Abstract Global profile of gene expression at single-cell resolution remains to be determined for primates. Using a recently developed technology (“Stereo-seq”), we have obtained a comprehensive single-cell spatial transcriptome map at the whole-brain level for cynomolgus monkeys, with ∼600 genes per cell for 10 μm-thick coronal sections (up to 15 cm 2 in size). Large-scale single-nucleus RNA-seq analysis for ∼1 million cells helped to identify cell types corresponding to Stereo-seq gene expression profiles, providing a 3-D cell type atlas of the monkey brain. Quantitative analysis of Stereo-seq data revealed molecular fingerprints that mark distinct neocortical layers and subregions, as well as domains within subcortical structures including hippocampus, thalamus, striatum, cerebellum, hypothalamus and claustrum. Striking whole-brain topography and coordinated patterns were found in the expression of genes encoding receptors and transporters for neurotransmitters and neuromodulators. These results pave the way for cellular and molecular understanding of organizing principles of the primate brain.

DNA methylation is essential for maintenance of stable repression of gene transcription during differentiation and tumorigenesis. Demethylating reagents including decitabine could release the repression, leading to perturbed transcription program. Recently others and we showed that, in B cell lymphomas, decitabine repressed B cell specific gene transcription and activated NF-κB signaling, causing decreased expression of translocated oncogenes including MYC and attenuated tumor cell proliferation. During osteoclastogenesis, changes in DNA methylation occurred in numerous genes, implicating important roles for DNA methylation in osteoclastogenesis. In the present study, we found that decitabine inhibited osteoclastogenesis. The inhibitory effect could be at least partially attributed to reduced expression of multiple osteoclast specific genes including RANK by decitabine. Moreover, decitabine inhibited activity of NF-κB, AP-1 and extracellular signal-regulated kinase (ERK), but not PI3K/Akt pathway. In vivo, using ovariectomized mouse as a model, we observed that decitabine reduced the osteoclast activity and bone loss. In conclusion, our findings demonstrated that decitabine was an inhibitor of osteoclastogenesis by repression of osteoclast specific transcription program including the RANK, NF-κB and AP-1 pathways. DNA methylation might be indispensable for osteoclastogenesis. The use of decitabine could represent a novel strategy in treatment of diseases associated with increased osteoclast activity.

Abstract Four endemic human coronaviruses (HCoVs) are commonly associated with acute respiratory infection in humans. B cell responses to these “common cold” viruses remain incompletely understood. Here we report a comprehensive analysis of CoV-specific antibody repertoires in 231 children and 1168 adults using phage-immunoprecipitation sequencing. Seroprevalence of antibodies to endemic HCoVs ranged between ~4 and 27% depending on the species and cohort. We identified at least 136 novel linear B cell epitopes. Antibody repertoires against endemic HCoVs were qualitatively different between children and adults in that anti-HCoV IgG specificities more frequently found among children targeted functionally important and structurally conserved regions of the spike, nucleocapsid and matrix proteins. Moreover, antibody specificities targeting the highly conserved fusion peptide region and S2’ cleavage site of the spike protein were broadly cross-reactive with peptides of epidemic human and non-human coronaviruses. In contrast, an acidic tandem repeat in the N-terminal region of the Nsp3 subdomain of the HCoV-HKU1 polyprotein was the predominant target of antibody responses in adult donors. Our findings shed light on the dominant species-specific and pan-CoV target sites of human antibody responses to coronavirus infection, thereby providing important insights for the development of prophylactic or therapeutic monoclonal antibodies and vaccine design.

Abstract A defining feature of sleep is reduced responsiveness to external stimuli, but the mechanisms gating sensory-evoked arousal remain unclear. We hypothesized that reduced locus-coeruleus norepinephrine (LC-NE) activity during sleep mediates unresponsiveness, and its action promotes sensory-evoked awakenings. We tested this using electrophysiological, behavioral, pharmacological, and optogenetic techniques alongside auditory stimulation in freely behaving rats. We found that systemic reduction of NE signaling lowered probability of sound-evoked awakenings (SEAs). The level of tonic LC activity during sleep anticipated SEAs. Optogenetic LC activation promoted arousal as evident in sleep-wake transitions, EEG desynchronization, and pupil dilation. Importantly, liminal LC excitation before sound presentation increased SEA probability. Optogenetic LC silencing using a soma-targeted anion-conducting channelrhodopsin (stGtACR2) suppressed LC spiking and constricted pupils. Brief periods of LC opto-silencing reduced the probability of SEAs. Thus, LC-NE activity determines the likelihood of sensory-evoked awakenings and its reduction during sleep constitutes a key factor mediating behavioral unresponsiveness.

