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 As of middle May 2020, the causative agent of COVID-19, SARS-CoV-2, has infected over 4 million people with more than 300 thousand death as official reports 1,2 . The key to understanding the biology and virus-host interactions of SARS-CoV-2 requires the knowledge of mutation and evolution of this virus at both inter- and intra-host levels. However, despite quite a few polymorphic sites identified among SARS-CoV-2 populations, intra-host variant spectra and their evolutionary dynamics remain mostly unknown. Here, using deep sequencing data, we achieved and characterized consensus genomes and intra-host genomic variants from 32 serial samples collected from eight patients with COVID-19. The 32 consensus genomes revealed the coexistence of different genotypes within the same patient. We further identified 40 intra-host single nucleotide variants (iSNVs). Most (30/40) iSNVs presented in single patient, while ten iSNVs were found in at least two patients or identical to consensus variants. Comparison of allele frequencies of the iSNVs revealed genetic divergence between intra-host populations of the respiratory tract (RT) and gastrointestinal tract (GIT), mostly driven by bottleneck events among intra-host transmissions. Nonetheless, we observed a maintained viral genetic diversity within GIT, showing an increased population with accumulated mutations developed in the tissue-specific environments. The iSNVs identified here not only show spatial divergence of intra-host viral populations, but also provide new insights into the complex virus-host interactions.

Abstract Invertebrates, animals (metazoans) without backbones, encompass ∼97% of all animal yet remains understudied. They have provided insights into molecular mechanisms underlying fundamentally identical mechanisms in phylogenetically diverse animals, including vertebrates. Marine invertebrates have long fascinated researchers due to their abundance, diversity, adaptations, and impact on ecosystems and human economies. Here, we report a compendium and appraisal of 190 marine invertebrate genomes spanning 21 phyla, 43 classes, 92 orders, and 134 families. We identify a high proportion and long unit size of tandem repeats, likely contributing to reported difficulties in invertebrate genome assembly. A well-supported phylogenetic tree of marine invertebrates from 974 single-copy orthologous genes resolved topological controversies. We show that Ctenophora is at the basal phylum and Porifera is the sister group of Parahoxozoa; that Xenacoelomorpha is within Bilateria and is the sister group to Protostomia, rejecting three out of four hypotheses in the field; and that Bryozoa is at the basal position of Lophotrochozoa, not grouped into Lophophorata. We also present insights into the genetic underpinnings of metazoans from Hox genes, innate immune gene families, and nervous system gene families. Our marine invertebrate genome compendium provides a unified foundation for studies on their evolution and effects on ecological systems and human life.

ABSTRACT Fecal microbiota transplantation (FMT), which is thought to have the potential to correct dysbiosis of gut microbiota, has recently been used to treat inflammatory bowel disease (IBD). To elucidate the extent and principles of microbiota engraftment in IBD patients after FMT treatment, we conducted an interventional prospective cohort study. The cohort included two categories of patients: (1) patients with moderate to severe Crohn’s disease (CD) (Harvey-Bradshaw Index ≥ 7, n = 11, and (2) patients with ulcerative colitis (UC) (Montreal classification, S2 and S3, n = 4). All patients were treated with a single FMT (via mid-gut, from healthy donors) and follow-up visits were performed at baseline, 3 days, one week, and one month after FMT (missing time points included). At each follow-up time point, fecal samples of the participants were collected along with their clinical metadata. For comparative analysis, 10 fecal samples from 10 healthy people were included to represent the diversity level of normal gut microbiota. Additionally, the metagenomic data of 25 fecal samples from 5 individuals with metabolic syndrome who underwent autologous FMT treatment were downloaded from a previous published paper to represent natural microbiota shifts during FMT. All fecal samples underwent shotgun metagenomic sequencing. We found that 3 days after FMT, 11 out of 15 recipients were in remission (3 out of 4 UC recipients; 8 out of 11 CD recipients). Generally, bacterial colonization was observed to be lower in CD recipients than in UC recipients at both species and strain levels. Furthermore, across species, different strains displayed disease-specific displacement advantages under two-disease status. Finally, most post-FMT species (> 80%) could be properly predicted (AUC > 85%) using a random forest classification model, with the gut microbiota composition and clinical parameters of pre-FMT recipients acting as the most contributive factors for prediction accuracy.

Objective: To investigate whether the mitochondrial DNA content could predict the embryo viability. Design: Retrospective analysis. Setting: Reproductive genetics laboratory. Patient(s): A total of 421 biopsied samples obtained from 129 patients. Intervention(s): Embryo biopsies samples underwent whole genome amplification (WGA) and were tested by next generation sequencing (NGS) and array Comparative Genomic Hybridization (aCGH), 30 samples were selected randomly to undergo quantitative real-time polymerase chain reaction (qPCR). Main Outcome Measure(s): Those embryos which obtained the consistent chromosome status determined both aCGH and NGS platform were further classified. We investigated the relationship of mtDNA content with several factors including female patient age, embryo morphology, chromosome status, and live birth rate of both blastocysts and blastomeres. Result(s): A total of 386 (110 blastomeres and 276 blastocysts) out of 399 embryos showed consistent chromosome status outcome. We found no statistically difference was observed in aneuploid and euploid blastocysts (p=0.14), the same phenomenon was observed in aneuploid and euploid blastomeres (p=0.89). Similarly, the mtDNA content was independent of female patient age, embryo morphology and live birth rate. Conclusion(s): The mtDNA content did not provide a reliable prediction of the viability of blastocysts to initiate a pregnancy.

