Existing transgenic RNAi resources in Drosophila melanogaster based on long double-stranded hairpin RNAs are powerful tools for functional studies, but they are ineffective in gene knockdown during oogenesis, an important model system for the study of many biological questions. We show that shRNAs, modeled on an endogenous microRNA, are extremely effective at silencing gene expression during oogenesis. We also describe our progress toward building a genome-wide shRNA resource.

Oxygen sensing is central to metazoan biology and has implications for human disease. Mammalian cells express multiple oxygen-dependent enzymes called 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases (2-OGDDs), but they vary in their oxygen affinities and hence their ability to sense oxygen. The 2-OGDD histone demethylases control histone methylation. Hypoxia increases histone methylation, but whether this reflects direct effects on histone demethylases or indirect effects caused by the hypoxic induction of the HIF (hypoxia-inducible factor) transcription factor or the 2-OG antagonist 2-hydroxyglutarate (2-HG) is unclear. Here, we report that hypoxia promotes histone methylation in a HIF- and 2-HG-independent manner. We found that the H3K27 histone demethylase KDM6A/UTX, but not its paralog KDM6B, is oxygen sensitive. KDM6A loss, like hypoxia, prevented H3K27 demethylation and blocked cellular differentiation. Restoring H3K27 methylation homeostasis in hypoxic cells reversed these effects. Thus, oxygen directly affects chromatin regulators to control cell fate.

Abstract Conditional expression of hairpin constructs in Drosophila is a powerful method to disrupt the activity of single genes with a spatial and temporal resolution that is impossible, or exceedingly difficult, using classical genetic methods. We previously described a method (Ni et al. 2008) whereby RNAi constructs are targeted into the genome by the phiC31-mediated integration approach using Vermilion-AttB-Loxp-Intron-UAS-MCS (VALIUM), a vector that contains vermilion as a selectable marker, an attB sequence to allow for phiC31-targeted integration at genomic attP landing sites, two pentamers of UAS, the hsp70 core promoter, a multiple cloning site, and two introns. As the level of gene activity knockdown associated with transgenic RNAi depends on the level of expression of the hairpin constructs, we generated a number of derivatives of our initial vector, called the “VALIUM” series, to improve the efficiency of the method. Here, we report the results from the systematic analysis of these derivatives and characterize VALIUM10 as the most optimal vector of this series. A critical feature of VALIUM10 is the presence of gypsy insulator sequences that boost dramatically the level of knockdown. We document the efficacy of VALIUM as a vector to analyze the phenotype of genes expressed in the nervous system and have generated a library of 2282 constructs targeting 2043 genes that will be particularly useful for studies of the nervous system as they target, in particular, transcription factors, ion channels, and transporters.

Prognostically relevant RNA expression states exist in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), but our understanding of their drivers, stability, and relationship to therapeutic response is limited.To examine these attributes systematically, we profiled metastatic biopsies and matched organoid models at single-cell resolution.In vivo, we identify a new intermediate PDAC transcriptional cell state and uncover distinct site-and state-specific tumor microenvironments (TMEs).Benchmarking models against this reference map, we reveal strong culture-specific biases in cancer cell transcriptional state representation driven by altered TME signals.We restore expression state heterogeneity by adding back in vivo-relevant factors and show plasticity in culture models.Further, we prove that non-genetic modulation of cell state can strongly influence drug responses, uncovering state-specific vulnerabilities.This work provides a broadly applicable framework for aligning cell states across in vivo and ex vivo settings, identifying drivers of transcriptional plasticity and manipulating cell state to target associated vulnerabilities.

