Signaling by the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-κB) involves its release from inhibitor kappa B (IκB) in the cytosol, followed by translocation into the nucleus. NF-κB regulation of IκBα transcription represents a delayed negative feedback loop that drives oscillations in NF-κB translocation. Single-cell time-lapse imaging and computational modeling of NF-κB (RelA) localization showed asynchronous oscillations following cell stimulation that decreased in frequency with increased IκBα transcription. Transcription of target genes depended on oscillation persistence, involving cycles of RelA phosphorylation and dephosphorylation. The functional consequences of NF-κB signaling may thus depend on number, period, and amplitude of oscillations.

The nuclear factor κB (NF-κB) transcription factor regulates cellular stress responses and the immune response to infection. NF-κB activation results in oscillations in nuclear NF-κB abundance. To define the function of these oscillations, we treated cells with repeated short pulses of tumor necrosis factor–α at various intervals to mimic pulsatile inflammatory signals. At all pulse intervals that were analyzed, we observed synchronous cycles of NF-κB nuclear translocation. Lower frequency stimulations gave repeated full-amplitude translocations, whereas higher frequency pulses gave reduced translocation, indicating a failure to reset. Deterministic and stochastic mathematical models predicted how negative feedback loops regulate both the resetting of the system and cellular heterogeneity. Altering the stimulation intervals gave different patterns of NF-κB–dependent gene expression, which supports the idea that oscillation frequency has a functional role.

In individual mammalian cells the expression of some genes such as prolactin is highly variable over time and has been suggested to occur in stochastic pulses. To investigate the origins of this behavior and to understand its functional relevance, we quantitatively analyzed this variability using new mathematical tools that allowed us to reconstruct dynamic transcription rates of different reporter genes controlled by identical promoters in the same living cell. Quantitative microscopic analysis of two reporter genes, firefly luciferase and destabilized EGFP, was used to analyze the dynamics of prolactin promoter-directed gene expression in living individual clonal and primary pituitary cells over periods of up to 25 h. We quantified the time-dependence and cyclicity of the transcription pulses and estimated the length and variation of active and inactive transcription phases. We showed an average cycle period of approximately 11 h and demonstrated that while the measured time distribution of active phases agreed with commonly accepted models of transcription, the inactive phases were differently distributed and showed strong memory, with a refractory period of transcriptional inactivation close to 3 h. Cycles in transcription occurred at two distinct prolactin-promoter controlled reporter genes in the same individual clonal or primary cells. However, the timing of the cycles was independent and out-of-phase. For the first time, we have analyzed transcription dynamics from two equivalent loci in real-time in single cells. In unstimulated conditions, cells showed independent transcription dynamics at each locus. A key result from these analyses was the evidence for a minimum refractory period in the inactive-phase of transcription. The response to acute signals and the result of manipulation of histone acetylation was consistent with the hypothesis that this refractory period corresponded to a phase of chromatin remodeling which significantly increased the cyclicity. Stochastically timed bursts of transcription in an apparently random subset of cells in a tissue may thus produce an overall coordinated but heterogeneous phenotype capable of acute responses to stimuli.

Patients with IDH-wild-type glioblastomas have a poor five-year survival rate along with limited treatment efficacy due to immune cell (glioma-associated microglia and macrophages) infiltration promoting tumour growth and resistance. To enhance therapeutic options, our study investigated the unique RNA-RNA-binding protein complex LOC-DHX15. This complex plays a crucial role in driving immune cell infiltration and tumour growth by establishing a feedback loop between cancer and immune cells, intensifying cancer aggressiveness. Targeting this complex with blood-brain barrier-permeable small molecules improved treatment efficacy, disrupting cell communication and impeding cancer cell survival and stem-like properties. Focusing on RNA-RNA-binding protein interactions emerges as a promising approach not only for glioblastomas without the IDH mutation but also for potential applications beyond cancer, offering new avenues for developing therapies that address intricate cellular relationships in the body.

Abstract Cells respond to inflammatory stimuli such as cytokines by activation of the nuclear factor-κB (NF-κB) signalling pathway, resulting in oscillatory translocation of the transcription factor p65 between nucleus and cytoplasm to mediate immune response. We investigate the relationship between p65 and inhibitor-κBα (IκBα) protein levels and dynamic properties of the system, and how this interaction impacts on the expression of key inflammatory genes. Using bacterial artificial chromosomes, we developed new cell models of IκBα-eGFP protein overexpression in a native genomic context. We find that cells with high levels of the negative regulator IκBα remain responsive to inflammatory stimuli and maintain dynamics for both p65 and IκBα. In contrast, canonical target gene expression is dramatically reduced by overexpression of IκBα, but can be partially rescued by overexpression of p65. Treatment with leptomycin B to promote nuclear accumulation of IκBα also suppresses canonical target gene expression, suggesting a mechanism in which nuclear IκBα accumulation prevents productive p65 interaction with promoter binding sites. This causes reduced target promoter binding and gene transcription, which we validate by chromatin immune precipitation and in primary cells. Overall, we show how inflammatory gene transcription is modulated by the expression levels of both IκBα and p65, and that transcription can be partially decoupled from p65 protein dynamics. This results in an anti-inflammatory effect on transcription, demonstrating a broad mechanism to modulate the strength of inflammatory response.

