Periodontitis, a prime cause of tooth loss in humans, is implicated in the increased risk of systemic diseases such as heart failure, stroke, and bacterial pneumonia. The mechanisms by which periodontitis and antibacterial immunity lead to alveolar bone and tooth loss are poorly understood. To study the human immune response to specific periodontal infections, we transplanted human peripheral blood lymphocytes (HuPBLs) from periodontitis patients into NOD/SCID mice. Oral challenge of HuPBL-NOD/SCID mice with Actinobacillus actinomycetemcomitans, a well-known Gram-negative anaerobic microorganism that causes human periodontitis, activates human CD4+ T cells in the periodontium and triggers local alveolar bone destruction. Human CD4+ T cells, but not CD8+ T cells or B cells, are identified as essential mediators of alveolar bone destruction. Stimulation of CD4+ T cells by A. actinomycetemcomitans induces production of osteoprotegerin ligand (OPG-L), a key modulator of osteoclastogenesis and osteoclast activation. In vivo inhibition of OPG-L function with the decoy receptor OPG diminishes alveolar bone destruction and reduces the number of periodontal osteoclasts after microbial challenge. These data imply that the molecular explanation for alveolar bone destruction observed in periodontal infections is mediated by microorganism-triggered induction of OPG-L expression on CD4+ T cells and the consequent activation of osteoclasts. Inhibition of OPG-L may thus have therapeutic value to prevent alveolar bone and/or tooth loss in human periodontitis.

Abstract Over 500 noncoding genomic loci are associated with obesity. The majority of these loci reside near genes that are expressed in the hypothalamus in specific neuronal subpopulations that regulate food intake, hindering the ability to identify and functionally characterize them. Here, we carried out integrative single-cell analysis (RNA/ATAC-seq) on both mouse and human male and female hypothalamus to characterize genes and regulatory elements in specific cell subpopulations. Utilizing both transcriptome and regulome data, we identify over 30 different neuronal and non-neuronal cell subpopulations and a shared core of transcription factors that regulate cell cluster-specific genes between mice and humans. We characterize several sex-specific differentially expressed genes and the regulatory elements that control them in specific cell subpopulations. Overlapping cell-specific scATAC peaks with obesity-associated GWAS variants, identifies potential obesity-associated regulatory elements. Using reporter assays and CRISPR editing, we show that many of these sequences, including the top obesity-associated loci ( FTO and MC4R ), are functional enhancers whose activity is altered due to the obesity-associated variant and regulate known obesity genes. Combined, our work provides a catalog of genes and regulatory elements in hypothalamus cell subpopulations and uses obesity to showcase how integrative single-cell sequencing can identify functional variants associated with hypothalamus-related phenotypes.

Abstract Fat distribution differences between males and females are a major risk factor for metabolic disease, but their genetic etiology remains largely unknown. Here, we establish ADGRG6 as a major factor in adipogenesis and gender fat distribution. Deletion of ADGRG6 in human adipocytes impairs adipogenesis due to reduced cAMP signaling. Conditionally knocking out Adgrg6 in mouse adipocytes or deleting an intronic enhancer associated with gender fat distribution generates males with female-like fat deposition, which are protected against high-fat-diet-induced obesity and have improved insulin response. To showcase its therapeutic potential, we demonstrate that CRISPRi targeting of the Adgrg6 promoter or enhancer prevents high-fat-diet-induced obesity. Combined, our results associate ADGRG6 as a gender fat distribution gene and highlight its potential as a therapeutic target for metabolic disease.

ABSTRACT ApoL6 is a new LD-associated protein containing an apoprotein-like domain, expressed mainly in adipose tissue, specifically in adipocytes. ApoL6 expression is low in fasting but induced upon feeding. ApoL6 knockdown results in smaller LD with lower triglyceride (TAG) content in adipocytes, while ApoL6 overexpression causes larger LD with higher TAG content. We show that ApoL6 effect in adipocytes is by inhibition of lipolysis. While ApoL6, Perilipin 1 (Plin1) and HSL can form a complex on LD, C-terminal domain of ApoL6 directly interacts with Plin1, to compete with Plin1 binding to HSL through Plin1 N-terminal domain, thereby keeping HSL in a “stand by” status. Thus, ApoL6 ablation decreases WAT mass, protecting mice from diet-induced obesity, while adipose overexpression increases WAT mass to bring obesity and insulin resistance with hepatosteatosis, making ApoL6 a potential future target against obesity and diabetes.

ABSTRACT Brown adipose tissue is a metabolically beneficial organ capable of dissipating chemical energy into heat, thereby increasing energy expenditure. Here, we identify Dot1L, the only known H3K79 methyltransferase, as an interacting partner of Zc3h10 that transcriptionally activates the UCP1 promoter and other BAT genes. Through a direct interaction, Dot1L is recruited by Zc3h10 to the promoter regions of thermogenic genes to function as a coactivator by methylating H3K79. We also show that Dot1L is induced during brown fat cell differentiation and by cold exposure and that Dot1L and its H3K79 methyltransferase activity is required for thermogenic gene program. Furthermore, we demonstrate that Dot1L ablation in mice using UCP1-Cre prevents activation of UCP1 and other target genes to reduce thermogenic capacity and energy expenditure, promoting adiposity. Hence, Dot1L plays a critical role in the thermogenic program and may present as a future target for obesity therapeutics.

Tumors acquire an increased ability to obtain and metabolize nutrients. Here, we engineered and implanted adipocytes to outcompete tumors for nutrients and show that they can substantially reduce cancer progression. Growing cells or xenografts from several cancers (breast, colon, pancreas, prostate) alongside engineered human adipocytes or adipose organoids significantly suppresses cancer progression and reduces hypoxia and angiogenesis. Transplanting modulated adipocyte organoids in pancreatic or breast cancer mouse models nearby or distal from the tumor significantly suppresses its growth. To further showcase therapeutic potential, we demonstrate that co-culturing tumor organoids derived from human breast cancers with engineered patient-derived adipocytes significantly reduces cancer growth. Combined, our results introduce a novel cancer therapeutic approach, termed adipose modulation transplantation (AMT), that can be utilized for a broad range of cancers.

Frugivory evolved multiple times in mammals, including bats. However, the cellular and molecular components driving it remain largely unknown. Here, we used integrative single-cell sequencing on insectivorous and frugivorous bat kidneys and pancreases and identified key cell population, gene expression and regulatory element differences associated with frugivorous adaptation that also relate to human disease, particularly diabetes. We found an increase in collecting duct cells and differentially active genes and regulatory elements involved in fluid and electrolyte balance in the frugivore kidney. In the frugivorous pancreas, we observed an increase in endocrine and a decrease in exocrine cells and differences in genes and regulatory elements involved in insulin regulation. Combined, our work provides novel insights into frugivorous adaptation that also could be leveraged for therapeutic purposes.