SUMMARY The mammalian cortex is populated by neurons derived from neural progenitors located throughout the embryonic telencephalon. Excitatory neurons are derived from progenitors located in the dorsal telencephalon, while inhibitory interneurons are generated by ventral telencephalic progenitors. The transcriptional regulator PRDM16 is expressed by radial glia, neural progenitors present in both regions; however, its mechanisms of action are still not fully understood. It is unclear if PRDM16 functions plays a role in neurogenesis in both dorsal and ventral progenitor lineages, and if so, whether it does so by regulating common or unique networks of genes. Here, we show that Prdm16 expression in MGE progenitors is required for maintaining their proliferative capacity and for the production of proper numbers of pallial GABAergic interneurons. PRDM16 binds to cis-regulatory elements and represses the expression of region-specific neuronal differentiation genes, thereby controlling the timing of neuronal maturation. Our results highlight the importance of PRDM16 for the development of both excitatory and inhibitory cortical circuits. We demonstrate the existence of convergent developmental gene expression programs regulated by PRDM16, which utilize both common and region-specific sets of genes in the cortex and the MGE to control the proliferative capacity of neural progenitors, ensuring the generation of correct numbers of cortical neurons.

Histone H3.3 is a developmentally essential variant encoded by two independent genes in human (H3F3A and H3F3B). While this two-gene arrangement is evolutionarily conserved, its origins and function remain unknown. Phylogenetics, synteny and gene structure analyses of the H3.3 genes from 32 metazoan genomes indicate independent evolutionary paths for H3F3A and H3F3B. While H3F3B bears similarities with H3.3 genes in distant organisms and with canonical H3 genes, H3F3A is sarcopterygian-specific and evolves under strong purifying selection. Additionally, H3F3B codon-usage preferences resemble those of broadly expressed genes and 'cell differentiation-induced' genes, while codon-usage of H3F3A resembles that of 'cell proliferation-induced' genes. We infer that H3F3B is more similar to the ancestral H3.3 and is likely evolutionarily adapted for broad expression pattern in diverse cellular programs, while H3F3A adapted for a subset of gene expression programs. Thus, the arrangement of two independent H3.3 genes facilitates fine-tuning of H3.3 expression across cellular programs.

Mammalian cells express multiple 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases, including many chromatin regulators. The oxygen affinities, and hence oxygen sensing capabilities, of the 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases reported to date vary widely. Hypoxia can affect chromatin, but whether this reflects a direct effect on chromatin-modifying dioxygenases, or indirect effects caused by the hypoxic-induction of the HIF transcription factor or the endogenous 2-OG competitor 2-hydroxyglutarate (2-HG), is unclear. Here we report that hypoxia induces a HIF- and 2-HG-independent histone modification signature consistent with KDM inactivation. We also show that the H3K27 histone demethylase KDM6A (also called UTX), but not its paralog KDM6B, is oxygen-sensitive. KDM6A loss, like hypoxia, prevented H3K27me3 erasure and blocked differentiation. Conversely, restoring H3K27me3 homeostasis in hypoxic cells reversed these effects. Therefore, oxygen directly affects chromatin regulators to control cell fate.

αβ T-cell receptors (TCRs) recognize aberrant peptides bound to major histocompatibility complex molecules (pMHCs) on unhealthy cells, amplifying specificity and sensitivity through physical load placed on the TCR-pMHC bond during immunosurveillance. To understand this mechanobiology, TCRs stimulated by abundantly and sparsely arrayed epitopes (NP 366-374 /D b and PA 224-233 /D b , respectively) following in vivo influenza A virus infection were studied with optical tweezers. While certain NP repertoire CD8 T lymphocytes require many ligands for activation, others are digital, needing just few. Conversely, all PA TCRs perform digitally, exhibiting pronounced bond lifetime increases through sustained, energizing volleys of structural transitioning. Optimal digital performance is superior in vivo, correlating with ERK phosphorylation, CD3 loss, and activation marker upregulation in vitro . Given neoantigen array paucity, digital TCRs are likely critical for immunotherapies.Quality of ligand recognition in a T-cell repertoire is revealed through application of physical load on clonal T-cell receptor (TCR)-pMHC bonds.