Human astrocytes are larger and more complex than those of infraprimate mammals, suggesting that their role in neural processing has expanded with evolution. To assess the cell-autonomous and species-selective properties of human glia, we engrafted human glial progenitor cells (GPCs) into neonatal immunodeficient mice. Upon maturation, the recipient brains exhibited large numbers and high proportions of both human glial progenitors and astrocytes. The engrafted human glia were gap-junction-coupled to host astroglia, yet retained the size and pleomorphism of hominid astroglia, and propagated Ca2+ signals 3-fold faster than their hosts. Long-term potentiation (LTP) was sharply enhanced in the human glial chimeric mice, as was their learning, as assessed by Barnes maze navigation, object-location memory, and both contextual and tone fear conditioning. Mice allografted with murine GPCs showed no enhancement of either LTP or learning. These findings indicate that human glia differentially enhance both activity-dependent plasticity and learning in mice.

Protoplasmic astrocytes are critically important to energy metabolism in the CNS. Our current understanding of the metabolic interactions between neurons and glia is based on studies using cultured cells, from which mainly inferential conclusions have been drawn as to the relative roles of neurons and glia in brain metabolism. In this study, we used functional genomics to establish the relative compartmentalization of neuronal and astrocytic metabolic pathways in the adult brain. To this end, fluorescence-activated cell sorting was used to directly isolate neurons and protoplasmic astrocytes from the cortex of adult mice. Microarray analysis showed that astrocytes and neurons each express transcripts predicting individual self-sufficiency in both glycolysis and oxidative metabolism. Surprisingly, most enzymes in the tricarboxylic acid (TCA) cycle were expressed at higher relative levels in astrocytes than in neurons. Mass spectrometric analysis of the TCA cycle intermediates confirmed that freshly isolated adult astrocytes maintained an active TCA cycle, whereas immuno-electron microscopy revealed that fine astrocytic processes encompassing synapses contained a higher density of mitochondria than surrounding cells. These observations indicate that astrocytes exhibit robust oxidative metabolism in the intact adult brain and suggest a prominent contribution of astrocytic metabolism to functional brain imaging, including BOLD (blood-oxygen level-dependent) functional magnetic resonance imaging signals.

