Abstract NK cells are innate immune effectors that kill virally infected or malignant cells. NK cell deficiency (NKD) occurs when NK cell development or function is impaired and variants in MCM4, GINS1, MCM10, and GINS4 result in NKD. Although NK cells are strongly impacted by mutational deficiencies in helicase proteins, the mechanisms underlying this specific susceptibility are poorly understood. In this study, we induced replication stress in activated NK cells or T cells by chemical and genetic methods. We found that the CD56bright subset of NK cells accumulates more DNA damage and replication stress during activation than do CD56dim NK cells or T cells. Aphidicolin treatment increases apoptosis of CD56bright NK cells through increased pan-caspase expression and decreases perforin expression in surviving cells. These findings show that sensitivity to replication stress affects NK cell survival and function and contributes to NKD.

Natural killer cells are innate immune effectors that kill virally infected or malignant cells. Natural killer cell deficiency (NKD) occurs when NK cell development or function are impaired, and individuals with NKD are susceptible to severe and recurrent viral infections. Several gene deficiencies result in NKD, including variants in MCM4, GINS1, MCM10 and GINS4, which are components of the CDC45-MCM-GINS (CMG) helicase. The CMG helicase unwinds DNA during replication and is expressed in any actively proliferating cell. NK cells are more strongly impacted by mutational deficiencies in helicase proteins than other lymphocytes, though the mechanisms underlying this susceptibility are not completely understood. NK cells from individuals with NKD as a result of helicase deficiency have increased DNA damage, cell cycle arrest, and replication stress. Here, we induced replication stress in activated mature NK cells or T cells by chemical methods, using aphidicolin, and through shRNA knockdown of MCM10 in an NK cell line. We found that the CD56 bright subset of NK cells accumulates more DNA damage and replication stress during activation than CD56 dim NK cells or activated T cells. Aphidicolin treatment increases apoptosis of CD56 bright NK cells through increased pan-caspase expression and decreases perforin expression in surviving cells. This effect is modeled by shRNA mediated knockdown of MCM10, thus linking decreased helicase protein expression to replication stress and impaired NK cell function. These findings show that sensitivity to replication stress affects human NK cell survival and function and can contribute to NK cell deficiency.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), familial frontotemporal dementia (FTD), and phenotypic Huntington syndrome-like disease (HDL2) have in common multiple hexanucleotide repeat expansions (HREs), in the C9orf72 gene. The C9orf72 protein aids in sending and receiving signals in multiple neurons. The C9orf72 protein is found primarily expressed in the brain and specific neurons, especially in the cerebral cortex. In ALS, FTD, and HDL2, the gene has a repeat sequence GGGGCC that is found in many patients with familial neurodegenerative conditions, resulting in the loss of function of many patients' motor neurons. The repeat sequence causes reduced production of the C9orf72 protein, called haploinsufficiency, and simultaneously a gain-of-function mutation by producing toxic dipeptide proteins, and excess RNA foci (RNA toxicity) in the brain. Different gene editing techniques in vitro and in vivo have shown the successful knockout of genes in the brain as well as on the C9orf72 gene and the connection to ALS, FTD, and Huntington-like syndrome in mice. CRISPR is a gene-editing tool used to target HREs. This review will focus on knocking down/out the HREs of the C9orf72 gene using various delivery strategies. Targeting the C9orf72 gene HREs, it would be expected that a decrease in protein aggregations that affect motor neurons, be able to prevent protein haploinsufficiency and prevent RNA toxicity, which are the main factors of these three neurodegenerative diseases. Using gene editing, treatment may be possible for patients with familial ALS, FTD, and HDL2 with the HRE sequences in the C9orf72 gene.

Human natural killer cell deficiency (NKD) arises from inborn errors of immunity that lead to impaired NK cell development, function or both. Through the understanding of the biological perturbations in individuals with NKD, requirements for the generation of terminally mature functional innate effector cells can be elucidated. Here we report a novel cause of NKD resulting from compound heterozygous mutations in MCM10 that impaired NK cell maturation in a child with fatal susceptibility to CMV. MCM10 has not been previously associated with monogenic disease and plays a critical role in the activation and function of the eukaryotic DNA replisome. By modeling MCM10 deficiency in human NK cell lines and primary NK cell precursors, we demonstrate that MCM10 is required for NK cell terminal maturation and acquisition of immunological system function.

Bile acids (BAs) comprise heterogenous amphipathic cholesterol-derived molecules that carry out physicochemical and signaling functions. A major site of BA action is the terminal ileum, where enterocytes actively reuptake BAs and express high levels of BA-sensitive nuclear receptors. BA pool size and composition are affected by changes in metabolic health, and vice versa. One of several factors that differentiate BAs is the presence of a hydroxyl group on C12 of the steroid ring. 12α-hydroxylated BAs (12HBAs) are altered in multiple disease settings, but the consequences of 12HBA abundance are incompletely understood. We employed mouse primary ileum organoids to investigate the transcriptional effects of varying 12HBA abundance in BA pools. We identified Slc30a10 as one of the top genes differentially induced by BA pools with varying 12HBA abundance. SLC30A10 is a manganese (Mn) efflux transporter critical for whole-body manganese excretion. We found that BA pools, especially those low in 12HBAs, induce cellular manganese efflux, and that Slc30a10 induction by BA pools is driven primarily by lithocholic acid signaling via the vitamin D receptor. Administration of lithocholic acid or a vitamin D receptor agonist resulted in increased Slc30a10 expression in mouse ileum epithelia. These data demonstrate a previously unknown role for BAs in intestinal control of Mn homeostasis.

Cell proliferation is a ubiquitous process required for organismal development and homeostasis. However, individuals with partial loss-of-function variants in DNA replicative helicase components often present with immunodeficiency due to specific loss of natural killer (NK) cells. Such lineage-specific disease phenotypes raise questions on how the proliferation is regulated in cell type-specific manner. We aimed to understand NK cell-specific proliferative dynamics and vulnerability to impaired helicase function using iPSCs from individuals with NK cell deficiency (NKD) due to hereditary compound heterozygous GINS4 variants. We observed and characterized heterogeneous cell populations that arise during the iPSC differentiation along with NK cells. While overall cell proliferation decreased with differentiation, early NK cell precursors showed a short burst of cell proliferation. GINS4 deficiency induced replication stress in these early NK cell precursors, which are poised for apoptosis, and ultimately recapitulate the NKD phenotype.