SUMMARY The Bridging Integrator 1 ( BIN1 ) gene is a major susceptibility gene for Alzheimer’s disease (AD). Deciphering its pathophysiological role is challenging due to its numerous isoforms. Here we observed in Drosophila that human BIN1 isoform1 (BIN1iso1) overexpression, contrary to BIN1iso8 and BIN1iso9, induced an accumulation of endosomal vesicles and neurodegeneration. Systematic search for endosome regulators able to prevent BIN1iso1-induced neurodegeneration indicated that a defect at the early endosome level is responsible for the neurodegeneration. In human induced neurons (hiNs) and cerebral organoids, BIN1 knock-out resulted in the narrowing of early endosomes. This phenotype was rescued by BIN1iso1 but not BIN1iso9 expression. Finally, BIN1iso1 overexpression also led to an increase in the size of early endosomes and neurodegeneration in hiNs. Altogether, our data demonstrate that the AD susceptibility gene BIN1 , and especially BIN1iso1, contributes to early-endosome size deregulation, which is an early pathophysiological hallmark of AD pathology.

The mechanism and significance of epigenetic variability in the same cell type between healthy individuals are not clear. Here, we purify human CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) from different individuals and find that there is increased variability of DNA methylation at loci with properties of promoters and enhancers. The variability is especially enriched at candidate enhancers near genes transitioning between silent and expressed states, and encoding proteins with leukocyte differentiation properties. Our findings of increased variability at loci with intermediate DNA methylation values, at candidate "poised" enhancers, and at genes involved in HSPC lineage commitment suggest that CD34+ cell subtype heterogeneity between individuals is a major mechanism for the variability observed. Epigenomic studies performed on cell populations, even when purified, are testing collections of epigenomes, or meta-epigenomes. Our findings show that meta-epigenomic approaches to data analysis can provide insights into cell subpopulation structure.

Summary While cognate antigen drives clonal expansion of memory CD8 + T cells to achieve sterilizing immunity in immunized hosts, not much is known on how cognate antigen contributes to early mechanisms of protection before clonal expansion occurs. Herein, using distinct models of immunization, we establish that cognate antigen recognition by CD8 + T M cells on dendritic cells initiates their rapid and coordinated production of a burst of CCL3, CCL4 and XCL1 chemokines under the transcriptional control of IRF4. Using intravital microscopy imaging and in vivo monoclonal antibody labelling, we reveal that memory CD8 + T cells undergo antigen-mediated arrest in splenic red pulp clusters of CCR2 + monocytes where they locally deliver both IFNγ- and chemokine-potentiating microbicidal activities to achieve early protection. Thus, rapid and effective memory CD8 + T cell responses require a complex series of spatially and temporally coordinated stepwise molecular and cellular events that quickly restrict microbial pathogen growth and optimize the local delivery of effector molecules before clonal expansion occurs.

SUMMARY The heritability of chromatin states through cell division is a potential contributor to the epigenetic maintenance of cellular memory of prior states. The macroH2A histone variant has properties of a regulator of epigenetic cell memory, including roles controlling gene silencing and cell differentiation. Its mechanisms of regional genomic targeting and maintenance through cell division are unknown. Here we combined in vivo imaging with biochemical and genomic approaches to show that human macroH2A is incorporated into chromatin in the G1 phase of the cell cycle following DNA replication. The newly-incorporated macroH2A re-targets the same, large heterochromatic domains where macroH2A was already enriched in the previous cell cycle. It remains heterotypic, targeting individual nucleosomes that do not already contain a macroH2A molecule. The pattern observed resembles that of new deposition of centromeric histone variants during the cell cycle, indicating mechanistic similarities for macrodomain-scale regulation of epigenetic properties of the cell.

