ABSTRACT Antitumor transcription activator NFE2L1, with the functions to regulate redox homeostasis, protein turnover, and material metabolism, plays an important role in embryonic development and specialization of tissue and organ functions. Deficiency of NFE2L1 gene in different regions yields distinct phenotypes, suggesting that NFE2L1 may have a transcription factor-independent function. Here we originally discovered the non-transcription factor activity of NFE2L1 by constructing a truncated protein-NFE2L1 ΔC without 152 aa at the C-terminus which lost the transcription factor activity. The regulation of NFE2L1 on redox homeostasis, proteasome function, and immune response mainly depends on its transcription activator function in nucleus, while the regulation on metabolism, ribosome function, and canceration is germanely to its non-transcription factor activity in cytoplasm. Surprisingly, the results indicated the tumor suppressive effect of NFE2L1 by repression of Wnt/β-catenin signaling in a non-transcription factor manner, indicating the potential value of NFE2L1 as a therapeutic target in clinical cancer treatment independent of its transcription factor activity. Our observations reveal the non-transcription factor activity of NFE2L1 for the first time, and lay foundation for the basic and applied research of NFE2L1.

Abstract NFE2L1 (also called Nrf1) acts a core regulator of redox signaling and metabolism homeostasis, and thus its dysfunction results in multiple systemic metabolic diseases. However, the molecular mechanism(s) by which NFE2L1 regulates glycose and lipid metabolism is still elusive. Here, we found that the loss of NFE2L1 in human HepG2 cells led to a lethal phenotype upon glucose deprivation. The uptake of glucose was also affected by NFE2L1 deficiency. Further experiments unveiled that although the glycosylation of NFE2L1 was monitored through the glycolysis pathway, it enabled to sense the energy state and directly interacted with AMPK. These indicate that NFE2L1 can serve as a dual sensor and regulator of glucose homeostasis. In-depth sights into transcriptome, metabolome and seahorse data further unraveled that glucose metabolism was reprogrammed by disruption of NFE2L1, so as to aggravate the Warburg effect in NFE2L1-silenced hepatoma cells, along with the mitochondrial damage observed under the electron microscope. Collectively, these demonstrate that disfunction of NFE2L1 triggers the uncontrollable signaling by AMPK towards glucose metabolism reprogramming in the liver cancer development.

Umbilical cord blood (UCB) transplant is a therapeutic option for both pediatric and adult patients with a variety of hematologic diseases such as several types of blood cancers, myeloproliferative disorders, genetic diseases, and metabolic disorders. However, the level of cellular heterogeneity and diversity of nucleated cells in the UCB has not yet been assessed in an unbiased and systemic fashion. In the current study, nucleated cells from UCB were subjected to single-cell RNA sequencing, a technology enabled simultaneous profiling of the gene expression signatures of thousands of cells, generating rich resources for further functional studies. Here, we report the transcriptomic maps of 19,052 UCB cells, covering 11 major cell types. Many of these cell types are comprised of distinct subpopulations, including distinct signatures in NK and NKT cell types in the UCB. Pseudotime ordering of nucleated red blood cells (NRBC) identifies wave-like activation and suppression of transcription regulators, leading to a polarized cellular state, which may reflect the NRBC maturation. Progenitor cells in the UBC also consist two subpopulations with divergent transcription programs activated, leading to specific cell-fate commitment. Collectively, we provide this comprehensive single-cell transcriptomic landscape and show that it can uncover previously unrecognized cell types, pathways and gene expression regulations that may contribute to the efficacy and outcome of UCB transplant, broadening the scope of research and clinical innovations.

Human mesenchymal stem cells (hMSCs) are widely used in clinical research because of their multipotential, immunomodulatory, and reparative properties. Previous studies determined that hMSC spheroids from three-dimensional (3D) culture possess higher therapeutic efficacy than conventional hMSCs from monolayer (2D) culture. To date, various 3D culture methods have been developed to form hMSC spheroids, but most of them used culture medium containing fetal bovine serum (FBS), which is not suitable for further clinical use. Here, we demonstrate that dissociated single MSCs seeded in induced pluripotent stems medium (MiPS), adhere loosely to the dish and spontaneously migrate to form spheroids during day 3 to day 6. Through component deletion screening and complementation experiments, the knockout serum replacement (KSR) was identified as necessary and sufficient for hMSC spheroid formation. Transcriptome analysis showed that the overall expression profiles were highly similar between 2D culture with FBS and KSR derived spheroids. Interestingly, genes related to inflammatory response, immune response, and angiogenesis were up-regulated in spheroids at day 6, and qPCR results further validated the increased expression level of related genes, including STC1, CCL7, HGF, IL24 , and TGFB3 . When spheroids were re-plated in normal FBS medium, cells formed a typical spindle-shaped morphology, and FACS results showed that the recovered cells retained MSC-specific surface markers, such as CD73, CD90, and CD105. In summary, we developed a practical and convenient method to generate hMSC spheroids for clinical research and therapy.