INTRODUCTION The Saccharomyces cerevisiae 2.0 project (Sc2.0) aims to modify the yeast genome with a series of densely spaced designer changes. Both a synthetic yeast chromosome arm (synIXR) and the entirely synthetic chromosome (synIII) function with high fitness in yeast. For designer genome synthesis projects, precise engineering of the physical sequence to match the specified design is important for the systematic evaluation of underlying design principles. Yeast can maintain nuclear chromosomes as rings, occurring by chance at repeated sequences, although the cyclized format is unfavorable in meiosis given the possibility of dicentric chromosome formation from meiotic recombination. Here, we describe the de novo synthesis of synthetic yeast chromosome V (synV) in the “Build-A-Genome China” course, perfectly matching the designer sequence and bearing loxPsym sites, distinguishable watermarks, and all the other features of the synthetic genome. We generated a ring synV derivative with user-specified cyclization coordinates and characterized its performance in mitosis and meiosis. RATIONALE Systematic evaluation of underlying Sc2.0 design principles requires that the final assembled synthetic genome perfectly match the designed sequence. Given the size of yeast chromosomes, synthetic chromosome construction is performed iteratively, and new mutations and unpredictable events may occur during synthesis; even a very small number of unintentional nucleotide changes across the genome could have substantial effects on phenotype. Therefore, precisely matching the physical sequence to the designed sequence is crucial for verification of the design principles in genome synthesis. Ring chromosomes can extend those design principles to provide a model for genomic rearrangement, ring chromosome evolution, and human ring chromosome disorders. RESULTS We chemically synthesized, assembled, and incorporated designer chromosome synV (536,024 base pairs) of S. cerevisiae according to Sc2.0 principles, based on the complete nucleotide sequence of native yeast chromosome V (576,874 base pairs). This work was performed as part of the “Build-A-Genome China” course in Tianjin University. We corrected all mutations found—including duplications, substitutions, and indels—in the initial synV strain by using integrative cotransformation of the precise desired changes and by means of a clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9)–based method. Altogether, 3331 corrected base pairs were required to match to the designed sequence. We generated a strain that exactly matches all designer sequence changes that displays high fitness under a variety of culture conditions. All corrections were verified with whole-genome sequencing; RNA sequencing revealed only minor changes in gene expression—most notably, decreases in expression of genes relocated near synthetic telomeres as a result of design. We constructed a functional circular synV (ring_synV) derivative in yeast by precisely joining both chromosome ends (telomeres) at specified coordinates. The ring chromosome showed restoration of subtelomeric gene expression levels. The ring_synV strain exhibited fitness comparable with that of the linear synV strain, revealed no change in sporulation frequency, but notably reduced spore viability. In meiosis, heterozygous or homozygous diploid ring_wtV and ring_synV chromosomes behaved similarly, exhibiting substantially higher frequency of the formation of zero-spore tetrads, a type that was not seen in the rod chromosome diploids. Rod synV chromosomes went through meiosis with high spore viability, despite no effort having been made to preserve meiotic competency in the design of synV. CONCLUSION The perfect designer-matched synthetic chromosome V provides strategies to edit sequence variants and correct unpredictable events, such as off-target integration of extra copies of synthetic DNA elsewhere in the genome. We also constructed a ring synthetic chromosome derivative and evaluated its fitness and stability in yeast. Both synV and synVI can be circularized and can power yeast cell growth without affecting fitness when gene content is maintained. These fitness and stability phenotypes of the ring synthetic chromosome in yeast provide a model system with which to probe the mechanism of human ring chromosome disorders. Synthesis, cyclization, and characterization of synV . ( A ) Synthetic chromosome V (synV, 536,024 base pairs) was designed in silico from native chromosome V (wtV, 576,874 base pairs), with extensive genotype modification designed to be phenotypically neutral. ( B ) CRISPR/Cas9 strategy for multiplex repair. ( C ) Colonies of wtV, synV, and ring_synV strains.

Abstract Summary As DNA sequencing data is available for personal use, genomic privacy is becoming a major challenge. Nevertheless, high-throughput genomic data analysis outsourcing is performed using pipelines that tend to overlook these challenges. Results We present a client-server-based outsourcing framework for genotype imputation, an important step in genomic data analyses. Genotype data is encrypted by the client and encrypted data are used by the server that never observes the data in plain. Cloud-based framework can benefit from virtually unlimited computational resources while providing provable confidentiality. We demonstrate server’s utility from several aspects using genotype dataset from the 1000 Genomes datasets. First, we benchmark the accuracy of common variant imputation in comparison to BEAGLE, a state-of-the-art imputation method. We also provide the detailed time requirements of the server to showcase scaling of time usage in different steps of imputation. We also present a simple correlation metric that can be used to estimate imputation accuracy using only the reference panels. This is important for filtering the variants in downstream analyses. As a further demonstration and a different use case, we performed a simulated genomewide association study (GWAS) using imputed and known genotypes and highlight potential utility of the server for association studies. Overall, our study present multiple lines of evidence for usability of secure imputation service. Availability Server is publicly available at https://www.secureomics.org/OpenImpute . Users can anonymously test and use imputation server without registration. Contact Arif.O.Harmanci@uth.tmc.edu

Abstract Microtubules are polar filaments built from αβ-tubulin heterodimers that exhibit a range of architectures in vitro and in vivo . Tubulin heterodimers are arranged helically in the microtubule wall but many physiologically relevant architectures exhibit a break in helical symmetry known as the seam. Noisy 2D cryo-electron microscopy projection images of pseudo-helical microtubules therefore depict distinct but highly similar views owing to the high structural similarity of α- and β-tubulin. The determination of the αβ-tubulin register and seam location during image processing is essential for alignment accuracy that enables determination of biologically relevant structures. Here we present a pipeline designed for image processing and high-resolution reconstruction of cryo-electron microscopy microtubule datasets, based in the popular and user-friendly RELION image-processing package, Mi crotubule R ELION-based P ipeline (MiRP) . The pipeline uses a combination of supervised classification and prior knowledge about geometric lattice constraints in microtubules to accurately determine microtubule architecture and seam location. The presented method is fast and semi-automated, producing near-atomic resolution reconstructions with test datasets that contain a range of microtubule architectures and binding proteins. Abbreviations MiRP, Microtubule RELION-based Pipeline; cryo-EM, cryo-electron microscopy; MT, microtubule; CTF, contrast transfer function; PF, protofilament.