Abstract Background Bridging Integrator 1 ( BIN1 ) is the second most important Alzheimer’s disease (AD) risk gene, but its physiological roles in neurons and its contribution to brain pathology remain largely elusive. In this work, we show that BIN1 plays a critical role in the regulation of calcium homeostasis, electrical activity, and gene expression of glutamatergic neurons. Methods We generated 3D cerebral organoids and 2D enriched neuronal cell cultures from isogenic BIN1 wild-type (WT), heterozygous (HET) and homozygous knockout (KO) human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Using single-cell RNA-sequencing, biochemical assays, immunocytochemistry and multi-electrode array(MEA) electrophysiology, we characterized the molecular and functional consequences of reduced BIN1 expression in different neural cell types. Results We show that BIN1 is mainly expressed by oligodendrocytes and glutamatergic neurons of cerebral organoids, like in the human brain. Both BIN1 HET and KO cerebral organoids show specific transcriptional alterations, mainly associated with ion transport and synapses in glutamatergic neurons. We then demonstrate that BIN1 cell-autonomously regulates gene expression in glutamatergic neurons by using a novel protocol to generate pure culture of human-derived induced neurons (hiNs). Using this system, we also show that BIN1 plays a key role in the regulation of neuronal calcium transients and electrical activity via its interaction with the L-type voltage-gated calcium channel Cav 1.2 . BIN1 KO hiNs show reduced activity-dependent internalization and higher Cav 1.2 expression compared to WT hiNs. Pharmacological treatment with clinically relevant doses of nifedipine, a calcium channel blocker, partly rescues neuronal electrical and gene expression alterations in BIN1 KO glutamatergic neurons. Further, we show that transcriptional alterations in BIN1 KO hiNs affecting biological processes related to calcium homeostasis are also present in glutamatergic neurons of the human brain at late stages of AD pathology. Conclusions Together, our findings suggest that BIN1-dependent alterations in neuronal properties could contribute to AD pathophysiology and that treatment with low doses of clinically approved calcium blockers should be considered as an option to dampen disease onset and progression.

Abstract Plasmodium falciparum ( Pf ) malaria causes high rates of morbidity and mortality and lacks a sufficiently effective vaccine. Clinical immunity develops in residents of malaria endemic regions which confers reduced clinical symptoms during infection and protection against severe disease. We hypothesized that understanding the immune mechanisms of clinical immunity could inform vaccine design to improve efficacy. We compared the peripheral blood cellular and humoral immune responses during a mild episode of Pf malaria infection. Participants were classified as either clinically susceptible or clinically protected, based on the number of recurrent clinical infections over an 18-month longitudinal study in a malaria endemic region in Malawi. Susceptible participants had three or more recurrent clinical episodes while clinically immune individuals had one or none. Protected participants exhibited higher plasma immunoglobulin G (IgG) breadth and titers against Pf antigens, and greater antibody (Ab)-dependent Pf opsonization compared to susceptible participants. Using high dimensional mass cytometry (CyTOF), spectral flow cytometry and single-cell transcriptomic analyses, we identified expanded memory CD4 + T cell clones sharing identical T cell receptor clonotypes in the blood of protected participants during malaria infection. These cells express a strong cytolytic T helper 1 effector program with transcripts encoding granzymes (A, B, H, M), granulysin, NKG7 and the Zeb2 master transcriptional regulator of terminally differentiated effector T cells. Memory CD4 + T cells expressing Zeb2 + were CD39 hi TIGIT hi and expressed multiple chemotactic and checkpoint inhibitory receptors, although the cellular levels of several of these receptors were reduced in protected compared to susceptible individuals. We propose that clonally expanded Zeb2 + cytolytic memory CD4 + Th1 cells could represent essential contributors to clinical immunity against Pf malaria. One Sentence Summary A population of cytolytic memory CD4 + T cells is clonally expanded in patients with Plasmodium falciparum malaria and has reduced chemotactic and inhibitory receptor expression in patients with naturally acquired clinical malaria immunity.