ABSTRACT Chronic kidney disease (CKD) has a complex genetic underpinning. Genome-wide association studies (GWAS) of CKD-defining glomerular filtration rate (GFR) have identified hundreds of loci, but prioritization of variants and genes is challenging. To expand and refine GWAS discovery, we meta-analyzed GWAS data for creatinine-based estimated GFR (eGFRcrea) from the Chronic Kidney Disease Genetics Consortium (CKDGen, n=765,348, trans-ethnic) and UK Biobank (UKB, n=436,581, Europeans). The results (i) extend the number of eGFRcrea loci (424 loci; 201 novel; 8.9% eGFRcrea variance explained by 634 independent signals); (ii) improve fine-mapping resolution (138 99% credible sets with ≤5 variants, 44 single-variant sets); (iii) ascertain likely kidney function relevance for 343 loci (consistent association with alternative biomarkers); and (iv) highlight 34 genes with strong evidence by a systematic Gene PrioritiSation (GPS). We provide a sortable, searchable and customizable GPS tool to navigate through the in silico functional evidence and select relevant targets for functional investigations.

Abstract As a foundation to understand the molecular mechanisms of peach evolution and high-altitude adaptation, we performed de novo genome assembling of four wild relatives of P. persica, P. mira, P. kansuensis, P. davidiana and P. ferganensis . Through comparative genomic analysis, abundant genetic variations were identified in four wild species when compared to P. persica . Among them, a deletion, located at the promoter of Prupe.2G053600 in P. kansuensis , was validated to regulate the resistance to nematode. Next, a pan-genome was constructed which comprised 15,216 core gene families among four wild peaches and P. perisca . We identified the expanded and contracted gene families in different species and investigated their roles during peach evolution. Our results indicated that P. mira was the primitive ancestor of cultivated peach, and peach evolution was non-linear and a cross event might have occurred between P. mira and P. dulcis during the process. Combined with the selective sweeps identified using accessions of P. mira originating from different altitude regions, we proposed that nitrogen recovery was essential for high-altitude adaptation of P. mira through increasing its resistance to low temperature. The pan-genome constructed in our study provides a valuable resource for developing elite cultivars, studying the peach evolution, and characterizing the high-altitude adaptation in perennial crops.

ABSTRACT Background Nicotine biosynthesis is mainly regulated by jasmonate (JA) signaling cascade in Nicotiana tabacum . As an allotetraploid species, the regulation of nicotine biosynthesis has been genetically verified via two unlinked NIC loci (named as NIC1 and NIC2 ) which are possibly originated from its two ancestral diploids. Previously, a N. tomentosiformis originated ethylene response factor ( ERF ) gene cluster was identified as the NIC2 -locus which has been demonstrated positively regulates nicotine accumulation in N. tabacum . Results Here, we describe the genetic mapping of NIC1 -locus, the major nicotine regulatory locus, by using a NIC1 -locus segregating population through bulked segregant analysis. We identified two linkage marker TM23004 and TM22038 were delimited the NIC1 -locus within a ~34.3-Mb genomic region at pseudochromosome 07 of tobacco genome. Genomic scan within this region revealed a NIC2 - like locus ERF gene cluster exist in. To verify this ERF gene cluster is the genetically called “ NIC1 -locus”, different functional experiments based on most of the ERFs in regulating nicotine biosynthesis and their influences on alkaloid accumulations have been carried out. Collinearity analysis showed that NIC1 -locus ERF genes are originated from N. sylvestris and exclusively expressed in root tissues. In addition, transcriptomic results indicate that NIC1 -locus ERF genes are coexpressed with the NIC2 -locus ERF genes and other nicotine biosynthetic genes and regulators after JA induction. Furthermore, the suppressed expression of four ERFs of the NIC1 -locus genes corresponding with decreased NtPMT and NtQPT expression in NtMYC2 -RNAi lines indicates the selected NIC1 -locus ERFs function in downstream of NtMYC2 in the JA signaling cascades. In the meanwhile, the alkaloid levels are also determined by the amplitude of the four ERF gene expressions in both wild type and LA mutant. Additionally, in vitro binding assays, transient activation assays, and ectopic expression in transgenic plants demonstrate that these ERF genes are able to bind the GCC-box elements residing in the step-limiting gene promoters (such as NtPMT2 , NtQPT2 ) and functional redundant but quantitatively transactivate nicotine biosynthetic gene expression. For nic1 -locus mutation, two different sizes of deletions ( nic1-S and nic1-B ) were identified which occurred at the surrounding regions of the NIC1 -locus gene cluster, which might disrupt, to some extent, chromosomal microenvironment and change gene expression around the deletion regions (including NIC1 -locus ERFs ), resulting in the decreased expression levels of NIC1 -locus ERFs (such as NtERF199 ) and reduced alkaloid accumulation in the nic1 -locus mutant. Conclusions Our findings not only provide insight in to the mechanism of the NIC1 -locus ERFs in the regulatory network of nicotine biosynthesis, but also unraveled the theoretical basis of the nic1 -locus mutation in low nicotine mutant. These functional verified NIC1 -locus ERF genes can be further used as potential target(s) for ethyl methanesulfonate-based mutagenesis to manipulate nicotine level in tobacco variety in tobacco breeding program.

