An extensive analysis of HERVH (a primate-specific endogenous retrovirus) expression in human pluripotent stem cells is presented, identifying a sub-population of cells within cultured human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells that has characteristics of naive-state cells — the study provides evidence for a new primate-specific transcriptional circuitry regulating pluripotency. This extensive analysis of human induced pluripotent stem (iPS) and embryonic stem (ES) cells identifies a subpopulation of cells that show elevated transcription of primate-specific endogenous retrovirus HERVH and display characteristics of naive-state cells. HERVH and the transcription factor LBP9 are shown to drive expression of transcripts specific to pluripotent cells, including regulatory long non-coding RNAs. The authors suggest that these findings point to the existence of a previously unrecognized primate-specific transcriptional circuitry regulating pluripotency. Naive embryonic stem cells hold great promise for research and therapeutics as they have broad and robust developmental potential. While such cells are readily derived from mouse blastocysts it has not been possible to isolate human equivalents easily1,2, although human naive-like cells have been artificially generated (rather than extracted) by coercion of human primed embryonic stem cells by modifying culture conditions2,3,4 or through transgenic modification5. Here we show that a sub-population within cultures of human embryonic stem cells (hESCs) and induced pluripotent stem cells (hiPSCs) manifests key properties of naive state cells. These naive-like cells can be genetically tagged, and are associated with elevated transcription of HERVH, a primate-specific endogenous retrovirus. HERVH elements provide functional binding sites for a combination of naive pluripotency transcription factors, including LBP9, recently recognized as relevant to naivety in mice6. LBP9–HERVH drives hESC-specific alternative and chimaeric transcripts, including pluripotency-modulating long non-coding RNAs. Disruption of LBP9, HERVH and HERVH-derived transcripts compromises self-renewal. These observations define HERVH expression as a hallmark of naive-like hESCs, and establish novel primate-specific transcriptional circuitry regulating pluripotency.

Gibbons are small arboreal apes that display an accelerated rate of evolutionary chromosomal rearrangement and occupy a key node in the primate phylogeny between Old World monkeys and great apes. Here we present the assembly and analysis of a northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) genome. We describe the propensity for a gibbon-specific retrotransposon (LAVA) to insert into chromosome segregation genes and alter transcription by providing a premature termination site, suggesting a possible molecular mechanism for the genome plasticity of the gibbon lineage. We further show that the gibbon genera (Nomascus, Hylobates, Hoolock and Symphalangus) experienced a near-instantaneous radiation ∼5 million years ago, coincident with major geographical changes in southeast Asia that caused cycles of habitat compression and expansion. Finally, we identify signatures of positive selection in genes important for forelimb development (TBX5) and connective tissues (COL1A1) that may have been involved in the adaptation of gibbons to their arboreal habitat. The genome of the gibbon, a tree-dwelling ape from Asia positioned between Old World monkeys and the great apes, is presented, providing insights into the evolutionary history of gibbon species and their accelerated karyotypes, as well as evidence for selection of genes such as those for forelimb development and connective tissue that may be important for locomotion through trees. The many species of gibbons are small, tree-living apes from Southeast Asia, most of them listed as 'endangered' or 'critically endangered' on the IUCN list. In their presentation of the genome of the northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) , Lucia Carbone and colleagues provide intriguing insights into the biology and evolutionary history of a group that straddles the divide between Old World monkeys and the great apes. The authors investigate how a novel gibbon-specific retrotransposon might be the source of gibbons' genome plasticity. Rapid karyotype evolution combined with multiple episodes of climate and environmental change might explain the almost instantaneous divergence of the four gibbon genera. Positive selection on genes involved in forelimb development and connective tissue might have been related to gibbons' unique mode of locomotion in the tropical canopy.

Abstract Sterile α motif (SAM) and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a potent restriction factor for immunodeficiency virus 1 (HIV-1), active in myeloid and resting CD4 + T cells. As a dNTP triphosphate triphosphohydrolase (dNTPase), SAMHD1 is proposed to limit cellular dNTP levels correlating with inhibition of HIV-1 reverse transcription. The anti-viral activity of SAMHD1 is regulated by dephosphorylation of the residue T592. However, the impact of T592 phosphorylation on dNTPase activity is still under debate. Whether additional cellular functions of SAMHD1 impact anti-viral restriction is also not completely understood. We use BlaER1 cells as a novel human macrophage transdifferentiation model combined with CRISPR/Cas9 knock-in (KI) to study SAMHD1 mutations in a physiological context. Transdifferentiated BlaER1 cells, resembling primary human macrophages, harbor active dephosphorylated SAMHD1 that blocks HIV-1 reporter virus infection. Co-delivery of Vpx or CRISPR/Cas9-mediated SAMHD1 knock-out relieves the block to HIV-1. Using CRISPR/Cas9-mediated homologous recombination, we introduced specific mutations into the genomic SAMHD1 locus. Homozygous T592E mutation, but not T592A, leads to loss of HIV-1 restriction, confirming the role of T592 dephosphorylation in the regulation of anti-viral activity. However, T592E KI cells retain wild type dNTP levels, suggesting the antiviral state might not only rely on dNTP depletion. In conclusion, the role of the T592 phospho-site for anti-viral restriction was confirmed in an endogenous physiological context. Importantly, loss of restriction in T592E mutant cells does not correlate with increased dNTP levels, indicating that the regulation of anti-viral and dNTPase activity of SAMHD1 might be uncoupled. Importance Sterile α motif (SAM) and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a potent anti-viral restriction factor, active against a broad range of DNA viruses and retroviruses. In myeloid and resting CD4 + T cells, SAMHD1 blocks reverse transcription of immunodeficiency virus 1 (HIV-1), not only inhibiting viral replication in these cell types, but also limiting the availability of reverse transcription products for innate sensing of HIV-1. Manipulating SAMHD1 activity could be an attractive approach to improve HIV-1 therapy or vaccination strategies. Anti-viral activity is strictly dependent on dephosphorylation of SAMHD1 residue T592, however the mechanistic consequence of T592 phosphorylation is still unclear. Here, we use BlaER1 cells as an alternative myeloid cell model in combination with CRISPR/Cas9-mediated KI to study the influence of SAMHD1 T592 phosphorylation on anti-viral restriction and control of cellular dNTP levels in an endogenous context. By using this novel approach, we were able to genetically uncouple SAMHD1’s anti-viral and dNTPase activity with regard to regulation by T592 phosphorylation. This suggests that SAMHD1 dNTPase activity may not exclusively be responsible for the anti-lentiviral activity of SAMHD1 in myeloid cells. In addition, our toolkit may inspire further genetic analysis and investigation of SAMHD1-mediated restriction, as wells as its cellular function and regulation, leading to a deeper understanding of SAMHD1 and HIV-1 biology.

