Abstract DNA methylation is an epigenetic mark that is altered in cancer and aging tissues. The effects of extrinsic factors on DNA methylation remain incompletely understood. Microbial dysbiosis is a hallmark of colorectal cancer, and infections have been linked to aberrant DNA methylation in cancers of the GI tract. To determine the microbiota’s impact on DNA methylation, we studied the methylomes of colorectal mucosa in germ-free (no microbiota) and specific-pathogen-free (controlled microbiota) mice, as well as in Il-10 KO mice ( Il10 −/− ) which are prone to inflammation and tumorigenesis in the presence of microbiota. The presence of microbiota was associated with changes in 5% of the methylome and Il10 −/− mice showed alterations in 4.1% of the methylome. These changes were slightly more often hypo than hypermethylation and affected preferentially CpG sites located in gene bodies and intergenic regions. Mice with both Il-10 KO and microbiota showed much more pronounced alterations, affecting 18% of the methylome. When looking specifically at CpG island methylation alterations, a hallmark of aging and cancer, 0.4% were changed by the microbiota, 0.4% were changed by Il10 −/− , while 4% were changed by both simultaneously. These effects are comparable to what is typically seen when comparing colon cancer to normal. We next compared these methylation changes to those seen in aging, and after exposure to the colon carcinogen Azoxymethane (AOM). Aging was associated with alterations in 18% of the methylome, and aging changes were accelerated in the Il10 −/− /SPF mice. By contrast, AOM induced profound hypomethylation that was distinct from the effects of aging or of the microbiota. CpG sites modified by the microbiota were over-represented among DNA methylation changes in colorectal cancer. Thus, the microbiota affects the DNA methylome of colorectal mucosa in patterns reminiscent of what is observed in aging and in colorectal cancer.

Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection inhibits mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and elevates mitochondrial reactive oxygen species (ROS, mROS) which activates hypoxia-inducible factor-1alpha (HIF-1α), shifting metabolism toward glycolysis to drive viral biogenesis but also causing the release of mitochondrial DNA (mtDNA) and activation of innate immunity. To determine whether mitochondrially targeted antioxidants could mitigate these viral effects, we challenged mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) with SARS-CoV-2 and intervened using transgenic and pharmacological mitochondrially targeted catalytic antioxidants. Transgenic expression of mitochondrially targeted catalase (mCAT) or systemic treatment with EUK8 decreased weight loss, clinical severity, and circulating levels of mtDNA; as well as reduced lung levels of HIF-1α, viral proteins, and inflammatory cytokines. RNA-sequencing of infected lungs revealed that mCAT and Eukarion 8 (EUK8) up-regulated OXPHOS gene expression and down-regulated HIF-1α and its target genes as well as innate immune gene expression. These data demonstrate that SARS-CoV-2 pathology can be mitigated by catalytically reducing mROS, potentially providing a unique host-directed pharmacological therapy for COVID-19 which is not subject to viral mutational resistance.

