We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

Defects in mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) have been reported in COVID-19 patients, but the timing and organs affected vary among reports. Here, we reveal the dynamics of COVID-19 through transcription profiles in nasopharyngeal and autopsy samples from patients and infected rodent models. While mitochondrial bioenergetics is repressed in the viral nasopharyngeal portal of entry, it is up regulated in autopsy lung tissues from deceased patients. In most disease stages and organs, discrete OXPHOS functions are blocked by the virus, and this is countered by the host broadly up regulating unblocked OXPHOS functions. No such rebound is seen in autopsy heart, results in severe repression of genes across all OXPHOS modules. Hence, targeted enhancement of mitochondrial gene expression may mitigate the pathogenesis of COVID-19.

The Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus has infected over 115 million people and caused over 2.5 million deaths worldwide. Yet, the molecular mechanisms underlying the clinical manifestations of COVID-19, as well as what distinguishes them from common seasonal influenza virus and other lung injury states such as Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), remains poorly understood. To address these challenges, we combined transcriptional profiling of 646 clinical nasopharyngeal swabs and 39 patient autopsy tissues, matched with spatial protein and expression profiling (GeoMx) across 357 tissue sections. These results define both body-wide and tissue-specific (heart, liver, lung, kidney, and lymph nodes) damage wrought by the SARS-CoV-2 infection, evident as a function of varying viral load (high vs. low) during the course of infection and specific, transcriptional dysregulation in splicing isoforms, T cell receptor expression, and cellular expression states. In particular, cardiac and lung tissues revealed the largest degree of splicing isoform switching and cell expression state loss. Overall, these findings reveal a systemic disruption of cellular and transcriptional pathways from COVID-19 across all tissues, which can inform subsequent studies to combat the mortality of COVID-19, as well to better understand the molecular dynamics of lethal SARS-CoV-2 infection and other viruses.

Abstract Spaceflight induces molecular, cellular and physiological shifts in astronauts and poses myriad biomedical challenges to the human body, which are becoming increasingly relevant as more humans venture into space 1–6 . Yet current frameworks for aerospace medicine are nascent and lag far behind advancements in precision medicine on Earth, underscoring the need for rapid development of space medicine databases, tools and protocols. Here we present the Space Omics and Medical Atlas (SOMA), an integrated data and sample repository for clinical, cellular and multi-omic research profiles from a diverse range of missions, including the NASA Twins Study 7 , JAXA CFE study 8,9 , SpaceX Inspiration4 crew 10–12 , Axiom and Polaris. The SOMA resource represents a more than tenfold increase in publicly available human space omics data, with matched samples available from the Cornell Aerospace Medicine Biobank. The Atlas includes extensive molecular and physiological profiles encompassing genomics, epigenomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and microbiome datasets, which reveal some consistent features across missions, including cytokine shifts, telomere elongation and gene expression changes, as well as mission-specific molecular responses and links to orthologous, tissue-specific mouse datasets. Leveraging the datasets, tools and resources in SOMA can help to accelerate precision aerospace medicine, bringing needed health monitoring, risk mitigation and countermeasure data for upcoming lunar, Mars and exploration-class missions.

Summary MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs involved in post-transcriptional gene regulation that have a major impact on many diseases and provides an exciting avenue towards antiviral therapeutics. From patient transcriptomic data, we have discovered a circulating miRNA, miR-2392, that is directly involved with SARS-CoV-2 machinery during host infection. Specifically, we show that miR-2392 is key in driving downstream suppression of mitochondrial gene expression, increasing inflammation, glycolysis, and hypoxia as well as promoting many symptoms associated with COVID-19 infection. We demonstrate miR-2392 is present in the blood and urine of COVID-19 positive patients, but not detected in COVID-19 negative patients. These findings indicate the potential for developing a novel, minimally invasive, COVID-19 detection method. Lastly, using in vitro human and in vivo hamster models, we have developed a novel miRNA-based antiviral therapeutic that targets miR-2392, significantly reduces SARS-CoV-2 viability in hamsters and may potentially inhibit a COVID-19 disease state in humans.

Abstract Microbial transfer from the environment can influence a person’s health, but relevant studies often have confounding variables and short durations. Here, we used the unique environment of the International Space Station (ISS) to track movement of microbes between an astronaut’s commensal microbiomes and their environment. We identified several microbial taxa, including Serratia proteamaculans and Rickettsia australis which appear to have been transferred from the ISS to the commensal microbiomes of the astronaut. Strains were matched at the SNP and haplotype-level, and notably some strains persisted even after the astronaut’s return to Earth. Some transferred taxa correspond to secondary strains in the ISS environment, suggesting that transfer may be mediated by evolutionary selection. Finally, we show evidence that the T-Cell repertoire of the astronaut changes to become more specific to environmental taxa, suggesting that continual microbial and immune monitoring can help guide spaceflight mission planning, health monitoring, and habitat design.