Abstract Hematopoietic stem cells (HSCs) from different sources show varied repopulating capacity, and HSCs lose their stemness after long-time ex vivo culture. However, the underlying mechanisms of the stemness differences because of the cell sources and the culture stimulation are not fully understood. Here, we applied single-cell RNA-seq (scRNA-seq) to analyze the naïve and stimulated human CD34 + cells from cord blood (CB) and mobilized peripheral blood (mPB). We collected over 16,000 single-cell data to construct a comprehensive trajectory inference map and characterized the HSCs population on the hierarchy top, which is under quiescent state. Then we compared HSCs in CB to those in mPB and HSCs of naïve samples to those of cultured samples, and identified stemness-related genes (SRGs) associated with culture time (CT-SRGs) and cell source (CS-SRGs), respectively. Interestingly, CT-SRGs and CS-SRGs share genes enriched in the signaling pathways such as mRNA catabolic process , Translational initiation , Ribonucleoprotein complex biogenesis and Cotranslational protein targeting to membrane , suggesting dynamic protein translation and processing may be a common requirement for stemness maintenance. Meanwhile, CT-SRGs are enriched in pathways involved in glucocorticoid and corticosteroid response that affect HSCs homing and engraftment. In contrast, CS-SRGs specifically contain genes related purine and ATP metabolic process which is important to initiate hematopoiesis. Finally, we presented an application through a small-scale drug screening using Connectivity Map (CMap) against CT-SRGs and found a small molecule cucurbitacin I, targeting STAT3/JAK2, can efficiently expand HSCs ex vivo while maintaining its stemness. These results indicate SRGs revealed by scRNA-seq can provide helpful insights to understand the stemness differences under diverse circumstances, and CT-SRGs can be a valuable database to identify candidates enhancing functional HSCs expansion during ex vivo culture.

Genome-wide association studies (GWAS) identified over fifty loci associated with lung cancer risk. However, the genetic mechanisms and target genes underlying these loci are largely unknown, as most risk-associated-variants might regulate gene expression in a context-specific manner. Here, we generated a barcode-shared transcriptome and chromatin accessibility map of 117,911 human lung cells from age/sex-matched ever- and never-smokers to profile context-specific gene regulation. Accessible chromatin peak detection identified cell-type-specific candidate cis-regulatory elements (cCREs) from each lung cell type. Colocalization of lung cancer candidate causal variants (CCVs) with these cCREs prioritized the variants for 68% of the GWAS loci, a subset of which was also supported by transcription factor abundance and footprinting. cCRE colocalization and single-cell based trait relevance score nominated epithelial and immune cells as the main cell groups contributing to lung cancer susceptibility. Notably, cCREs of rare proliferating epithelial cell types, such as AT2-proliferating (0.13%) and basal cells (1.8%), overlapped with CCVs, including those in TERT. A multi-level cCRE-gene linking system identified candidate susceptibility genes from 57% of lung cancer loci, including those not detected in tissue- or cell-line-based approaches. cCRE-gene linkage uncovered that adjacent genes expressed in different cell types are correlated with distinct subsets of coinherited CCVs, including JAML and MPZL3 at the 11q23.3 locus. Our data revealed the cell types and contexts where the lung cancer susceptibility genes are functional.

Abstract The yft1 tomato mutant has a yellow-fruited phenotype controlled by a recessive gene ( YFT1 ), which has been shown by map-based cloning to be a homolog of ETHYLENE INSENSITIVE 2 ( EIN2 ). The genetic lesion of the YFT1 allele of yft1 is attributed to a 573 bp DNA fragment (IF 573 ) insertion at 1,200 bp downstream of the transcription start site (TSS). Transcriptome analysis revealed that the mutation resulted in 5,053 differentially expressed genes (DEGs) in the fruit pericarp compared with the M82 wild type cultivar. These were annotated as being involved in ethylene synthesis, chromoplast development, and carotenoid synthesis. Genetic lesion in YFT1 caused a reduction in its own transcript levels in yft1 and impaired ethylene emission and signal transduction, delayed chromoplast development and decreased carotenoid accumulation. The molecular mechanism underlying the reduced expression of YFT1 in yft1 was examined at both the RNA and DNA levels. The IF 573 event was shown to introduce two negative regulatory sequences located at -272 to -173 bp and -172 to -73 bp in the YFT1 allele promoter, causing alterative splicing due to aberrant splicing sites, and also altering the structure of the open reading frame in the 5’-UTR. This study contributes to the understanding of color formation in tomato fruit. One-sentence summary Lesion happened in regulatory region impairs expression of a key gene of ethylene signal pathway, and alters fruit color in tomato due to effect of carotenoids accumulation and ethylene synthesis.

GADD45α is a stress-induced gene activated by a variety of stress stimuli, including ultraviolet and ionizing radiation, and involved in cell cycle regulation, apoptosis, maintenance, genomic stability, DNA repair and immune response. However, the effects and regulatory mechanism of GADD45α on proliferation, apoptosis and DNA damage repair of hepatocytes in liver regeneration remains unclear. In this study overexpression of GADD45α significantly inhibited the cell viability, proliferation, the number of cells in G1 and S phases, and of furazolidone (FZD) or UVC induced apoptosis of BRL-3A cells and decreased the inhibition of FZD/UVC on the viability, proliferation of BRL-3A cells, while increased the number of cells in G2/M phase of BRL-3A cells and FZD/UVC induced S phase arrest. Downregulated GADD45α induced the viability, proliferation, the number of cells in S and G2/M phases and the inhibition of FZD/UVC on the viability, proliferation of BRL-3A cells increased, while decreased apoptosis, the number of cells in G1 phases of BRL-3A cells and FZD/UVC induced S phase arrest. The results of qRT-PCR and western blot showed that genes/proteins related to P38MAPK, JNK, CDC2/CCNB1, AKT and MTOR signaling pathways were significantly changed in normal BRL-3A cells. The expression profiles of cell cycle, proliferation and apoptosis related genes/proteins in FZD/UVC treated BRL-3A cells were also detected by qRT-PCR and western blot, and the results indicated that the expression of Myc, Bcl-2, Ccnd1, PCNA, P21, Ccnb1, Caspase3, Caspase8, Caspase9 and Bax have significantly changes.