Abstract Quantification of low abundant membrane-binding proteins such as transcriptional factors and chaperones has been proved difficult even with the most sophisticated analytical technologies. Here we exploit and optimise the non-invasive Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) for quantitation of low abundance proteins and as proof of principle we choose two interacting proteins involved in fission of mitochondria in yeast, Fis1p and Mdv1p. In Saccharomyces cerevisiae the recruitment of Fis1p and Mdv1p to mitochondria is essential for the scission of the organelles and the retention of functional mitochondrial structures in the cell. We used FCS in single, GFP-labelled live yeast cells to quantify the protein abundance in homozygote and heterozygote cells, and to investigate the impact of the environments on protein copy number, bound/unbound protein state and mobility kinetics. Both proteins were observed to localise predominantly at mitochondrial structures with the Mdv1p bound state increasing significantly in a strictly respiratory environment. Moreover, a compensatory mechanism which controls Fis1p abundance upon deletion of one allele was observed in Fis1p but not in Mdv1p, suggesting differential regulation of Fis1p and Mdv1p protein expression.

The environment can influence heterosis, the phenomena in which the offspring of two inbred parents exhibits phenotypic performance beyond the inbred parents for specific traits. In this study we measured 25 traits in a set of 47 maize hybrids and their inbred parents grown in 16 different environments, and each had varying levels of average productivity. By quantifying 25 vegetative and reproductive traits across the life cycle we were able to analyze interactions between the environment and multiple distinct instances of heterosis. The magnitude and rank among hybrids of better-parent heterosis (BPH) varied for the different traits and environments. Across the traits, a higher within plot variance was observed for inbred lines compared to hybrids. However, for most traits, variance across environments was not significantly different for inbred lines compared to hybrids. Further, for many traits the correlations of BPH to hybrid performance and BPH to better parent performance were of comparable magnitude. These results indicate that inbreds and hybrids are showing similar trends in environmental response and are both contribute to genotype-by-environment interactions for heterosis. This study highlights that degree of heterosis is not an inherent trait of a specific hybrid, but varies depending on the trait measured and the environment where that trait is measured. Studies that attempt to correlate molecular processes with heterosis are hindered by the fact that heterosis is not a consistent attribute of a specific hybrid.

Inflorescence capacity plays a crucial role in reproductive fitness in plants, and in production of hybrid crops. Maize is a monoecious species bearing separate male and female flowers (tassel and ear, respectively). The switch from open-pollinated populations of maize to hybrid-based breeding schemes in the early 20th century was accompanied by a dramatic reduction in tassel size, and the trend has continued with modern breeding over the recent decades. The goal of this study was to identify selection signatures in genes that may underlie this dramatic transformation. Using a population of 942 diverse inbred maize accessions and a nested association mapping population comprised of three 200-line biparental populations, we measured 15 tassel morphological characteristics by manual and image-based methods. Genome-wide association studies identified 242 single nucleotide polymorphisms significantly associated with measured traits. We compared 41 unselected lines from the Iowa Stiff Stalk Synthetic (BSSS) population to 21 highly selected lines developed by modern commercial breeding programs and show that tassel size and weight were reduced significantly. We assayed genetic differences between the two groups using selection statistics XP-EHH, XP-CLR, and FST. All three selection statistics show evidence of selection at genomic regions associated with tassel morphology relative to genome-wide null distributions. These results support the tremendous effect, both phenotypic and genotypic, that selection has had on maize male inflorescence morphology.

Specific molecular interactions that underpin the switch between ER stress-triggered autophagy-mediated cellular repair and cellular death by apoptosis are not characterized. This study reports the unexpected interaction elicited by ER stress between the plasma membrane (PM)-localized apoptosis effector PERP and the ER Ca2+ pump SERCA2b. We show that the p53 effector PERP, which specifically induces apoptosis when expressed above a threshold level, has a heterogeneous distribution across the PM of un-stressed cells and is actively turned over by the lysosome. PERP is upregulated following sustained starvation-induced autophagy, which precedes the onset of apoptosis indicating that PERP protein levels are controlled by a lysosomal pathway that is sensitive to cellular physiological state. Furthermore, ER stress stabilizes PERP at the PM and induces its increasing co-localization with SERCA2b at ER-PM junctions. The findings highlight a novel crosstalk between pro-survival autophagy and pro-death apoptosis pathways and identify, for the first time, accumulation of an apoptosis effector to ER-PM junctions in response to ER stress.

We consider how a signalling system can act as an information hub by multiplexing information arising from multiple signals. We formally define multiplexing, mathematically characterise which systems can multiplex and how well they can do it. While the results of this paper are theoretical, to motivate the idea of multiplexing, we provide experimental evidence that tentatively suggests that the NFKB transcription factor can multiplex information about changes in multiple signals. We believe that our theoretical results may resolve the apparent paradox of how a system like NF-κB that regulates cell fate and inflammatory signalling in response to diverse stimuli can appear to have the low information carrying capacity suggested by recent studies on scalar signals. In carrying out our study, we introduce new methods for the analysis of large, nonlinear stochastic dynamic models, and develop computational algorithms that facilitate the calculation of fundamental constructs of information theory such as Kullback--Leibler divergences and sensitivity matrices, and link these methods to new theory about multiplexing information. We show that many current models such as those of the NFKB system cannot multiplex effectively and provide models that overcome this limitation using post-transcriptional modifications.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.