ABSTRACT The Epstein Barr virus (EBV) infects almost 95% of the population worldwide. While typically asymptomatic, EBV latent infection is associated with several malignancies of epithelial and lymphoid origin in immunocompromised individuals. In latently infected cells, the EBV genome persists as a chromatinized episome that expresses a limited set of viral genes in different patterns, referred to as latency types, which coincide with varying stages of infection and various malignancies. We have previously demonstrated that latency types correlate with differences in the composition and structure of the EBV episome. Several cellular factors, including the nuclear lamina, regulate chromatin composition and architecture. While the interaction of the viral genome with the nuclear lamina has been studied in the context of EBV lytic reactivation, the role of the nuclear lamina in controlling EBV latency has not been investigated. Here, we report that the nuclear lamina is an essential epigenetic regulator of the EBV episome. We observed that in B cells, EBV infection affects the composition of the nuclear lamina by inducing the expression of lamin A/C, but only in EBV+ cells expressing the Type III latency program. Using ChIP-Seq, we determined that lamin B1 and lamin A/C bind the EBV genome, and their binding correlates with deposition of the histone repressive mark H3K9me2. By RNA-Seq, we observed that knock-out of lamin A/C in B cells alters EBV gene expression. Our data indicate that the interaction between lamins and the EBV episome contributes to the epigenetic control of viral gene expression during latency, suggesting a restrictive function of the nuclear lamina as part of the host response against viral DNA entry into the nucleus. AUTHOR SUMMARY Epstein-Barr virus (EBV) is a common herpesvirus that establishes a lifelong latent infection in a small fraction of B cells of the infected individuals. In most cases, EBV infection is asymptomatic; however, especially in the context of immune suppression, EBV latent infection is associated with several malignancies. In EBV+ cancer cells, latent viral gene expression plays an essential role in sustaining the cancer phenotype. We and others have established that epigenetic modifications of the viral genome are critical to regulating EBV gene expression during latency. Understanding how the EBV genome is epigenetically regulated during latent infection may help identify new specific therapeutic targets for treating EBV+ malignancies. The nuclear lamina is involved in regulating the composition and structure of the cellular chromatin. In the present study, we determined that the nuclear lamina binds the EBV genome during latency, influencing viral gene expression. Depleting one component of the nuclear lamina, lamin A/C, increased the expression of latent EBV genes associated with cellular proliferation, indicating that the binding of the nuclear lamina with the viral genome is essential to control viral gene expression in infected cells. Our data show for the first time that the nuclear lamina may be involved in the cellular response against EBV infection by restricting viral gene expression.

The intestinal microbiota is an important environmental factor implicated in CRC development. Intriguingly, modulation of DNA methylation by gut microbiota has been reported in preclinical models, although the relationship between tumor-infiltrating bacteria and CIMP status is currently unexplored. In this study, we investigated tumor-associated bacteria in 203 CRC tumor cases and validated the findings using The Cancer Genome Atlas datasets. We assessed the abundance of Bacteroides fragilis, Escherichia coli, Fusobacterium nucleatum, and Klebsiella pneumoniae through qPCR analysis and observed enrichment of all four bacterial species in CRC samples. Notably, except for E. coli, all exhibited significant enrichment in cases of CIMP. This enrichment was primarily driven by a subset of cases distinguished by high levels of these bacteria, which we labeled as "Superhigh". The bacterial Superhigh status showed a significant association with CIMP (odds ratio 3.1, p-value = 0.013) and with MLH1 methylation (odds ratio 4.2, p-value = 0.0025). In TCGA CRC cases (393 tumor and 45 adj. normal), bacterial taxa information was extracted from non-human whole exome sequencing reads, and the bacterial Superhigh status was similarly associated with CIMP (odds ratio 2.9, p < 0.001) and MLH1 methylation (odds ratio 3.5, p < 0.001). Finally, 16S ribosomal RNA gene sequencing revealed high enrichment of Bergeyella spp. C. concisus, and F. canifelinum in CIMP-Positive tumor cases. Our findings highlight that specific bacterial taxa may influence DNA methylation, particularly in CpG islands, and contribute to the development and progression of CIMP in colorectal cancer.

ABSTRACT Stratified squamous epithelium of the esophagus is comprised of basal keratinocytes that execute a terminal differentiation program in overlying suprabasal and superficial cell layers. Although morphologic progression coupled with expression of specific molecular markers has been characterized along the esophageal epithelial differentiation gradient, the molecular heterogeneity within the cell types along this trajectory has yet to be classified at the level of single cell resolution. To explore the molecular characteristics of esophageal keratinocytes along the squamous differentiation continuum, we performed single cell RNA-Sequencing transcriptomic profiling of 7,972 cells from murine esophageal epithelial sheets. We identified 8 distinct cell clusters in esophageal epithelium, unveiling an unexpected level of diversity, particularly among basal cells. We further mapped the cellular pathways and lineage trajectories within basal, suprabasal, and superficial clusters as well as within the heterogeneous basal cell populations, providing a comprehensive molecular view of esophageal epithelial cells in the context of squamous differentiation. Finally, we explored the impact of tissue aging upon esophageal epithelial cell clusters and demonstrated that mitochondrial dysfunction is a feature of aging in normal esophageal epithelium. These studies provide an unparalleled molecular perspective on murine esophageal keratinocytes that will serve as a valuable resource for dissecting cell type-specific roles in esophageal biology under conditions of homeostasis, aging, and tissue pathology.