin family, but the extracellular surface varies a lot that is formed by individual or combinatorial HVRs. The conservation of global tertiary structure ensures the channel activity while the wide diversity of HVRs may assist bacteria avoiding the invasion of phages, antibiotics or immune surveillance factors. In summary, the study identified multiple bacterial porin genes with mosaic evolution, a likely general strategy, by which outer membrane proteins could facilitate the host bacteria to both maintain normal life processes and evade the attack of unflavored environmental factors rapidly. Importance Microevolution studies can disclose more elaborate evolutionary mechanisms of genes, appearing especially important for genes with multifaceted function such as those encoding outer membrane proteins. However, in most cases, the gene is considered as a whole unit and the evolutionary patterns are disclosed. In this research, we reported that multiple bacterial porin proteins follow mosaic evolution, with local ingenic recombination combined with spontaneous mutations based positive Darwinia selection, and conservation for most of the other regions. It could represent a common mechanism for bacterial outer membrane proteins. The study also provides insights on development of new anti-bacterial agent or vaccines.

As a rare subtype of prostate carcinoma, basal cell carcinoma (BCC) has not been studied extensively and thus lacks systematic molecular characterization. Here we applied single-cell genomic amplification and RNA-Seq to a specimen of human prostate BCC (CK34βE12+/P63+/PAP-/PSA-). The mutational landscape was obtained via whole exome sequencing of the amplification mixture of 49 single cells, and the 5 putative driver genes mutated are CASC5, NUTM1, PTPRC, KMT2C and TBX3. The top 3 nucleotide substitutions are C>T, T>C and C>A, similar to common prostate cancer. The distribution of the variant allele frequency values indicated these single cells are from the same tumor clone. The transcriptomes of 69 single cells were obtained, and they were clustered into tumor, stromal and immune cells based on their global transcriptomic profiles. The tumor cells specifically express basal cell markers like KRT5, KRT14 and KRT23, and epithelial markers EPCAM, CDH1 and CD24. The transcription factor (TF) co-variance network analysis showed that the BCC tumor cells have distinct regulatory networks. By comparison with current prostate cancer datasets, we found that some of the bulk samples exhibit basal-cell signatures. Interestingly, at single-cell resolution the gene expression patterns of prostate BCC tumor cells show uniqueness compared with that of common prostate cancer-derived circulating tumor cells. This study, for the first time, discloses the comprehensive mutational and transcriptomic landscapes of prostate BCC, which lays a foundation for the understanding of its tumorigenesis mechanism and provides new insights into prostate cancers in general.