SARS-CoV-2 messenger RNA vaccination in healthy individuals generates immune protection against COVID-19. However, little is known about SARS-CoV-2 mRNA vaccine-induced responses in immunosuppressed patients. We investigated induction of antigen-specific antibody, B cell and T cell responses longitudinally in patients with multiple sclerosis (MS) on anti-CD20 antibody monotherapy (n = 20) compared with healthy controls (n = 10) after BNT162b2 or mRNA-1273 mRNA vaccination. Treatment with anti-CD20 monoclonal antibody (aCD20) significantly reduced spike-specific and receptor-binding domain (RBD)-specific antibody and memory B cell responses in most patients, an effect ameliorated with longer duration from last aCD20 treatment and extent of B cell reconstitution. By contrast, all patients with MS treated with aCD20 generated antigen-specific CD4 and CD8 T cell responses after vaccination. Treatment with aCD20 skewed responses, compromising circulating follicular helper T (TFH) cell responses and augmenting CD8 T cell induction, while preserving type 1 helper T (TH1) cell priming. Patients with MS treated with aCD20 lacking anti-RBD IgG had the most severe defect in circulating TFH responses and more robust CD8 T cell responses. These data define the nature of the SARS-CoV-2 vaccine-induced immune landscape in aCD20-treated patients and provide insights into coordinated mRNA vaccine-induced immune responses in humans. Our findings have implications for clinical decision-making and public health policy for immunosuppressed patients including those treated with aCD20.

Early detection has the potential to reduce cancer mortality, but an effective screening test must demonstrate asymptomatic cancer detection years before conventional diagnosis in a longitudinal study. In the Taizhou Longitudinal Study (TZL), 123,115 healthy subjects provided plasma samples for long-term storage and were then monitored for cancer occurrence. Here we report the preliminary results of PanSeer, a noninvasive blood test based on circulating tumor DNA methylation, on TZL plasma samples from 605 asymptomatic individuals, 191 of whom were later diagnosed with stomach, esophageal, colorectal, lung or liver cancer within four years of blood draw. We also assay plasma samples from an additional 223 cancer patients, plus 200 primary tumor and normal tissues. We show that PanSeer detects five common types of cancer in 88% (95% CI: 80–93%) of post-diagnosis patients with a specificity of 96% (95% CI: 93–98%), We also demonstrate that PanSeer detects cancer in 95% (95% CI: 89–98%) of asymptomatic individuals who were later diagnosed, though future longitudinal studies are required to confirm this result. These results demonstrate that cancer can be non-invasively detected up to four years before current standard of care. Patients whose disease is diagnosed in its early stages have better outcomes. In this study, the authors develop a non invasive blood test based on circulating tumor DNA methylation that can potentially detect cancer occurrence even in asymptomatic patients.

Biological age (BA) has been proposed to evaluate the aging status instead of chronological age (CA). Our study shows evidence that there might be multiple "clocks" within the whole-body system: systemic aging drivers/clocks overlaid with organ/tissue-specific counterparts. We utilize multi-omics data, including clinical tests, immune repertoire, targeted metabolomic molecules, gut microbiomes, physical fitness examinations, and facial skin examinations, to estimate the BA of different organs (e.g., liver, kidney) and systems (immune and metabolic system). The aging rates of organs/systems are diverse. People's aging patterns are different. We also demonstrate several applications of organs/systems BA in two independent datasets. Mortality predictions are compared among organs' BA in the dataset of the United States National Health and Nutrition Examination Survey. Polygenic risk score of BAs constructed in the Chinese Longitudinal Healthy Longevity Survey cohort can predict the possibility of becoming centenarian.

In bacterial cells, inhibition of ribosomes by sublethal concentrations of antibiotics leads to a decrease in the growth rate despite an increase in ribosome content. The limitation of ribosomal activity results in an increase in the level of expression from ribosomal promoters; this can deplete the pool of RNA polymerase (RNAP) that is available for the expression of nonribosomal genes. However, the magnitude of this effect remains to be quantified. Here, we use the change in the activity of constitutive promoters with different affinities for RNAP to quantify the change in the concentration of free RNAP. The data are consistent with a significant decrease in the amount of RNAP available for transcription of both ribosomal and nonribosomal genes. Results obtained with different reporter genes reveal an mRNA length dependence on the amount of full-length translated protein, consistent with the decrease in ribosome processivity affecting more strongly the translation of longer genes. The genes coding for the β and β' subunits of RNAP are among the longest genes in the Escherichia coli genome, while the genes coding for ribosomal proteins are among the shortest genes. This can explain the observed decrease in transcription capacity that favors the expression of genes whose promoters have a high affinity for RNAP, such as ribosomal promoters.IMPORTANCE Exposure of bacteria to sublethal concentrations of antibiotics can lead to bacterial adaptation and survival at higher doses of inhibitors, which in turn can lead to the emergence of antibiotic resistance. The presence of sublethal concentrations of antibiotics targeting translation results in an increase in the amount of ribosomes per cell but nonetheless a decrease in the cells' growth rate. In this work, we have found that inhibition of ribosome activity can result in a decrease in the amount of free RNA polymerase available for transcription, thus limiting the protein expression rate via a different pathway than what was expected. This result can be explained by our observation that long genes, such as those coding for RNA polymerase subunits, have a higher probability of premature translation termination in the presence of ribosome inhibitors, while expression of short ribosomal genes is affected less, consistent with their increased concentration.

