Spaceflight induces an immune response in astronauts. To better characterize this effect, we generated single-cell, multi-ome, cell-free RNA (cfRNA), biochemical, and hematology data for the SpaceX Inspiration4 (I4) mission crew. We found that 18 cytokines/chemokines related to inflammation, aging, and muscle homeostasis changed after spaceflight. In I4 single-cell multi-omics data, we identified a "spaceflight signature" of gene expression characterized by enrichment in oxidative phosphorylation, UV response, immune function, and TCF21 pathways. We confirmed the presence of this signature in independent datasets, including the NASA Twins Study, the I4 skin spatial transcriptomics, and 817 NASA GeneLab mouse transcriptomes. Finally, we observed that (1) T cells showed an up-regulation of FOXP3, (2) MHC class I genes exhibited long-term suppression, and (3) infection-related immune pathways were associated with microbiome shifts. In summary, this study reveals conserved and distinct immune disruptions occurring and details a roadmap for potential countermeasures to preserve astronaut health.

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.

Human spaceflight has historically been managed by government agencies, such as in the NASA Twins Study

Abstract The advent of civilian spaceflight challenges scientists to precisely describe the effects of spaceflight on human physiology, particularly at the molecular and cellular level. Newer, nanopore-based sequencing technologies can quantitatively map changes in chemical structure and expression at single molecule resolution across entire isoforms. We perform long-read, direct RNA nanopore sequencing, as well as Ultima high-coverage RNA-sequencing, of whole blood sampled longitudinally from four SpaceX Inspiration4 astronauts at seven timepoints, spanning pre-flight, day of return, and post-flight recovery. We report key genetic pathways, including changes in erythrocyte regulation, stress induction, and immune changes affected by spaceflight. We also present the first m 6 A methylation profiles for a human space mission, suggesting a significant spike in m 6 A levels immediately post-flight. These data and results represent the first longitudinal long-read RNA profiles and RNA modification maps for each gene for astronauts, improving our understanding of the human transcriptome’s dynamic response to spaceflight.

Abstract Loss-of-function mutations in KMT2D are a striking feature of the germinal centre (GC) lymphomas, resulting in decreased H3K4 methylation and altered gene expression. We hypothesised that inhibition of the KDM5 family, which demethylates H3K4me3/me2, would re-establish H3K4 methylation and restore the expression of genes repressed upon loss of KMT2D . KDM5-inhibition increased H3K4me3 levels and caused an anti-proliferative response in vitro , which was markedly greater in both endogenous and CRISPR-edited KMT2D mutant DLBCL cell lines, whilst tumour growth was inhibited in KMT2D mutant xenografts in vivo . KDM5-inhibition reactivated both KMT2D-dependent and -independent genes, resulting in diminished B-cell receptor signalling and altered expression of BCL2 family members, including BCL2 itself, allowing it to synergise with agents targeting these pathways. KDM5-inhibition may offer an effective therapeutic strategy for ameliorating KMT2D loss-of-function mutations in GC-lymphomas. Statement of significance We detail a novel way of reverting the effects of loss-of-function mutations in the histone methyltransferase KMT2D by inhibiting the KDM5 demethylase family, increasing levels of H3K4me3 and restoring expression of KMT2D regulated genes.

Abstract During affinity maturation, germinal center (GC) B cells alternate between proliferation and so-matic hypermutation in the dark zone (DZ) and affinity-dependent selection in the light zone (LZ). This anatomical segregation imposes that the vigorous proliferation that allows clonal expansion of positively-selected GC B cells takes place ostensibly in the absence of the signals that triggered selection in the LZ, as if by “inertia.” We find that such inertial cycles specifically require the cell cycle regulator cyclin D3. Cyclin D3 dose-dependently controls the extent to which B cells proliferate in the DZ and is essential for effective clonal expansion of GC B cells in response to strong T follicular helper (Tfh) cell help. Introduction into the Ccnd3 gene of a Burkitt lymphoma-associated gain-of-function mutation (T283A) leads to larger GCs with increased DZ proliferation and, in older mice, to clonal B cell lymphoproliferation, suggesting that the DZ inertial cell cycle program can be coopted by B cells undergoing malignant transformation.

Multiple myeloma (MM) is a plasma cell neoplasm associated with a broad variety of genetic lesions. In spite of this genetic heterogeneity, MMs share a characteristic malignant phenotype whose underlying molecular basis remains poorly characterized. In the present study, we examined plasma cells from MM using a multi-epigenomics approach and demonstrated that when compared to normal B cells, malignant plasma cells showed an extensive activation of regulatory elements, in part affecting co-regulated adjacent genes. Among target genes upregulated by this process, we found members of the NOTCH, NFkB, mTOR1 signaling and p53 signaling pathways. Other activated genes included sets involved in osteoblast differentiation and response to oxidative stress, all of which have been shown to be associated with the MM phenotype and clinical behavior. We functionally characterized MM specific active distant enhancers controlling the expression of thioredoxin (TXN), a major regulator of cellular redox status, and in addition identified PRDM5 as a novel essential gene for MM. Collectively our data indicates that aberrant chromatin activation is a unifying feature underlying the malignant plasma cell phenotype.

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.

The complexity of cancer signaling networks limits the efficacy of most single agent treatments and brings about challenges in identifying effective combinatorial therapies. Using chronic active B cell receptor (BCR) signaling in diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) as a model system, we established a computational framework to optimize combinatorial therapy in silico. We constructed a detailed kinetic model of the BCR signaling network, which captured the known complex crosstalk between the NFκB, ERK and AKT pathways; and multiple feedback loops. Combining this signaling model with a data-derived tumor growth model we predicted viability responses of many single drug and drug combinations that are in agreement with experimental data. Under this framework, we exhaustively predicted and ranked the efficacy and synergism of all possible combinatorial inhibitions of eleven currently targetable kinases in the BCR signaling network. Our work established a detailed kinetic model of the core BCR signaling network and provides the means to explore the large space of possible drug combinations.