Abstract Prior studies have described the complex interplay that exists between glioma cells and neurons, however, the electrophysiological properties endogenous to tumor cells remain obscure. To address this, we employed Patch-sequencing on human glioma specimens and found that one third of patched cells in IDH mutant (IDH mut ) tumors demonstrate properties of both neurons and glia by firing single, short action potentials. To define these hybrid cells (HCs) and discern if they are tumor in origin, we developed a computational tool, Single Cell Rule Association Mining (SCRAM), to annotate each cell individually. SCRAM revealed that HCs represent tumor and non-tumor cells that feature GABAergic neuron and oligodendrocyte precursor cell signatures. These studies are the first to characterize the combined electrophysiological and molecular properties of human glioma cells and describe a new cell type in human glioma with unique electrophysiological and transcriptomic properties that are likely also present in the non-tumor mammalian brain.

Abstract The reactivation of neurodevelopmental programs in cancer highlights parallel biological processes that occur in both normal development and brain tumors. Achieving a deeper understanding of how dysregulated developmental factors play a role in the progression of brain tumors is therefore crucial for identifying potential targets for therapeutic interventions. Single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) provides an opportunity to understand how developmental programs are dysregulated and reinitiated in brain tumors at single-cell resolution. Here, we introduce COORS (Cell Of ORigin like CellS), as a computational tool trained on developmental human brain single-cell datasets that enables annotation of “developmental-like” cell states in brain tumor cells. Applying COORS to various brain cancer datasets, including medulloblastoma (MB), glioma, and diffuse midline glioma (DMG), we identified developmental-like cells that represent putative cells of origin in these tumors. Our work adds to our cumulative understanding of brain tumor heterogeneity and helps pave the way for tailored treatment strategies.

Abstract Estimation of genetic relatedness, or kinship, is used occasionally for recreational purposes and in forensic applications. While numerous methods were developed to estimate kinship, they suffer from high computational requirements and often make an untenable assumption of homogeneous population ancestry of the samples. Moreover, genetic privacy is generally overlooked in the usage of kinship estimation methods. There can be ethical concerns about finding unknown familial relationships in 3 rd party databases. Similar ethical concerns may arise while estimating and reporting sensitive population-level statistics such as inbreeding coefficients for the concerns around marginalization and stigmatization. Here, we make use of existing reference panels with a projection-based approach that simplifies kinship estimation in the admixed populations. We use simulated and real datasets to demonstrate the accuracy and efficiency of kinship estimation. We present a secure federated kinship estimation framework and implement a secure kinship estimator using homomorphic encryption-based primitives for computing relatedness between samples in 2 different sites while genotype data is kept confidential.

Abstract Background Sequencing of thousands of samples provides genetic variants with allele frequencies spanning a very large spectrum and gives invaluable insight for genetic determinants of diseases. Protecting the genetic privacy of participants is challenging as only a few rare variants can easily re-identify an individual among millions. In certain cases, there are policy barriers against sharing genetic data from indigenous populations and stigmatizing conditions. Results We present SVAT, a method for secure outsourcing of variant annotation and aggregation, which are two basic steps in variant interpretation and detection of causal variants. SVAT uses homomorphic encryption to encrypt the data at the client-side. The data always stays encrypted while it is stored, in-transit, and most importantly while it is analyzed. SVAT makes use of a vectorized data representation to convert annotation and aggregation into efficient vectorized operations in a single framework. Also, SVAT utilizes a secure re-encryption approach so that multiple disparate genotype datasets can be combined for federated aggregation and secure computation of allele frequencies on the aggregated dataset. Conclusions Overall, SVAT provides a secure, flexible, and practical framework for privacy-aware outsourcing of annotation, filtering, and aggregation of genetic variants. SVAT is publicly available for download from https://github.com/harmancilab/SVAT