Abstract Long-range spatial interactions among genomic regions are critical for regulating gene expression, and their disruption has been associated with a host of diseases. However, when modeling the effects of regulatory factors, most deep learning models either neglect long-range interactions or fail to capture the inherent 3D structure of the underlying genomic organization. To address these limitations, we present GC-MERGE, a G raph C onvolutional M odel for E pigenetic R egulation of G ene E xpression. Using a graph-based framework, the model incorporates important information about long-range interactions via a natural encoding of spatial interactions into the graph representation. It integrates measurements of both the spatial genomic organization and local regulatory factors, specifically histone modifications, to not only predict the expression of a given gene of interest but also quantify the importance of its regulatory factors. We apply GC-MERGE to datasets for three cell lines - GM12878 (lymphoblastoid), K562 (myelogenous leukemia), and HUVEC (human umbilical vein endothelial) - and demonstrate its state-of-the-art predictive performance. Crucially, we show that our model is interpretable in terms of the observed biological regulatory factors, high-lighting both the histone modifications and the interacting genomic regions contributing to a gene’s predicted expression. We provide model explanations for multiple exemplar genes and validate them with evidence from the literature. Our model presents a novel setup for predicting gene expression by integrating multimodal datasets in a graph convolutional framework. More importantly, it enables interpretation of the biological mechanisms driving the model’s predictions. Available at: https://github.com/rsinghlab/GC-MERGE .

Abstract Amphetamine (AMPH), a psychostimulant commonly prescribed for the treatment of neuropsychiatric and neurological disorders, has a high liability for abuse. The abuse and psychomotor stimulant properties of AMPH are primarily associated with its ability to increase dopamine (DA) neurotransmission. This increase is mediated, in large part, by non-vesicular DA release (DA efflux). DA efflux is the result of reversal of the DA transporter (DAT) promoted by AMPH. Syntaxin 1 (Stx1) is a SNARE protein that plays a pivotal role in vesicular release. Previously, we have shown that Stx1 also interacts with the distal DAT N-terminus, an event promoted by AMPH. Stx1 is phosphorylated at Ser14 by casein kinase II (CK2). Using Drosophila Melanogaster as an animal model, we show that this phosphorylation event is critical for non-vesicular DA release and regulates the expression of AMPH preference as well as the ability of AMPH to promote mating drive. We also show that reverse transport of DA mediated by DAT underlies these complex behaviors promoted by AMPH. Our molecular dynamics (MD) simulations of the phosphorylated DAT/Stx1 complex demonstrate that the phosphorylation state of these proteins plays a key role in allowing DAT to dwell in an efflux-willing state. This state also supports constitutive DA efflux (CDE), an event that occurs in the absence of AMPH. The DAT-Stx1 phosphorylated complex is characterized by the breakdown of two key salt bridges in DAT, K66-D345 and E428-R445, which are critical for the formation of the intracellular (IC) gate and for transport function. The breaking of these salt bridges leads to an opening and hydration of the DAT intracellular vestibule, allowing DA to bind from the cytosol, a mechanism that we hypothesize leads to CDE. We further determine the importance of Stx1 phosphorylation in CDE by pharmacologically inhibiting CK2 with CX-4945, a molecule currently in phase II clinical trials for cancer treatment. CX-4945 treatment prevented the expression of CDE in isolated Drosophila Melanogaster brains as well as behaviors associated with CDE. Thus, our results suggest that Stx1 phosphorylation is a possible pharmacological target for the treatment of AMPH abuse.

OBJECTIVE Surgery for primary tumors of the mobile spine and sacrum often requires complex reconstruction techniques to cover soft-tissue defects and to treat wound and CSF-related complications. The anatomical, vascular, and immunoregulatory characteristics of the omentum make it an excellent local substrate for the management of radiation soft-tissue injury, infection, and extensive wound defects. This study describes the authors’ experience in complex wound reconstruction using pedicled omental flaps to cover defects in surgery for mobile spine and sacral primary tumors. METHODS A retrospective cohort analysis was conducted on 34 patients who underwent pedicled omental flap reconstruction after en bloc resection of primary sacral and mobile spine tumors between 2010 and 2020. The study focused on assessing the indications for omental flap usage, including soft-tissue coverage, protection against postoperative radiation therapy, infection management, vascular supply for bone grafts, and dural defect and CSF leak repair. Patient demographic characteristics, tumor characteristics, surgical outcomes, and follow-up data were analyzed to determine the procedure’s efficacy and complication rates. RESULTS From 2010 to 2020, 34 patients underwent pedicled omental flap reconstruction after en bloc resection of sacral (24 of 34 [71%]) and mobile spine (10 of 34 [29%]) primary tumors, mostly chordomas. The patient cohort included 21 men and 13 women with a median (range) age of 60 (32–89) years. The most common indication for omental flap was soft-tissue coverage (20 of 34 [59%]). Other indications included protecting abdominopelvic organs for postoperative radiation therapy (6 of 34 [18%]), treating infections (5 of 34 [15%]), providing vascular supply for free fibular bone graft (1 of 34 [3%]), and repairing large dural defects and CSF leak (2 of 34 [6%]). The median (range) follow-up was 24 (0–132) months, during which 71% (24 of 34) of patients did not require additional surgery for wound-related complications. At last follow-up, 59% (20 of 34) had stable disease and 32% (11 of 34) had recurrence, had progression of disease, or had been discharged to hospice after treatment. CONCLUSIONS The pedicled omentum is an effective local tissue graft that can be used for complex wound reconstruction and management of high-risk closures in primary spine tumors. This technique may have a lower rate of complications than other approaches and may influence surgical planning and flap selection in challenging cases.