SUMMARY Spatially resolved transcriptomic technologies are promising tools to study cell fate decisions in a physical microenvironment, which is fundamental for enhancing our knowledge of mammalian development. However, the imbalance between resolution, transcript capture and field of view of current methodologies precludes their systematic application to analyze relatively large and three-dimensional mid- and late-gestation mammalian embryos. Here, we combined DNA nanoball (DNB) patterned arrays and tissue RNA capture to create SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing (Stereo-seq). This approach allows transcriptomic profiling of large histological sections with high resolution and sensitivity. We have applied Stereo-seq to study the kinetics and directionality of transcriptional variation in a time course of mouse organogenesis. We used this information to gain insight into the molecular basis of regional specification, neuronal migration and differentiation in the developing brain. Furthermore, we mapped the expression of a panel of developmental disease-related loci on our global transcriptomic maps to define the spatiotemporal windows of tissue vulnerability. Our panoramic atlas constitutes an essential resource to investigate longstanding questions concerning normal and abnormal mammalian development.

Abstract The monocot family Melanthiaceae with varying genome sizes in a range of 230-fold is an ideal model to study the genome size fluctuation in plants. Its family member Paris genus demonstrates an evolutionary trend of bearing huge genomes characterized by an average c-value of 49.22 pg. Here, we report a 70.18 Gb genome assembly out of the 82.55 Gb genome of Paris polyphylla var. yunnanensis (PPY), which represents the biggest sequenced genome to date. We annotate 69.53% repetitive sequences in this genome and 62.50% of which are long-terminal repeat (LTR) transposable elements. Further evolution analysis indicates that the giant genome likely results from the joint effect of common and species-specific expansion of different LTR superfamilies, which might contribute to the environment adaptation after speciation. Moreover, we identify the candidate pathway genes for the biogenesis of polyphyllins, the PPY-specific medicinal saponins, by complementary approaches including genome mining, comprehensive analysis of 31 next-generation RNA-seq data and 55.23 Gb single-molecule circular consensus sequencing (CCS) RNA-seq reads, and correlation of the transcriptome and phytochemical data of five different tissues at four growth stages. This study not only provides significant insights into plant genome size evolution, but also paves the way for the following polyphyllin synthetic biology.

Abstract The emergence of the novel human coronavirus, SARS-CoV-2, causes a global COVID-19 (coronavirus disease 2019) pandemic. Here, we have characterized and compared viral populations of SARS-CoV-2 among COVID-19 patients within and across households. Our work showed an active viral replication activity in the human respiratory tract and the co-existence of genetically distinct viruses within the same host. The inter-host comparison among viral populations further revealed a narrow transmission bottleneck between patients from the same households, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Author summary In this study, we compared SARS-CoV-2 populations of 13 Chinese COVID-19 patients. Those viral populations contained a considerable proportion of viral sub-genomic messenger RNAs (sgmRNA), reflecting an active viral replication activity in the respiratory tract tissues. The comparison of 66 identified intra-host variants further showed a low viral genetic distance between intra-household patients and a narrow transmission bottleneck size. Despite the co-existence of genetically distinct viruses within the same host, most intra-host minor variants were not shared between transmission pairs, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Furthermore, the narrow bottleneck and active viral activity in the respiratory tract show that the passage of a small number of virions can cause infection. Our data have therefore delivered a key genomic resource for the SARS-CoV-2 transmission research and enhanced our understanding of the evolutionary dynamics of SARS-CoV-2.