Autoimmune diseases disproportionately affect females more than males. The XX sex chromosome complement is strongly associated with susceptibility to autoimmunity. Xist long non-coding RNA (lncRNA) is expressed only in females to randomly inactivate one of the two X chromosomes to achieve gene dosage compensation. Here, we show that the Xist ribonucleoprotein (RNP) complex comprising numerous autoantigenic components is an important driver of sex-biased autoimmunity. Inducible transgenic expression of a non-silencing form of Xist in male mice introduced Xist RNP complexes and sufficed to produce autoantibodies. Male SJL/J mice expressing transgenic Xist developed more severe multi-organ pathology in a pristane-induced lupus model than wild-type males. Xist expression in males reprogrammed T and B cell populations and chromatin states to more resemble wild-type females. Human patients with autoimmune diseases displayed significant autoantibodies to multiple components of XIST RNP. Thus, a sex-specific lncRNA scaffolds ubiquitous RNP components to drive sex-biased immunity.

Canonically, the complement system is known for its rapid response to remove microbes in the bloodstream. However, relatively little is known about a functioning complement system on intestinal mucosal surfaces. Herein, we report the local synthesis of complement component 3 (C3) in the gut, primarily by stromal cells. C3 is expressed upon commensal colonization and is regulated by the composition of the microbiota in healthy humans and mice, leading to an individual host's specific luminal C3 levels. The absence of membrane attack complex (MAC) components in the gut ensures that C3 deposition does not result in the lysis of commensals. Pathogen infection triggers the immune system to recruit neutrophils to the infection site for pathogen clearance. Basal C3 levels directly correlate with protection against enteric infection. Our study reveals the gut complement system as an innate immune mechanism acting as a vigilant sentinel that combats pathogens and spares commensals.

We report a novel two-photon fluorescence microscope based on a fast-switching liquid crystal spatial light modulator and a pair of galvo-resonant scanners for large-scale recording of neural activity from the mammalian brain. The utilized imaging technique is capable of monitoring large populations of neurons spread across different layers of the neocortex in awake and behaving mice. During each imaging session, all visual stimulus driven somatic activity could be recorded in the same behavior state. We observed heterogeneous response to different types of visual stimuli from ~ 3,300 excitatory neurons reaching from layer II/III to V of the striate cortex.

Abstract The gut viral community has been linked to human physiology and health, but our knowledge of its genetic and functional contents and disease dependence is far from complete. Here, we collected 11,327 bulk or viral metagenomes from fecal samples from large-scale Chinese populations to establish a Chinese gut virus catalogue (cnGVC) comprising 67,096 nonredundant viral genomes. This catalogue included ∼70% of novel viruses that are not represented in existing gut viral databases, and allowed us to characterize the functional diversity and specificity of the gut virome. Using cnGVC, we 1) profiled the gut virome in large-scale populations and evaluated their sex- and age-related variations, 2) investigated the diversity and compositional patterns of the gut virome across common diseases by analyzing 6,314 bulk metagenomes spanning 28 disease or unhealthy statuses, and 3) identified a large number of universal viral signatures of diseases and validated their predictive ability for health status. Overall, our resources and results would contribute to the grand effort of expanding the knowledge of the human gut virome and addressing a full picture of the associations between viruses and common diseases.

SUMMARY The long noncoding RNA (lncRNA) XIST establishes X chromosome inactivation (XCI) in female cells in early development and thereafter is thought to be largely dispensable. Here we show XIST is continually required in adult human B cells to silence a subset of X-linked immune genes such as TLR7 . XIST-dependent genes lack promoter DNA methylation and require continual XIST-dependent histone deacetylation. XIST RNA-directed proteomics and CRISPRi screen reveal distinctive somatic cell-specific XIST complexes, and identify TRIM28 that mediates Pol II pausing at promoters of X-linked genes in B cells. XIST dysregylation, reflected by escape of XIST-dependent genes, occurs in CD11c+ atypical memory B cells across single-cell transcriptome data in patients with female-biased autoimmunity and COVID-19 infection. XIST inactivation with TLR7 agonism suffices to promote isotype-switched atypical B cells. These results suggest cell-type-specific diversification of lncRNA-protein complexes increase lncRNA functionalities, and expand roles for XIST in sex-differences in biology and medicine. HIGHLIGHTS XIST prevents escape of genes with DNA hypomethylated promoters in B cells. XIST maintains X-inactivation through continuous deacetylation of H3K27ac. XIST ChIRP-MS and allelic CRISPRi screen reveal a B cell-specific XIST cofactor TRIM28. XIST loss and TLR7 stimulation promotes CD11c+ atypical B cell formation.

Abstract Cell fate commitment occurs during early embryonic development, that is, the embryonic differentiation sometimes undergoes a critical phase transition or “tipping point” of cell fate commitment, at which there is a drastic or qualitative shift of the cell populations. In this study, we presented a novel computational approach, the single-cell graph entropy (SGE), to explore the gene-gene associations among cell populations based on single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data. Specifically, by transforming the sparse and fluctuating gene expression data to the stable local network entropy, the SGE score quantitatively characterizes the criticality of gene regulatory networks among cell populations, and thus can be employed to predict the tipping point of cell fate or lineage commitment at the single cell level. The proposed SGE method was applied to five scRNA-seq datasets. For all these datasets of embryonic differentiation, SGE effectively captures the signal of the impending cell fate transitions, which cannot be detected by gene expressions. Some “dark” genes that are non-differential but sensitive to SGE values were revealed. The successful identification of critical transition for all five datasets demonstrates the effectiveness of our method in analyzing scRNA-seq data from a network perspective, and the potential of SGE to track the dynamics of cell differentiation.