Methylation of arginine (Arg) and lysine residues in histones has been correlated with epigenetic forms of gene regulation. Although histone methyltransferases are known, enzymes that demethylate histones have not been identified. Here, we demonstrate that human peptidylarginine deiminase 4 (PAD4) regulates histone Arg methylation by converting methyl-Arg to citrulline and releasing methylamine. PAD4 targets multiple sites in histones H3 and H4, including those sites methylated by coactivators CARM1 (H3 Arg 17 ) and PRMT1 (H4 Arg 3 ). A decrease of histone Arg methylation, with a concomitant increase of citrullination, requires PAD4 activity in human HL-60 granulocytes. Moreover, PAD4 activity is linked with the transcriptional regulation of estrogen-responsive genes in MCF-7 cells. These data suggest that PAD4 mediates gene expression by regulating Arg methylation and citrullination in histones.

Adult stem cells often divide asymmetrically to produce one self-renewed stem cell and one differentiating cell, thus maintaining both populations. The asymmetric outcome of stem cell divisions can be specified by an oriented spindle and local self-renewal signals from the stem cell niche. Here we show that developmentally programmed asymmetric behavior and inheritance of mother and daughter centrosomes underlies the stereotyped spindle orientation and asymmetric outcome of stem cell divisions in the Drosophila male germ line. The mother centrosome remains anchored near the niche while the daughter centrosome migrates to the opposite side of the cell before spindle formation.

The restrictive nature of the blood-brain barrier (BBB) creates a major challenge for brain drug delivery with current nanomedicines lacking the ability to cross the BBB. Extracellular vesicles (EVs) have been shown to contribute to the progression of a variety of brain diseases including metastatic brain cancer and have been suggested as promising therapeutics and drug delivery vehicles. However, the ability of native tumor-derived EVs to breach the BBB and the mechanism(s) involved in this process remain unknown. Here, we demonstrate that tumor-derived EVs can breach the intact BBB in vivo, and by using state-of-the-art in vitro and in vivo models of the BBB, we have identified transcytosis as the mechanism underlying this process. Moreover, high spatiotemporal resolution microscopy demonstrated that the endothelial recycling endocytic pathway is involved in this transcellular transport. We further identify and characterize the mechanism by which tumor-derived EVs circumvent the low physiologic rate of transcytosis in the BBB by decreasing the brain endothelial expression of rab7 and increasing the efficiency of their transport. These findings identify previously unknown mechanisms by which tumor-derived EVs breach an intact BBB during the course of brain metastasis and can be leveraged to guide and inform the development of drug delivery approaches to deliver therapeutic cargoes across the BBB for treatment of a variety of brain diseases including, but not limited to, brain malignancies.

The myelin sheath allows axons to conduct action potentials rapidly in the vertebrate nervous system. Axonal signals activate expression of specific transcription factors, including Oct6 and Krox20, that initiate myelination in Schwann cells. Elevation of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) can mimic axonal contact in vitro, but the mechanisms that regulate cAMP levels in vivo are unknown. Using mutational analysis in zebrafish, we found that the G protein-coupled receptor Gpr126 is required autonomously in Schwann cells for myelination. In gpr126 mutants, Schwann cells failed to express oct6 and krox20 and were arrested at the promyelinating stage. Elevation of cAMP in gpr126 mutants, but not krox20 mutants, could restore myelination. We propose that Gpr126 drives the differentiation of promyelinating Schwann cells by elevating cAMP levels, thereby triggering Oct6 expression and myelination.

Transcription and metabolism both influence cell function, but dedicated transcriptional control of metabolic pathways that regulate cell fate has rarely been defined. We discovered, using a chemical suppressor screen, that inhibition of the pyrimidine biosynthesis enzyme dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) rescues erythroid differentiation in bloodless zebrafish moonshine (mon) mutant embryos defective for transcriptional intermediary factor 1 gamma (tif1γ). This rescue depends on the functional link of DHODH to mitochondrial respiration. The transcription elongation factor TIF1γ directly controls coenzyme Q (CoQ) synthesis gene expression. Upon tif1γ loss, CoQ levels are reduced, and a high succinate/α-ketoglutarate ratio leads to increased histone methylation. A CoQ analog rescues mon's bloodless phenotype. These results demonstrate that mitochondrial metabolism is a key output of a lineage transcription factor that drives cell fate decisions in the early blood lineage.

Abstract The hematopoietic niche is a supportive microenvironment comprised of distinct cell types, including specialized vascular endothelial cells that directly interact with hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The molecular factors that specify niche endothelial cells and orchestrate HSPC homeostasis remain largely unknown. Using multi-dimensional gene expression and chromatin accessibility analyses, we define a conserved gene expression signature and cis -regulatory landscape unique to sinusoidal endothelial cells in the HSPC niche. Using enhancer mutagenesis and transcription factor overexpression, we elucidate a transcriptional code involving members of the Ets, Sox and Nuclear Hormone Receptor families that is sufficient to induce ectopic niche endothelial cells that associate with mesenchymal stromal cells and support the recruitment, maintenance and division of HSPCs in vivo . These studies set forth an approach for generating synthetic HSPC niches, in vitro or in vivo , and for effective therapies to modulate the endogenous niche.

Epoxyeicosatrienoic acids (EETs) are endogenous lipid signaling molecules with cardioprotective and vasodilatory actions. We recently showed that exogenous addition of 11,12-EET enhances hematopoietic induction and engraftment in mice and zebrafish. EETs are known to signal via a G-protein coupled receptor(s), and significant research supports the existence of a specific high-affinity receptor. Identification of a hematopoietic specific EET receptor would enable genetic interrogation of the EET signaling pathway and perhaps clinical use of this molecule. We developed a bioinformatic approach to identify the EET receptor based on the expression of GPCRs in cell lines with differential responses to EETs. We found 10 candidate EET receptors that are commonly expressed in three EET-responsive human cell lines, but not expressed in an EET-unresponsive line. Of these candidates, only GPR132 showed EET-responsiveness in vitro using a luminescence-based assay for β-arrestin recruitment. Knockdown of zebrafish gpr132b prevented EET-induced hematopoiesis, and marrow from GPR132 knockout mice showed decreased long-term engraftment capability. In contrast to the putative high-affinity EET receptor, GPR132 is reported to have affinity for additional fatty acids in vitro, and we found that these same fatty acids enhance hematopoietic stem cell specification in the zebrafish. We conducted structure-activity relationship analyses using both in vitro and in vivo assays on diverse medium chain fatty acids. Certain oxygenated, unsaturated free fatty acids showed high activation of GPR132, while unoxygenated or saturated fatty acids had lower activity. Absence of the carboxylic acid moiety prevented activity, suggesting that this moiety is required for receptor activation. GPR132 responds to a select panel of polyunsaturated, oxygenated fatty acids to enhance both embryonic and adult hematopoiesis.