Abstract Background Systematic errors can be introduced from DNA amplification during massively parallel sequencing (MPS) library preparation and sequencing array formation. Polymerase chain reaction (PCR)-free genomic library preparation methods were previously shown to improve whole genome sequencing (WGS) quality on the Illumina platform, especially in calling insertions and deletions (InDels). We hypothesized that substantial InDel errors continue to be introduced by the remaining PCR step of DNA cluster generation. In addition to library preparation and sequencing, data analysis methods are also important for the accuracy of the output data.In recent years, several machine learning variant calling pipelines have emerged, which can correct the systematic errors from MPS and improve the data performance of variant calling. Results Here, PCR-free libraries were sequenced on the PCR-free DNBSEQ™ arrays from MGI Tech Co., Ltd. (referred to as MGI) to accomplish the first true PCR-free WGS which the whole process is truly not only PCR-free during library preparation but also PCR-free during sequencing. We demonstrated that PCR-based WGS libraries have significantly (about 5 times) more InDel errors than PCR-free libraries.Furthermore, PCR-free WGS libraries sequenced on the PCR-free DNBSEQ™ platform have up to 55% less InDel errors compared to the NovaSeq platform, confirming that DNA clusters contain PCR-generated errors.In addition, low coverage bias and less than 1% read duplication rate was reproducibly obtained in DNBSEQ™ PCR-free using either ultrasonic or enzymatic DNA fragmentation MGI kits combined with MGISEQ-2000. Meanwhile, variant calling performance (single-nucleotide polymorphisms (SNPs) F-score>99.94%, InDels F-score>99.6%) exceeded widely accepted standards using machine learning (ML) methods (DeepVariant or DNAscope). Conclusions Enabled by the new PCR-free library preparation kits, ultra high-thoughput PCR-free sequencers and ML-based variant calling, true PCR-free DNBSEQ™ WGS provides a powerful solution for improving WGS accuracy while reducing cost and analysis time, thus facilitating future precision medicine, cohort studies, and large population genome projects.

ABSTRACT Background Although atrial electrograms (EGMs) are thought to reflect pathophysiological substrate for atrial fibrillation (AF), it is not known which electrograms are suitable targets during AF ablation. We hypothesized that electrogram morphology recurrence (EMR) better reflects arrhythmogenic AF substrate than traditional frequency and complexity measures of AF. In a canine rapid atrial pacing (RAP) model of AF, we assessed the relationship between EMR and traditional AF electrogram measures, rotational activity in the atria, fibrosis, myofiber orientation and parasympathetic innervation. Methods Persistent AF was induced in 13 dogs by RAP for 6-8 weeks. High-density epicardial mapping (117 electrodes) was performed in six atrial sub-regions. EMR measures Recurrence percentage (Rec%) and cycle length of the most frequent electrogram morphology (CL R ), Fractionated Interval (FI), Organization Index (OI), Dominant Frequency (DF) and Shannon’s Entropy (ShEn) were analyzed before and after atropine administration. Myocyte fiber orientation, amount of fibrosis and spatial distribution of parasympathetic nerve fibers were quantified. Results Rec% was greatest in the appendages, and CL R was lowest in the posterior left atrium. Rec%/CL R correlated with FI, OI and the complexity measure ShEn, but not with DF. All electrogram measures were poorly correlated with fibrosis and myofiber anisotropy. Rec% correlated closely with stability of rotational activity. Unlike other measures, Rec% correlated closely with spatial heterogeneity of parasympathetic nerve fibers; this was reflected in CL R response to atropine. Conclusion EMR correlates closely with stability of rotational activity and with the pattern of atrial parasympathetic innervation. CL R may therefore be a viable therapeutic target in persistent AF.

Although several large-scale environmental microbial projects have been initiated in the past two decades, understanding of the role of complex microbiotas is still constrained by problems of detecting and identifying unknown microorganisms 1-6 .Currently, hypervariable regions of rRNA genes as well as internal transcribed spacer regions are broadly used to identify bacteria and fungi within complex communities 7,8 , but taxonomic and phylogenetic resolution is hampered by insufficient sequencing length 9-11 . Direct sequencing of full length rRNA genes is currently limited by read length using second generation sequencing or sacrificed quality and throughput by using single molecule sequencing. We developed a novel method to sequence and assemble nearly full length rRNA genes using second generation sequencing.Benchmarking was performed on mock bacterial and fungal communities as well as two forest soil samples. The majority of rRNA gene sequences of all species in the mock community samples were successfully recovered with identities above 99.5% compared to the reference sequences. For soil samples we obtained exquisite coverage with identification of a large number of putative new species, as well as high abundance correlation between replicates. This approach provides a cost-effective method for obtaining extensive and accurate information on complex environmental microbial communities.