A decade of studies has established the importance of the gut microbiome in human health. In spite of sex differences in the physiology, lifespan, and prevalence of many age-associated diseases, sex and age disparities in the gut microbiota have been little studied. Here we show age-related sex differences in the adult gut microbial composition and functionality in two community-based cohorts from Northern China and the Netherlands. Consistently, women harbour a more diverse and stable microbial community across broad age ranges, whereas men exhibit a more variable gut microbiota strongly correlated with age. Reflecting the sex-biased age-gut microbiota interaction patterns, sex differences observed in younger adults are considerably reduced in the elderly population. Our findings highlight the age- and sex-biased differences in the adult gut microbiota across two ethnic population and emphasize the need for considering age and sex in studies of the human gut microbiota.

Cartilaginous fishes have a very high phenotypical diversity, a phenomenon for which the mechanisms have been largely unexplored. Here, we report the genome of the white-spotted bamboo shark as the first chromosome-level genome assembly of cartilaginous fish. Using this genome, we illustrated a dynamic chromosome rearrangement process in the bamboo shark, which resulted in the formation of 13 chromosomes, all of which were sparsely distributed with conserved genes and fast-evolving. We found the fast-evolving chromosomes to be enriched in immune-related genes with two chromosomes harboring the major genes for developing the single-chain antibody. We also found chromosome rearrangements to have resulted in the loss of two genes (p2rx3 and p2rx5) which we also showed were involved in cartilage development using a CRISPR/Cas9 approach in zebrafish. Our study highlighted the significance of chromosome rearrangements in the phenotypical evolution of cartilaginous fishes, providing clues to inform further studies on mechanisms for fish diversification.

Importance: Although a few studies have reported the effects of several polymorphisms on major adverse cardiovascular events (MACE) in patients with acute coronary syndromes (ACS) and those undergoing percutaneous coronary intervention (PCI), these genotypes account for only a small fraction of the variation and evidence is insufficient. This study aims to identify new genetic variants associated with MACE by large-scale sequencing data. Objective: To identify the genetic variants that caused MACE. Design: All patients in this study were allocated to dual antiplatelet therapy for up to 12 months and have the follow-up duration of 18 months. Setting: A two-stage association study was performed. Participants: We evaluated the associations of genetic variants and MACE in 1961 patients with ACS undergoing PCI (2009-2012), including high-depth whole exome sequencing of 168 patients in the discovery cohort and high-depth targeted sequencing of 1793 patients in the replication cohort. Main Outcomes and Measure: The primary clinical efficacy endpoint was the major adverse cardiovascular events (MACE) composite endpoint, including cardiovascular death, myocardial infarction (MI), stroke (CT or MR scan confirmed) and repeated revascularization (RR). Results: We discovered and confirmed six new genotypes associated with MACE in patients with ACS. Of which, rs17064642 at MYOM2 increased the risk of MACE (hazard ratio [HR] 2.76; P = 2.95E-9) and reached genome-wide significance. The other five suggestive variants were KRTAP10-4 (rs201441480), WDR24 (rs11640115), ECHS1 (rs140410716), AGAP3 (rs75750968) and NECAB1 (rs74569896). Notably, the expressions of MYOM2 and ECHS1 are down-regulated in both animal models and patients with phenotypes related to MACE. Importantly, we developed the first superior classifier for predicting MACE and achieved high predictive accuracy (0.809). Conclusions and Relevance: We identified six new genotypes associated with MACE and developed a superior classifier for predicting MACE. Our findings shed light on the pathogenesis of cardiovascular outcomes and may help clinician to make decision on the therapeutic intervention for ACS patients.

Emerging evidence has linked the gut microbiota to schizophrenia. However, the functional changes in the gut microbiota and the biological role of individual bacterial species in schizophrenia have not been explored systematically. Here, we characterized the gut microbiota in schizophrenia using shotgun metagenomic sequencing of feces from a discovery cohort of 90 drug free patients and 81 controls, as well as a validation cohort of 45 patients taking antipsychotics and 45 controls. We screened 83 schizophrenia associated bacterial species and constructed a classifier comprising 26 microbial biomarkers that distinguished patients from controls with a 0.896 area under the receiver operating characteristics (ROC) curve (AUC) in the discovery cohort and 0.765 ROC AUC in the validation cohort. Our analysis of fecal metagenomes revealed that schizophrenia-associated gut brain modules (GBMs) included short chain fatty acids synthesis, tryptophan metabolism, and synthesis/degradation of neurotransmitters including glutamate, GABA, and nitric oxide. The schizophrenia enriched gut bacterial species include several oral cavity resident microbes, such as Streptococcus vestibulari. We transplanted S. vestibularis into the gut of the mice with antibiotic induced microbiota depletion to explore its functional role. We observed that this microbe transiently inhabited the mouse gut and this was followed by hyperactivity and deficit in social behaviors, accompanied with altered neurotransmitter levels in peripheral tissues. In conclusion, our study identified 26 schizophrenia associated bacterial species representing potential microbial targets for future treatment, as well as GBMs, some of which may give rise to new microbial metabolites involved in the development of schizophrenia.

With more than 30,000 species, fish are the largest and most ancient vertebrate group. Despite their critical roles in many ecosystems and human society, fish genomics lags behind work on birds and mammals. This severely limits our understanding of evolution and hinders progress on the conservation and sustainable utilization of fish. Here, we announce the Fish10K project, an international collaborative project or initiative? aiming to sequence 10,000 representative fish genomes under a systematic context within ten years, and officially welcome collaborators to join this effort. As a step towards this goal, we herein describe a feasible workflow for the procurement and storage of biospecimens, and sequencing and assembly strategies. To illustrate, we present the genomes of ten fish species from a cohort of 93 species chosen for technology development.