Viruses can subvert a number of cellular processes in order to block innate antiviral responses, and many viruses interact with cellular splicing machinery. SARS-CoV-2 infection was shown to suppress global mRNA splicing, and at least 10 SARS-CoV-2 proteins bind specifically to one or more human RNAs. Here, we investigate 17 published experimental and clinical datasets related to SARS-CoV-2 infection as well as datasets from the betacoronaviruses SARS-CoV and MERS as well as Streptococcus pneumonia, HCV, Zika virus, Dengue virus, influenza H3N2, and RSV. We show that genes showing differential alternative splicing in SARS-CoV-2 have a similar functional profile to those of SARS-CoV and MERS and affect a diverse set of genes and biological functions, including many closely related to virus biology. Additionally, the differentially spliced transcripts of cells infected by coronaviruses were more likely to undergo intron-retention, contain a pseudouridine modification and a smaller number of exons than differentially spliced transcripts in the control groups. Viral load in clinical COVID-19 samples was correlated with isoform distribution of differentially spliced genes. A significantly higher number of ribosomal genes are affected by DAS and DGE in betacoronavirus samples, and the betacoronavirus differentially spliced genes are depleted for binding sites of RNA-binding proteins. Our results demonstrate characteristic patterns of differential splicing in cells infected by SARS-CoV-2, SARS-CoV, and MERS, potentially modifying a broad range of cellular functions and affecting a diverse set of genes and biological functions.

Abstract The Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused thousands of deaths worldwide, including >18,000 in New York City (NYC) alone. The sudden emergence of this pandemic has highlighted a pressing clinical need for rapid, scalable diagnostics that can detect infection, interrogate strain evolution, and identify novel patient biomarkers. To address these challenges, we designed a fast (30-minute) colorimetric test (LAMP) for SARS-CoV-2 infection from naso/oropharyngeal swabs, plus a large-scale shotgun metatranscriptomics platform (total-RNA-seq) for host, bacterial, and viral profiling. We applied both technologies across 857 SARS-CoV-2 clinical specimens and 86 NYC subway samples, providing a broad molecular portrait of the COVID-19 NYC outbreak. Our results define new features of SARS-CoV-2 evolution, nominate a novel, NYC-enriched viral subclade, reveal specific host responses in interferon, ACE, hematological, and olfaction pathways, and examine risks associated with use of ACE inhibitors and angiotensin receptor blockers. Together, these findings have immediate applications to SARS-CoV-2 diagnostics, public health, and new therapeutic targets.

Lethal COVID-19 causation most often invokes classic cytokine storm and attendant excessive immune signaling. We re-visit this question using RNA sequencing in nasopharyngeal and 40 autopsy samples from both COVID-19-positive and negative individuals. In nasal swabs, the top 100 genes expressed, and significantly correlated with COVID-19 viral load, indeed include many canonical innate immune genes. However, 22 much less studied "non-canonical" genes are found and despite the absence of viral transcripts, subsets of these are upregulated in heart, lung, kidney, and liver, but not mediastinal lymph nodes. An important regulatory potential emerges for the non-canonical genes for over-activating the renin-angiotensin-activation-system (RAAS) pathway, resembling this phenomenon in hereditary angioedema (HAE) and its overlapping multiple features with lethal COVID-19 infections. Specifically, RAAS overactivation links increased fibrin deposition, leaky vessels, thrombotic tendency, and initiating the PANoptosis death pathway, as suggested in heart, lung, and especially mediastinal lymph nodes, and a tight association mitochondrial dysfunction linked to immune responses. For mediastinal lymph nodes, immunohistochemistry studies correlate showing abnormal architecture, excess fibrin and collagen deposition, and pathogenic fibroblasts. Further, our findings overlap these for COVID-19 infected hamsters, C57BL/6 and BALB/c mouse models, and importantly peripheral blood mononuclear cell (PBMC) and whole blood samples from COVID-19 patients infected with early alpha but also later COVID-19 omicron strains. We thus present cytokine storm in lethal COVID-19 disease as an interplay between upstream immune gene signaling producing downstream RAAS overactivation with resultant severe organ damage, especially compromising mediastinal lymph node function.

Abstract Borgs are huge extrachromosomal elements (ECE) of anaerobic methane-consuming “ Candidatus Methanoperedens” archaea. Here, we used nanopore sequencing to validate published complete genomes curated from short reads and to reconstruct new genomes. 13 complete and four near-complete linear genomes share 40 genes that define a largely syntenous genome backbone. We use these conserved genes to identify new Borgs from peatland soil and to delineate Borg phylogeny, revealing two major clades. Remarkably, Borg genes encoding OmcZ nanowire-like electron-exporting cytochromes and cell surface proteins are more highly expressed than those of host Methanoperedens , indicating that Borgs augment the Methanoperedens activity in situ . We reconstructed the first complete 4.00 Mbp genome for a Methanoperedens that is inferred to be a Borg host and predicted its methylation motifs, which differ from pervasive TC and CC methylation motifs of the Borgs. Thus, methylation may enable Methanoperedens to distinguish their genomes from those of Borgs. Very high Borg to Methanoperedens ratios and structural predictions suggest that Borgs may be capable of encapsulation. The findings clearly define Borgs as a distinct class of ECE with shared genomic signatures, establish their diversification from a common ancestor with genetic inheritance, and raise the possibility of periodic existence outside of host cells.