Sterile α motif (SAM) and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a dNTP triphosphate triphosphohydrolase (dNTPase) and a potent restriction factor for immunodeficiency virus 1 (HIV-1), active in myeloid and resting CD4 + T cells. The anti-viral activity of SAMHD1 is regulated by dephosphorylation of the residue T592. However, the impact of T592 phosphorylation on dNTPase activity is still under debate. Whether additional cellular functions of SAMHD1 impact anti-viral restriction is not completely understood. We report BLaER1 cells as a novel human macrophage HIV-1 infection model combined with CRISPR/Cas9 knock-in (KI) introducing specific mutations into the SAMHD1 locus to study mutations in a physiological context. Transdifferentiated BLaER1 cells harbor active dephosphorylated SAMHD1 that blocks HIV-1 reporter virus infection. As expected, homozygous T592E mutation, but not T592A, relieved a block to HIV-1 reverse transcription. Co-delivery of VLP-Vpx to SAMHD1 T592E KI mutant cells did not further enhance HIV-1 infection indicating the absence of an additional SAMHD1-mediated antiviral activity independent of T592 de-phosphorylation. T592E KI cells retained dNTP levels similar to WT cells indicating uncoupling of anti-viral and dNTPase activity of SAMHD1. The integrity of the catalytic site in SAMHD1 was critical for anti-viral activity, yet poor correlation of HIV-1 restriction and global cellular dNTP levels was observed in cells harboring catalytic core mutations. Together, we emphasize the complexity of the relationship between HIV-1 restriction, SAMHD1 enzymatic function and T592 phospho-regulation and provide novel tools for investigation in an endogenous and physiological context.We introduce BLaER1 cells as an alternative myeloid cell model in combination with CRISPR/Cas9-mediated gene editing to study the influence of SAMHD1 T592 Mophosphorylation on anti-viral restriction and the control of cellular dNTP levels in an endogenous, physiological relevant context. Proper understanding of the mechanism of the anti-viral function of SAMHD1 will provide attractive strategies aiming at selectively manipulating SAMHD1 without affecting other cellular functions.Even more, our toolkit may inspire further genetic analysis and investigation of restriction factors inhibiting retroviruses, their cellular function and regulation, leading to a deeper understanding of intrinsic anti-viral immunity.

SUMMARY Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) is a primary sensor of aberrant DNA that governs an innate immune signaling cascade, leading to the induction of the type-I interferon response. We have previously identified polyglutamine binding protein 1, PQBP1, as an adaptor molecule required for cGAS-mediated innate immune response of lentiviruses, including the human immunodeficiency virus 1 (HIV-1), but dispensable for the recognition of DNA viruses. HIV-1- encoded DNA is synthesized as a single copy from its RNA genome, and is subsequently integrated into the host chromatin. HIV-1 then produces progeny through amplification and packaging of its RNA genome, thus, in contrast to DNA viruses, HIV-1 DNA is both transient and of low abundance. However, the molecular basis for the detection and verification of this low abundance HIV-1 DNA pathogen-associated molecular pattern (PAMP) is not understood. Here, we elucidate a two-factor authentication strategy that is employed by the innate immune surveillance machinery to selectively respond to the low concentration of PAMP, while discerning these species from extranuclear DNA molecules. We find that, upon HIV-1 infection, PQBP1 decorates intact viral capsid, which serves as a primary verification step for the viral nucleic acid cargo. As the reverse transcription and capsid disassembly initiate, cGAS protein is then recruited to the capsid in a PQBP1-dependent manner, enabling cGAS molecules to be co-positioned at the site of PAMP generation. Thus, these data indicate that PQBP1 recognition of the HIV-1 capsid sanctions a robust cGAS-dependent response to a limited abundance and short-lived DNA PAMP. Critically, this illuminates a molecular strategy wherein the modular recruitment of co-factors to germline encoded pattern recognition receptors (PRRs) serves to enhance repertoire of pathogens that can be sensed by the innate immune surveillance machinery.