Abstract Cognate antigen signal controls CD8 + T cell priming, expansion size and effector versus memory cell fates, but it is not known if and how it modulates the functional features of memory CD8 + T cells. Here we show that the strength of T cell receptor (TCR) signaling determines the requirement for interleukin-2 (IL-2) signals to form a pool of memory CD8 + T cells that competitively re-expand upon secondary antigen encounter. Combining strong TCR and intact IL-2 signaling synergistically induces genome-wide chromatin accessibility in regions targeting a wide breadth of biological processes, consistent with their greater functional fitness. Chromatin accessibility in promoters of genes encoding for stem cell, cell cycle and calcium-related proteins correlated with faster intracellular calcium accumulation, initiation of cell cycle and more robust expansion. High-dimensional flow-cytometry analysis also highlights higher subset diversity and phenotypes. These results formally establish that epitope selection in vaccine design strongly impacts memory CD8 + T cell epigenetic programming and functions. One Sentence Summary The strength of antigenic and interleukin 2 signals received by CD8 + T cells during vaccination epigenetically programs their ability to form functional memory.

Background: From genomic association studies, quantitative trait loci analysis, and epigenomic mapping, it is evident that significant efforts are necessary to define genetic-epigenetic interactions and understand their role in disease susceptibility and progression. For this reason, an analysis of the effects of genetic variation on gene expression and DNA methylation in human placentas at high resolution and whole-genome coverage will have multiple mechanistic and practical implications. Results: By producing and analyzing DNA sequence variation (n=303), DNA methylation (n=303) and mRNA expression data (n=80) from placentas from healthy women, we investigate the regulatory landscape of the human placenta and offer analytical approaches to integrate different types of genomic data and address some potential limitations of current platforms. We distinguish two profiles of interaction between expression and DNA methylation, revealing linear or bimodal effects, reflecting differences in genomic context, transcription factor recruitment, and possibly cell subpopulations. Conclusions: These findings help to clarify the interactions of genetic, epigenetic, and transcriptional regulatory mechanisms in normal human placentas. They also provide strong evidence for genotype-driven modifications of transcription and DNA methylation in normal placentas. In addition to these mechanistic implications, the data and analytical methods presented here will improve the interpretability of genome-wide and epigenome-wide association studies for human traits and diseases that involve placental functions.

Summary Excessive fetal growth is associated with DNA methylation alterations in human hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC), but their functional impact remains elusive. We implemented an integrative analysis combining single-cell epigenomics, single-cell transcriptomics, and in vitro analyses to functionally link DNA methylation changes to putative alterations of HSPC functions. We showed in hematopoietic stem cells (HSC) from large for gestational age neonates that both DNA hypermethylation and chromatin rearrangement target a specific network of transcription factors known to sustain stem cell quiescence. In parallel, we found a decrease expression of key genes regulating HSC differentiation including EGR1, KLF2, SOCS3 , and JUNB . Our functional analyses showed that this epigenetic programming was associated with a decreased ability for HSCs to stay quiescent. Taken together, our multimodal approach using single-cell (epi)genomics showed that human fetal overgrowth affects hematopoietic stem cells quiescence maintenance via epigenetic programming.

Extreme fetal growth is associated with increased susceptibility to a range of adult diseases through an unknown mechanism of cellular memory. We tested whether heritable epigenetic processes in long-lived CD34+ hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs) showed evidence for re-programming associated with the extremes of fetal growth. Here we show that both fetal growth restriction and over-growth are associated with global shifts towards DNA hypermethylation, targeting cis-regulatory elements in proximity to genes involved in glucose homeostasis and stem cell function. A sexually dimorphic response was found, intrauterine growth restriction (IUGR) associated with substantially greater epigenetic dysregulation in males but large for gestational age (LGA) growth affecting females predominantly. The findings are consistent with extreme fetal growth interacting with variable fetal susceptibility to influence cellular aging and metabolic characteristics through epigenetic mechanisms, potentially generating biomarkers that could identify infants at higher risk for chronic disease later in life.