Abstract Exosomal microRNA (miRNA) is an emerging source for biomarkers of Alzheimer’s disease (AD). Here, we profiled miRNA expression in AD, mild cognitive impairment (MCI), and controls. The assessment and validation of differentially expressed miRNA represented their potential to be novel biomarkers for AD and MCI. We conducted 13 co-expression networks and a miRNA network module linked to neural function emerged as the most significantly associated with AD diagnosis. The conservation analysis revealed the M1 was highly preserved in controls but dysfunction in AD and MCI. The module pattern between MCI and NC was similar, but significantly differed from AD, suggesting that the neural network regulated by miRNA changed during the mild cognitive stage, and the total miRNA expression altered in AD stage. Additionally, 24 out of 26 M1 hub-miRNAs were derived from brain tissue, and 15 had been reported as AD biomarkers. We consequently proposed the other 11 miRNAs could play important roles in AD. Our study highlights that co-expression network analysis can provide a new path for finding novel biomarkers.

Abstract The order Characiformes is one of the largest components of the freshwater teleost fauna inhabiting exclusively in South America and Africa with great ecological and economical significance. Yet, quite limited genomic resources are available to study this group and their transatlantic vicariance. In this study we present a chromosome-level genome assembly of the African pike ( Hepsetus odoe ), a representative member of the African Characiformes. To this end, we generated 119, 11, and 67 Gb reads using the single tube long fragment read (stLFR), Oxford Nanopore, and Hi-C sequencing technologies, respectively. We obtained an 862.1 Mb genome assembly with the contig and scaffold N50 of 347.4 kb and 25.8 Mb, respectively. Hi-C sequencing produced 29 chromosomes with 742.5 Mb, representing 86.1% of the genome. 24,314 protein-coding genes were predicted and 23,999 (98.7%) genes were functionally annotated. The chromosomal-scale genome assembly will be useful for functional and evolutionary studies of the African pike and promote the study of Characiformes speciation and evolution.

Accurate next generation sequencing (NGS) is critical for understanding genetic predisposition to human disease and thus aiding clinical diagnosis and personalized precision medicine. Recent breakthroughs in massively parallel sequencing, especially when coupled with sample multiplexing, have driven sequencing cost down and made clinical genetic tests broadly affordable. However, intractable index mis-assignment (commonly exceeds 1%) has been reported on some widely used sequencing platforms. Burdensome unique dual indexing is now used to reduce this problem. Here, we investigated this quality issue on BGI sequencers using three major library preparation methods: whole genome sequencing (WGS) with PCR, PCR-free WGS, and two-step targeted PCR. BGI sequencers utilize a unique DNA nanoball (DNB) technology that is based on rolling circle replication (RCR) for array preparation; this linear amplification is PCR free and can avoid error accumulation. We demonstrate here that single index mis-assignment from free indexed oligos on these sequencers occurs at a rate of only one in 36 million reads, suggesting virtually no index hopping during DNB creation and arraying, as expected for the RCR process. Furthermore, the DNB-based NGS applications have achieved an unprecedentedly low sample-to-sample mis-assignment rate of 0.0001% to 0.0004% using only single indexing. Therefore, single indexing with DNB sequencing technology provides a simple but effective method for sensitive research and clinical genetic assays that require the detection of low abundance sequences in a large number of samples.

The diversity of disease presentations warrants one single assay for detection and delineation of various genomic disorders. Herein, we describe a gel-free and biotin-capture-free mate-pair method through coupling Controlled Polymerizations by Adapter-Ligation (CP-AL). We first demonstrated the feasibility and ease-of-use in monitoring DNA nick-translation and primer extension by limiting the nucleotide input. By coupling these two controlled polymerizations by a reported non-conventional adapter ligation reaction 3’ branch ligation, we evidenced that CP-AL significantly increased DNA-circularization efficiency (by 4-fold) and was applicable for different sequencing methods but at a faction of current cost. Its advantages were further demonstrated by fully elimination of small-insert-contaminated (by 39.3-fold) with a ~50% increment of physical coverage, and producing uniform genome/exome coverage and the lowest chimeric rate. It achieved single-nucleotide variants detection with sensitivity and specificity up to 97.3 and 99.7%, respectively, compared with data from small-insert libraries. In addition, this method can provide a comprehensive delineation of structural rearrangements, evidenced by a potential diagnosis in a patient with oligo-atheno-terato-spermia. Moreover, it enables accurate mutation identification by integration of genomic variants from different aberration types. Overall, it provides a potential single-integrated solution for detecting various genomic variants, facilitating a genetic diagnosis in human diseases.