Abstract Motivation Cryo-electron tomography (Cryo-ET) with sub-tomogram averaging (STA) is indispensable when studying macromolecule structures and functions in their native environments. However, current tomographic reconstructions suffer the low signal-to-noise (SNR) ratio and the missing wedge artifacts. Hence, automatic and accurate macromolecule localization and classification become the bottleneck problem for structural determination by STA. Here, we propose a 3D multi-scale dense convolutional neural network (MSDNet) for voxel-wise annotations of tomograms. Weighted focal loss is adopted as a loss function to solve the class imbalance. The proposed network combines 3D hybrid dilated convolutions (HDC) and dense connectivity to ensure an accurate performance with relatively few trainable parameters. 3D HDC expands the receptive field without losing resolution or learning extra parameters. Dense connectivity facilitates the re-use of feature maps to generate fewer intermediate feature maps and trainable parameters. Then, we design a 3D MSDNet based approach for fully automatic macromolecule localization and classification, called VP-Detector (Voxel-wise Particle Detector). VP-Detector is efficient because classification performs on the pre-calculated coordinates instead of a sliding window. Results We evaluated the VP-Detector on simulated tomograms. Compared to the state-of-the-art methods, our method achieved a competitive performance on localization with the highest F1-score. We also demonstrated that the weighted focal loss improves the classification of hard classes. We trained the network on a part of training sets to prove the availability of training on relatively small datasets. Moreover, the experiment shows that VP-Detector has a fast particle detection speed, which costs less than 14 minutes on a test tomogram. Contact zsh@amss.ac.cn , xfcui@email.sdu.edu.cn , zhangfa@ict.ac.cn Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Abstract Cashmere evolved naturally in the goat, and almost all breeds of goat can produce more or less cashmere fibers. However, the genetic alterations underlying cashmere trait selection are still unclear.We sequenced 120 Chinese native goat including two cashmere goat breeds (Ujumain, Chaidamu) and six ordinary goat breeds (Jining Gray, Matou, Guizhou Black, Jintang Black, Yunnan Black Bone, Chengdu Brown). The genome-wide selective sweep of cashmere goat and ordinary goat revealed a novel set of candidate genes as well as pathways, such as Nuclear factor kappa-B and Wnt Signaling pathways. Of them, the LHX2 gene regulating hair follicle development, was evident from the strongest selection signal when comparing the Uhumqin cashmere goat and ordinary goat. Interestingly, we identified a 582bp deletion at 367 kb upstream of LHX2 with higher frequency in cashmere goats and their ancient relatives. This mutation probably rises along the breeding procedures, and is putatively responsible for cashmere production and diameter, as revealed by association studies. Luciferase assay shows that the deletion, which acts as an insulator, restrains the expression of LHX2 by interfering its upstream enhancers.Our study discovers a novel insulator of the LHX2 involved in regulating cashmere production and diameter, which would be beneficial to understanding hair follicle development and regeneration. Our findings also provide new insights into the genetic formation of cashmere, and facilitate subsequent molecular breeding for cashmere goat improvement.

Abstract Low barrier hydrogen bond (LBHB) is a special type of hydrogen bond which occurs where two heteroatoms with similar p Ka values share a single proton resulting in an unusually strong and short hydrogen bond. LBHBs in protein play important roles in enzyme catalysis and maintaining protein structural integrity but its other biochemical roles are unknown. Here we report a novel function of LBHB in selectively inducing tubulin protein degradation. A tubulin inhibitor, 3-(3-Phenoxybenzyl) amino-β-carboline (PAC), promotes selective degradation of αβ-tubulin heterodimers by binding to the colchicine site of β-tubulin. Biochemical studies have revealed that PAC specifically destabilizes tubulin, making it prone to aggregation that then predisposes it to ubiquitinylation and then degradation. Structural activity analyses have indicated that the destabilization is mediated by a single hydrogen bond formed between the pyridine nitrogen of PAC and βGlu198, which is identified as a LBHB. In contrast, another two tubulin inhibitors only forming normal hydrogen bonds with βGlu198 exhibit no degradation effect. Thus, the LBHB accounts for the degradation. Most importantly, we screened for compounds capable of forming LBHB with βGlu198 and demonstrated that BML284, a Wnt signaling activator, also promotes tubulin heterodimers degradation in a PAC-like manner as expected. Our study has identified a novel approach for designing tubulin degraders, providing a unique example of LBHB function and suggests that designing small molecules to form LBHBs with protein residues resulting in the highly specific degradation of a target protein could be a new strategy for drug development.